基于plc的温室智能灌溉控制系统研究

基于plc的温室智能灌溉控制系统研究内容摘要：

温室灌溉控制系统的设计依据。 温室是一个相对密闭的空间系统，天然雨水得不到充分利用， 所以温室灌溉对于温室作物的生长显得尤为重要。 温室的环境因素之间有很强的耦合性，若采用地面灌溉，则水分易蒸发，加大室内空气的湿度。 因此在灌溉的时候要通风换气来保持合适的空气湿度，但同时会降低温室的温度。 而在严寒地区的冬季室内外温度差异较大，必须对温室加温来保证作物生长的适宜温度，这势必会加大能耗。 温室湿度环境 温室的湿度环境包括两个方面，一个是空气湿度，一个是 土壤湿度。 水分对于作物的重要性不言而喻，作物的生长离不开水分环境，而且植物体内的主要成分就是水，有的植物含水量高达 90%，合理的湿度环境对于植物的生长发育尤为重要。 温室空气湿度的特点：温室是一个相对封闭空间，地表水分蒸发和植物蒸腾作用是温室的空气湿度的主要影响因素。 温室植物因生长旺盛，叶面积指数较高，蒸腾作用强烈，从而使空气温室湿度较快进入饱和状态，且比室外种植高出很多。 室内湿度环境的显著特点是湿度高，而且由于晚上气温下降，相对湿度就会加大，从而进入饱和状态。 相对于地表的湿度而言，空气湿度对植物生长的影响 要小，但它对植物光合作用气孔的开闭和害虫的繁殖环境有重要影响。 空气相对湿度低会使植物气孔关闭，内部 CO2 含量降低，光合作用强度下降。 空气相对湿度高会使蒸腾作用减弱，影响营养物质的吸收和输送，从而减弱光合作用强度。 所以在设计灌溉系统时要考虑对温室空气湿度的影响，将其控制在合适的范围内。 温室土壤湿度特点：温室土壤耕作层无法利用天然雨水灌溉，因此土壤湿度大小主要受灌水量、土壤毛细管上升量、土壤蒸发量和植物蒸腾量的影响。 温室土壤的淋溶较少，积盐相对严重。 因为天然雨水不能利用，只有通过温室灌溉才能为温室植物生长发育 供应所必需的水分。 作物因种类不同水分需求量不一样，即使同一种作物在不同的生长阶段对水分的需求也是不一样的。 温室灌溉量 决策因子 的确定 对于温室灌溉量的决策因子，国内外研究学者众说纷谈，对此没有唯一确定的定论。 经过资料文献的搜集，综合众多农民、专家以及研究者的经验和成果，把控制温室灌溉量的决定因子大致分为以下几类： 植物的生长，被认为是影响作物正常生长发育最关键因素，也是确定灌溉量的最重要决定因子。 长期以来，国内外学者通过对土壤中水分含量的调节与控制来决定灌溉做了较多的研究，并 提出了重要作物在灌溉过程中的土壤水分指标，为科学灌溉提供指导，已在生产中起到较大的作用 [2]。 ，对指导温室灌溉更为准确。 一些学者认为 ，以单一的土壤湿度来作为判断灌溉量的标准，不能精确反映作物正常生长所 需要 的水量， 而温室的光照度、蒸腾量、土壤的类型和植物的种植方式等各种环境因子在温室灌溉量的确定中都要有所考虑，综合环境因素的影响对温室灌溉量的确定是比较准确的。 ，作物的水分需求状况除了与土壤湿度、光照度等外界环境息息相关外，作物本身也有直接的体现，比如植物杆茎粗细的变化能够在一 定程度上反映作物的需水信息，并以此为依据开发了闭环温室灌溉控制系统；还有以叶片面积大小和叶片含水量多少的变化为依据，通过图像处理技术和光谱技术等采集这些信息，来判断作物的需水量。 还有一些通过径流速率来研究作物需水信息，这些利用现代计算机技术、传感器技术、电子技术等用于作物需水信息的研究，对温室灌溉的发展有着积极的推动作用。 作物需水量与温室内外的环境气象因素都有关，不同地区它们的相关系数都不一样，如果要计算作物需水量，则要综合考虑多种环境因子，在电子设备发达的今天可以满足多种环境因子数据的测量和采集，但付出的 总成本高了很多，并且算法复杂，控制程序也会相应变得冗长， 对于温室灌溉的精确程度也未必适用。 综上所述， 为了满足灌溉系统的可靠性、精确性、经济性和实用性要求，本文选用已 在灌溉控制系统 相当成熟并被普遍认同的土壤湿度作为系统的采集和控制对象，通过土壤湿度的变化来实时控制作物灌溉量，实现温室灌溉的自动化。 温室灌溉方式 温室是个相对密闭的环境，无法依靠降雨直接补充水分，因此人工灌溉是唯一能够为作物提供水分的途径。 温室内灌溉 的 方式选择， 与多种因素有关，包括作物的品种、栽培方式、温室结构形式、水源及动力供应情况、 投资能力、使用者的知识技术水平等诸多因素相关。 沟畦灌是最原始、最简单、最传统的灌溉方式，从古到今被广泛应用。 早期的温室作物灌溉中，广泛采用了沟灌或畦灌等灌溉方式。 但随着人类社会进步和科学技术发展，温室灌溉技术有了很大提高，呈现多样化发展。 现代温室中已经大量应用了各种节水高效、水肥共施的灌溉技术，如滴灌、微喷灌 、渗灌、潮汐灌等。 温室灌溉方式特点 从灌水特点来看，目前大量应用的温室灌溉技术主要有三类：沟畦灌溉 、微水灌溉和 潮汐灌。 沟畦灌是采用管道 （或渠道）输水，并通过栽培沟或栽培畦进行灌溉的方式。 温 室内的灌溉输水如果采用渠道时一般应混凝土衬砌，起到防渗和保护边坡的作用。 同时，为了减少室内湿度，通常应该在灌水沟或畦上覆盖地膜，即采用膜下灌的方式进行沟畦灌。 沟畦灌虽然不是一种高效灌溉技术，但因具有投资低、管理简单、使用方便等特点，在现在温室仍然大量被采用。 微灌是微水灌溉的简称，它是通过有压供水管道系统与安装在末级管道上的灌水器（滴头、微喷灌、地灌管、微喷带、渗灌管等）， 只以较小的流量将水分和养料湿润作物根区附近的部分土壤或作物的叶面，达到合理准确的局部灌溉目的。 微灌的特点主要有流量小，每次灌水的时间较 长，灌溉均度较高，且只灌溉作物根邻近的土壤，节约大量灌溉水，为作物提供良好的生长环境。 微灌在现代温室中应用十分广泛，是目前温室高效灌溉技术的主流。 微灌 有滴灌、微喷灌和渗灌等多种 形 式。 以 断续滴水形式供水的称为滴灌；以小范围喷洒形式供水的称为微喷灌；以微孔隙缓慢渗出供水的称为渗灌。 潮汐灌又称涨落灌、床灌或槽灌，其主要原理是：灌溉水迅速充灌 到能够保持一定水深的作物栽培床或栽培槽中，在达到需要的水深及时排水，以便利用土壤毛细管的作用灌溉作物。 潮汐灌尽管成本较高，但由于具有灌水均匀度高、劳动强度低、作物栽培方式 灵活、灌溉水能够全部循环使用等优点，正快速成为发达国家现代温室灌溉的主要方式。 表 各种温室灌溉方式的特点 灌溉方式 沟畦灌 微灌 潮汐灌 滴灌 微喷灌 渗灌 灌溉作物部位 作物根部 作物根部 作物根部、叶面 作物根部 作物根部 湿润区域 大部分土壤湿润 局部土壤湿润 局部土壤湿润 局部土壤湿润 局部土壤湿润 对土壤结构的影响 因渗透而使土壤更加结实 影响较小 因水滴撞击可能使地表板结 影响较小 影响较小 蒸发蒸腾 较大 较少 大 少 少 植物冠部 不湿润 不湿润 部分 湿润 不湿润 不湿润 灌水利用率 50%~65% 85%~95% 65%~85% 85%~95% 85%~95% 灌水均匀度 低 高 较低 较高 高 灌溉后的湿度增加 较多 较少 多 少 较少 灌溉施肥精 低 高 较低 较高 高 度 对水中杂质敏感度 低 高 较低 较高 低 水源压力要求 低 较高 高 较低 较低 对耕作的影响 小 大 较小 较大 大 设备投资 低 较高 较低 较高 高 温室灌溉方式 选择 前面提到， 温室灌溉方式的选择与 作物品种、栽培方式、投资者经济状况等都有很大关系。 在同一种栽培 方式下，可能由于种植作物的不同而选用不同的灌溉方式，但有时一种灌溉方式只能对应一种栽培模式。 下面简单说明下温室灌溉与栽培方式的关系。 点灌溉是针对一个很小的区域进行灌溉，滴头滴灌是点灌溉最典型的灌溉方式，其特点是灌溉水直接 送到作物的根部，在作物根区不能延伸到的地方不予施水，这样可最大限度达到节约用水的目的。 与点灌溉相配套的栽培方式主要有岩棉培蔬菜栽培、基质袋培、盆花栽培等。 前两种栽培方式一般都坐落在地面上，最后的盆花栽培可在地面上，也可在栽培床上，还可吊挂在温室的骨架结构上。 线灌溉时针对一行作物进行灌溉，可用于以条播或垄载方式种植的蔬菜或花卉，如黄瓜、番茄、辣椒等果菜类蔬菜和郁金香、香石竹等切花类花卉。 线灌溉的灌水器根据种植槽的宽度可单行布置，也可双行或多行布置。 滴管带滴灌、喷灌带膜下微喷灌是典型的线灌溉方式。 以槽培方式或在地面采用长畦栽培的种植方式一般适用线灌溉方式。 面灌溉时针对一个平面进行整体灌溉，最适合于种植密度高、作物栽培无规律的种植方式。 大水漫灌是最典型的面灌溉方式，如日光温室或塑料大棚中种植油菜等直接播种叶菜作物进行 土壤栽培的种植方式。 大水漫灌主要应用在土壤栽培温室中，尤其在农村的日光温室和塑料大棚中常有应用，但这种灌溉方式由于耗水大、水资源利用率低、对土壤的降温明显、容易造成室内空气湿度过高等原因，在现代温室中已基本不再采用，而用其他灌溉方式代替。 喷灌、潮汐灌等式现代温室中使用的比较典型的面灌溉方式，尤其适用于盆花种植。 适用的栽培方式 空间灌溉是对整个作物根系进行全面施水灌溉的方式。 无土栽培中的水培、雾培就是这种灌溉的典型代表。 从某种程度上讲，喷灌也是一种空间灌溉，只是这种空间灌溉不是只湿润作物根系，而 是湿润叶面和根系结合。 温室 滴灌的特点 作物的栽培方式在某种程度上限制了温室灌溉方式，但作物的灌溉模式不是唯一的。 同一种作物 可以 有多种不同的灌溉方式组合。 为了 能够更好的说明问题 ， 本文 选用常见的 温室黄瓜为例。 黄瓜是喜湿性作物，怕涝，也不耐旱。 考虑黄瓜的需水特性，从方便温室管理、易于实现自动化、节约水资源等方面出发，本文选用滴灌作为本系统的灌溉方式。 滴灌的优点如下： 、 节肥、省工 滴灌全部是由管道进行输水和局部小流量灌溉，很少有沿程的渗漏和蒸发损失。 此外，滴灌可以适时适量的按作物根部的需要进 行供水，水的利用率高。 灌溉时可以将溶解有养料的水分注入到灌溉设备中，这样就能做到水肥同步。 养分随灌溉水直接输送到作物的根部，有效提高养分的利用率，同时由于区域局部控制，小流量灌溉，能够明显的降低肥料的使用量。 由此灌溉施肥技术能够给作物提供较贵的微量元素的同时不造成浪费。 滴灌系统不用平整土地，只需要手动或自动调节阀门来控制水肥的输送，可显著减少劳动量和劳动强度。 滴灌系统能够大大提高资源的利用率，实现灌溉全覆盖。 传统的大棚灌溉往往通过单次输入大量水分，导致大棚内温度下降快，回升慢，而且水分 的蒸发量大，土壤表层潮湿，大棚湿度高，容易导致植物病虫害的发生。 而滴灌将水分均匀输送给作物根系，属于局部灌溉，能够降低室内空气湿度，减少灌溉地表的水分蒸发量来控制和保持地内湿度，同时能稳定地表温度。 若把滴灌管安放在薄膜下面，则效果更好。 另外滴灌使土壤含水量保持在能够满足作物需求的稳定和较低吸力状态下，有效控制和保持土壤的湿度，降低地中作物病虫害发生的概率，降低农药的使用量。 传统灌溉由于单次有大量的水输入，势必会冲刷、侵蚀和紧实土壤，如果不定时翻松土壤，会出现土壤板结现象，导致土壤通透条件 变差，破坏了土壤结构。 而 滴灌一般不受地形起伏和不同种类土壤限制，其适应能力比较强。 滴灌使 水分缓慢均匀地渗 透到 土壤 中 ， 不会造成地表耕作层的板结 ， 同时株间没有充足水分供应，杂草较难生长，因此应用滴灌能 形成适 合作物生长发育的 土壤环境。 、增产增效 由于滴灌 可以有效避免水分、养料和农药在使用过程中的浪费，同时又能降低病虫害发生的概率，因此可显著提高产品的质量。 总之，与传统灌溉相比，温室滴灌能够及时适时供水、供肥，增加农作物产量的同时，改善农作物的品质，降低水肥、农药和劳力等成本，提高农作物的商品化率，显 著提高经济效益。 滴灌的主要缺点：安装维护工作量大，一次性投资较高；滴头出水尺寸很小，容易因水中杂质而出现堵塞问题，降低了灌溉的可靠性；滴灌只能湿润局部土壤，因此温室内作物的栽培方式 受 到一定限制。 滴灌的灌水器为滴头或滴头与毛管制成一体的滴灌管（或滴灌带），一般将滴头或滴灌带放在地面上实施灌溉。 近年来，已经研究开发了将滴头或滴灌管埋入地下 30~40cm 的地下滴灌系统，但由于地下滴灌系统的设计和管理难度大，在温室中的应用受到一定限制。 滴灌与传统的地面灌溉不同，由于滴头的布置 是 有一定间距的，滴头的流量一般较小 ，因而在地面 几乎 没有积水，滴出的水在土壤中不仅受到重力的作用，还受到各方向的毛细管力的作用，所以灌溉水在沿垂直方向运动的同时，还沿水平方向运动，形成一个梨状湿润球。 不同土壤有不同的渗水速率，因此在相同的滴头流量情况下，黏性土壤和沙星土壤中所形成的湿润球形状是不相同的，在黏性土壤中形成浅而宽的湿润球，而沙性土壤中形成窄而深的湿润球。 一般将湿润球按含水量划分为三个区域，即饱和区、湿润区和湿润前沿区。 灌溉时滴头附近地表处形成一个小水洼，在水洼下面是饱和区，饱和区的直径随滴头流量的增加而加大，深度随灌水时间的延 长而增加；导水率较高的土壤，饱和区直径和深度较小，相反导水率较低的土壤，饱和区直径和深度较大。 水流在重力和毛细管力的作用下沿水平方向和垂直方向同时流动，在饱和区周围形成湿润区；湿润区内的土壤含水量一般小于土壤持水量，且与滴头的距离越远，土壤中的含水。