溫室智能裝備系列之一百二十九基于環境參數反饋控制的立體栽培施肥系統設計

胡耘瑞，張 梅，田志偉，姚 森，馬 偉

（1.四川大學電氣工程學院，成都610065 ；2.成都農業科技職業學院，成都 611130；3.成都農業科技中心，成都 610404）

農業發展受到諸多因素制約，包括生產高度分散，受市場波動沖擊大，自然災害風險高等方面。要解決上述問題，應運用新的技術手段重構農業生產方式，植物工廠無疑是農業的潛在出路之一。植物工廠是在完全密閉或半密閉條件下采用高精度環境控制，實現作物在垂直立體空間周年計劃性生產的高效農業系統，是衡量一個國家農業高技術水平的重要標志之一，受到全世界的高度重視[1]。

植物工廠內采用立體栽培模式，在相同的面積上，種植數倍于農田的作物，同時工廠內可根據不同作物的需求科學地設置不同的溫度、光照、灌溉等外在條件，減少天氣原因對于作物生長帶來不利的影響?？偟膩碚f，植物工廠可以提高作物栽培過程中的科技滲透率，增強產業穩定性，提高農民收入。同時，通過系統自動控制水肥供應的水培生產模式相對于傳統土壤栽培模式來說更適用于工廠化作物栽培。水培是蔬菜生產技術上的一項重大革新，與進口的基質栽培相比，具有操作簡單、成本低廉、不受季節和環境限制、種植產量高、產品安全性高等特點[2]。因此，合理運用水培進行蔬菜種植可以提高農業生產效益，蔬菜生產水肥控制器可以實現代替人工，實現精準水肥供給的目的[3-4]。

系統原理

工廠化立體栽培無線水肥控制器主要由PLC 控制器、智能燈管、水肥傳感器、溫度光照傳感器、栽培盤和營養液輸送系統構成。利用PLC 作為控制中樞，通過安放在栽培盤中的傳感器實時檢測水中的CO2含量、含氮量、含磷量、光照強度等指標，通過放置在墻壁的溫度光照復合傳感器檢測溫度和光照強度等指標。傳感器實時向PLC 控制中樞傳送自己的監控數據，當傳感器檢測到作物生長環境中的某一項指標或者幾項指標不在作物生長最適宜的區間時，PLC 中樞會發出指令進行營養液的傳輸和室內溫度、光照強度的調控，從而確保植物生長在適宜的生長環境中（圖1）。

圖1 工廠化生產立體栽培施肥系統示意圖

系統設計

環境參數反饋PLC 控制系統

控制系統采用PLC 作為處理器，每間隔2～30 min 進行1 次采樣檢測。多層栽培架中，傳感器逐層掃描，檢測每層栽培架水槽中的氮元素值的波動大于8% 時，啟動水泵進行循環攪拌，攪拌后再次檢測營養液的氮元素值，如果誤差小于5%，系統則認定波動值在植物生長適宜的區間，如果誤差大于或等于5%，系統則認為養分需要再次調節。此時PLC 控制器輸出的繼電器閉合，當識別到傳感器的輸入信號發生變化時，PLC 控制器通過繼電器向各個供水管電磁閥終端發出信號，對相應的電磁閥開度大小進行調整。當傳感器檢測到相應的量值恢復到正常的水平時，PLC 控制器控制繼電器斷開，至此完成一個負反饋調節（圖2）。

圖2 控制系統流程

立體栽培無線水肥控制系統

工廠化立體栽培優勢是提高空間利用率，但水肥管理過程存在不便觀察、不利于人工操作等問題。立體栽培無線水肥控制系統可以同時檢測多個環境參數，進行整體的調控和決策，有助于提高水肥利用效率。從成本出發，系統采用PLC控制器作為控制核心，通過繼電器來控制營養液水泵的啟停，使用電磁鐵驅動探針，在需要測量時伸入營養液中，不測量時則縮回探針，該設計有助于提高傳感器的使用壽命（圖3）。同時，立體栽培還存在不易拉線等問題，基于5G 的無線方式進行多個傳感器及控制系統，可以實現蔬菜工廠化生產環境的遠程自動控制，通過對多個節點的控制，每層的電磁閥都以此進行開閉，提高管理的效率（圖4）。

圖3 基于PLC 控制系統的實物測試

圖4 無線控制模塊實物圖

總結

本文水肥控制系統優點是采用模塊化和分布式技術，解決了工廠化立體栽培水肥精準控制和布線的難題，同時也有效降低成本，搭建過程中成本較低，每個系統的搭建成本約為1100 元，遠低于國外同類產品。缺點是要根據不同植物工廠特點進行針對性布局設計，避免水肥系統損壞傳感器，提高系統精度與可靠性。

從技術發展的趨勢來看，該技術應該是未來農業發展趨勢。在解決了水肥精準調控的穩定性難題后，水培裝備會很快在都市農業中普及應用。通過控制器實現工廠化生產的精準控制，可以進一步減少勞動力成本，避免人為干擾，實現生產的規?；?/p>