溫室智能土壤濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：灌溉和通風(fēng)是維持溫室內(nèi)作物生長所需土壤濕度條件的重要手段，應(yīng)用自動化控制系統(tǒng)可以提高溫室環(huán)境控制效率和效果。設(shè)計一套溫室智能土壤濕度控制系統(tǒng)，闡述實際應(yīng)用設(shè)計方案，通過試驗證明該系統(tǒng)可以使溫室內(nèi)土壤濕度維持最佳水平，既能提高水資源利用效率，又能降低生產(chǎn)成本，有助于增加溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：土壤濕度； 溫室； 控制系統(tǒng)； 濕度傳感器； PLC

中圖分類號：S278 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）04-0047-03

當(dāng)前，全世界淡水資源日益減少。農(nóng)業(yè)是淡水消耗的主要行業(yè)之一[1]，為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，采取節(jié)水措施至關(guān)重要。在我國，溫室節(jié)水灌溉技術(shù)主要包括管道灌溉、微噴灌、滴灌等模式[2]。這些技術(shù)在節(jié)水方面取得了顯著成效，但仍存在一些不足，如智能化和精準(zhǔn)化程度不高等，導(dǎo)致水資源的利用效率未能達到最優(yōu)[3]。電子技術(shù)的快速發(fā)展為溫室土壤濕度智能控制的創(chuàng)新提供了可能。研究設(shè)計一套溫室智能土壤濕度控制系統(tǒng)，以維持溫室內(nèi)土壤濕度處于最佳水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能土壤濕度控制系統(tǒng)主要由智能控制中樞、土壤濕度檢測系統(tǒng)、灌溉動作執(zhí)行機構(gòu)和通風(fēng)去濕機構(gòu)4個部分組成。系統(tǒng)的工作原理是：利用土壤濕度檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測土壤濕度，當(dāng)濕度降至預(yù)設(shè)的最低閾值時，智能控制中樞自動觸發(fā)灌溉動作執(zhí)行機構(gòu)進行噴灌或滴灌，以增加土壤濕度；反之，當(dāng)濕度超過最高閾值時，通風(fēng)去濕機構(gòu)啟動，通過風(fēng)機排風(fēng)降低濕度，直至土壤濕度回歸到適宜水平。

2 實際應(yīng)用設(shè)計

以面積為667 m2（100 m×6.67 m）的溫室為例。根據(jù)實際生產(chǎn)需要，應(yīng)用試驗從4個方面進行考慮：灌溉動作執(zhí)行機構(gòu)由灌溉裝置、驅(qū)動裝置和傳動裝置組成；通風(fēng)去濕機構(gòu)由控制電路、驅(qū)動裝置和風(fēng)機組成；土壤濕度檢測系統(tǒng)由檢測電路、濕度傳感器組成；智能控制中樞以PLC為控制核心，由處理MCU、控制電路組成。

具體操作為：第一，明確項目設(shè)計需求，劃分設(shè)計單元，制定初步的設(shè)計方案；第二，闡明灌溉動作執(zhí)行機構(gòu)的工作過程與工作原理，設(shè)計灌溉動作執(zhí)行機構(gòu)并校核；第三，設(shè)計土壤濕度檢測系統(tǒng)，包括選擇元器件、PCB設(shè)計、軟件邏輯編程等方面；第四，設(shè)計智能控制中樞，主要由PLC、處理MCU、控制電路組成；第五，進行技術(shù)經(jīng)濟分析。

2.1 灌溉動作執(zhí)行機構(gòu)

2.1.1 灌溉形式及布置 溫室內(nèi)灌溉以噴灌、滴灌和滲灌為主[4]。選用滴灌形式，其優(yōu)點是既能有效控制土壤水分，又能提高土壤通氣性，避免灌水后土壤空氣減少、地表板結(jié)，并且可隨水滴入肥料和農(nóng)藥，一次性完成灌水和施肥施藥[5]。灌溉動作執(zhí)行機構(gòu)布置如圖1所示。

2.1.2 參數(shù)設(shè)計 電動機：選用YSF802-2交流電動機1 臺，功率1.1 kW；水泵：選用200QJ80-88/8 潛水泵1 臺，流量80 m3/h，揚程88.0 m；控制首部由主過濾器、閘閥、化學(xué)藥劑箱、二級過濾器和水表組成；主管道：選用直徑32.0 mm的PVC管，長度20.0 m；滴灌管道：選用16.0 cm×0.4 cm×20.0 cm的滴灌管，單排長度100.0 m，排管間距0.5 m，總長度1 300.0 m[6]。

2.2 通風(fēng)去濕機構(gòu)

2.2.1 通風(fēng)形式及布置 通風(fēng)是降低溫室內(nèi)土壤濕度的一種有效且簡便的方法[7]。由于溫室是密封環(huán)境，通常情況下濕度要高于室外。讓室外干燥空氣進入，稀釋室內(nèi)空氣能，促進空氣對流，可以加速土壤水分蒸發(fā)。通風(fēng)去濕機構(gòu)布置如圖2所示。

2.2.2 參數(shù)設(shè)計 通風(fēng)機布置：通風(fēng)機沿溫室左右側(cè)壁對稱排列，每側(cè)設(shè)置5臺，首臺通風(fēng)機與溫室前山墻距離10.0 m，通風(fēng)機間距20.0 m，距地面高度1.0 m；風(fēng)機：選用T35-11型風(fēng)機10臺，風(fēng)量1 346 m3/h，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，風(fēng)壓44 Pa，效率0.895；電動機：選用YSF501-4交流電動機10臺，功率25.0 W。

2.3 土壤濕度檢測系統(tǒng)

土壤濕度檢測系統(tǒng)由檢測電路和濕度傳感器組成。

2.3.1 檢測電路 檢測電路設(shè)計如圖3所示。

2.3.2 濕度傳感器 濕度傳感器由濕敏元件（如濕敏電阻、濕敏電容）、傳輸電路等組成，可以檢測環(huán)境內(nèi)濕度。濕度傳感器根據(jù)測量的范圍可以分為高濕型、低濕型、全濕型。選用VeinasaTR-101型全濕型濕度傳感器，測量范圍0～100%，分辨率0.1%，準(zhǔn)確度±3%，工作溫度-50～80 ℃，供電方式DC12V。

2.4 智能控制中樞

智能控制中樞由PLC控制模塊、處理MCU、控制電路組成。處理MCU（單片機）將濕度傳感器檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)化為可以讀取的電信號，以控制其他元件工作。單片機：選用UM16432-NCLL型號，SPI、I2C接口，支持32SEG×4COM、30SEG×6COM、28SEG×8COM共3種顯示模式，LQFP48封裝，內(nèi)置顯示數(shù)據(jù)存儲器，內(nèi)置32 kHz 振蕩器。控制電路設(shè)計如圖4所示。

3 試驗驗證

2023年6月4—20日于哈爾濱市南崗區(qū)紅旗滿族鄉(xiāng)進行試驗。選取4棟面積為667 m2的溫室，均采用滴灌系統(tǒng)進行灌溉，其中兩棟溫室（甲棟溫室、乙棟溫室）采用人工測試濕度后手動調(diào)節(jié)的方法，另外兩棟溫室（丙棟溫室、丁棟溫室）利用智能土壤濕度控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。試驗數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，在維持相同的溫室土壤濕度條件下，采用溫室智能土壤濕度控制系統(tǒng)比人工手動調(diào)節(jié)可節(jié)水16%以上；隨著土壤濕度升高，用水量也增大，采用溫室智能土壤濕度控制系統(tǒng)的節(jié)水效果更為顯著。

4 結(jié)論

在溫室中使用智能土壤濕度控制系統(tǒng)，通過前端實時測量、中端自動滴灌、后端智能反饋，能夠達到對土壤濕度的精準(zhǔn)掌控調(diào)節(jié)，人為創(chuàng)造適宜作物生長的環(huán)境，既可以滿足作物生長的水分需求，又具有明顯的節(jié)水效果，大大降低了灌溉成本。

參考文獻

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