反季刺嫩芽水肥一體化控制系統的研發與應用

摘要：為保證反季刺嫩芽生產過程中水肥的精準供給，推動刺嫩芽滿足反季節市場需求，利用物聯網技術和自動控制技術研發出適用于反季刺嫩芽生產的水肥一體化控制系統，并分析反季刺嫩芽生產中的水肥智能管控策略。研究表明，反季刺嫩芽生產水肥一體化控制系統運行穩定、可靠性強、易于操作，能夠為反季刺嫩芽的生產提供技術支持。

關鍵詞：刺嫩芽； 水肥一體化； 自動化； 反季生產

中圖分類號：S224 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）03-0061-02

刺嫩芽[Aralia elata（Miq.）Seem.]是一種具有高營養價值和藥用價值的多年生草本植物[1-2]。由于刺嫩芽傳統的露天種植方式受季節和氣候條件的限制，無法滿足市場對刺嫩芽全年供應的需求，刺嫩芽溫室反季節種植技術應運而生。在反季節生產過程中，合理的水肥管控對刺嫩芽產量和品質影響較大[3-4]，但當前反季刺嫩芽生產過程的水肥管理和操作存在調控響應不及時、自動化程度低、生產效率低等問題。因此，在反季刺嫩芽生產中開展水肥一體化技術具有重要意義。水肥一體化技術利用管道灌溉系統，將肥料溶解在水中進行灌溉與施肥，可適時、適量滿足作物對水分和養分的需求，有利于實現水肥同步管理[5]。目前已有較多關于水肥一體化技術在葡萄、藍莓、棉花、果樹等生產中的應用研究[6-7]，但較少針對反季刺嫩芽生產中的水肥管控進行分析[8]。研究結合刺嫩芽的生長特性和生產中對水肥的需求來制定水肥智能控制方式，同時研制出適用于反季刺嫩芽生產的水肥一體化設備及物聯網遠程控制平臺，以期為刺嫩芽的規模化、高效化生產提供技術支持。

1 反季刺嫩芽生產的水肥一體化控制系統

反季刺嫩芽生產水肥一體化控制系統由水肥一體化設備及物聯網遠程控制平臺組成，可支持本地自動及手動灌溉施肥和遠程手動控制灌溉施肥，灌溉施肥數據可以在本地和云端存儲，以便于后期分析、追溯及決策調整。系統框架由控制、電氣執行、數據采集、數據傳感4個模塊組成，如圖1所示。

1.2 系統硬件設計

系統硬件由可編程邏輯控制器、觸摸屏、數據傳輸器、支架、過濾器、施肥泵、兌肥泵、灌溉泵、電磁閥、排水閥、兌肥管路、灌溉施肥管路、排水管路、流量計、液位傳感器等組成。

1.2.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（PLC）是微流量控制施肥裝置的核心。綜合考慮性能、成本及研究設備的輸出需求，選用中達優控的JT3U系列控制板。該控制板集成16路輸入和16路繼電器輸出，有2路RS-485通信接口，同時有10路模擬量輸入，功能齊全，可以同時實現控制和傳感器數據采集。

1.2.2 觸摸屏

觸摸屏可顯示控制設備的運行狀態、運行數據及環境數據。選用信捷TG765超薄系列觸摸屏。該觸摸屏具有7英寸薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器和發光二極管（LED），支持1 677萬色，畫質細膩無痕，具有128 MB的存儲容量，可實現下載、啟動、運行三位一體的超高速響應。

1.2.3 水泵

水泵是水肥一體化灌溉施肥裝置運送作物所需水和液體肥料的動力源，水泵的質量決定了施肥裝置的性能。綜合考慮出水量、量程、尺寸及成本，選用增壓自吸離心泵用于施肥，選用潛水泵用于兌肥和攪拌。

1.2.4 傳感器

傳感器用于監測刺嫩芽生產中的環境參數，以此來進行水肥管控。傳感器參數見表1。

1.3 系統軟件設計

系統軟件由PLC程序和觸摸屏程序組成，這兩部分程序通過軟元件寄存器進行鏈接，可實現程序變量的共享與互通。PLC程序的開發環境為GX Works2，可以在Windows操作系統下運行，施肥、灌溉、兌肥、異常處理、傳感器數據的采集功能均由PLC程序實現。觸摸屏程序的開發環境為TouchWin，組態功能強大，操作簡單，通過USB-B下載口能夠將Windows環境下編寫的程序下載到觸摸屏，可實現水肥一體機運行狀態的實時控制。傳感器能夠同時對自動及手動灌溉、施肥等參數進行設置，如灌溉施肥量、啟動時間等。

2 反季刺嫩芽生產中的水肥智能管控策略

2.1 刺嫩芽的水肥管控要求

水管理要求：對于無基質水插栽培方式，應使栽培槽內的水位保持在5～7 cm，每3～5 d更換一次栽培槽內的水；對于有基質畦插栽培方式，每3 d澆一次水。

肥管理要求：根據刺嫩芽生長狀態來確定噴施液體肥和植物生長調節劑的用量，推薦量為整個生育期內施氮磷鉀復合肥25～50 kg。

2.2 刺嫩芽的水肥智能管控策略

水管控策略：對于無基質水插栽培方式，當水位傳感器檢測到栽培槽內的水位低于5 cm時，會自動啟動灌溉模式，直到水位傳感器檢測到栽培槽內的水位高度達到7 cm時停止灌溉；對于有基質畦插栽培方式，定時定量灌溉，每3 d灌溉定量的水。肥管控策略：使用水肥機定時定量進行養分管理，建議每日9∶00噴施氮磷鉀復合肥0.56～1.11 kg/667 m2。

3 結語

研制的針對反季刺嫩芽生產的水肥一體化控制系統，能夠根據刺嫩芽的具體生長階段、基質條件及水培環境的水質狀況的監控結果來實現對水肥溶液的精確調控和定時定量供給，有效提升了水肥的利用效率，減輕了勞動強度，可為反季刺嫩芽的栽培提供智能化技術支撐。

參考文獻

[1] 林曉坤.遼東地區刺龍牙樹體修剪及溫室水培技術[J].中國林副特產，2023（1）：44-46.

[2] 何大洪，曾玲暉，陳鵬.遼東楤木藥理作用研究進展[J].浙江大學學報，2023，52（5）：616-626.

[3] 謝永剛.刺嫩芽（遼東楤木）溫室反季節生產新技術[J].北方園藝，2017（13）：204-205.

[4] 楊振宇.刺嫩芽反季節栽培技術要點分析[J].河北農業，2022（5）：80-81.

[5] 李紅，湯攀，陳超，等.中國水肥一體化施肥設備研究現狀與發展趨勢[J].排灌機械工程學報，2021，39（2）：200-209.

[6] 卞東超，楊發展，趙國棟，等.藍莓溫室智能水肥一體化系統構建[J].中國農機化學報，2022，43（8）：55-61.

[7] 李淑紅，王振平.我國葡萄水肥一體化技術研究與應用[J].中外葡萄與葡萄酒，2017（3）：70-72.

[8] 詹宇，胡佳寧，任振輝.基于PLC的果園水肥一體化控制系統設計[J].農機化研究，2020，42（4）：100-104.

基金項目：遼寧省農業科學院學科建設計劃項目（2022DD103117）；遼寧省應用基礎研究計劃（青年專項）項目（2023HJ2/101600051）