基于移动苗床的潮汐式灌溉系统的研究

吴军辉　黄荣蓉　陈杰　司慧萍　林开颜　施建锋　周全

摘要：潮汐式灌溉是一种利用毛细原理实现为植物从根部进行灌溉的技术，该技术可以避免叶面产生水膜，使叶片接触更多阳光，促进光合作用，提高水肥利用率，易控制相对湿度，减少病虫害。但目前，国内对相关技术的研究较少，且整体水平较为落后，相关的研究论文数量和专利数量也较少。基于此种情况，加强潮汐式苗床灌溉系统的研究力度，并且投入到温室使用，可以使灌溉效率和水分利用率明显提高，同时减少氮肥施用。这种基于计算机控制来实现农作物灌溉施肥的系统，将具有广阔的应用前景。

关键词：潮汐式；控制系统；苗床；灌溉；触摸屏

资助项目：由国家设施农业工程技术研究中心和上海设施农业工程技术研究中心资助，国家科技支撑项目（2014BAD05B05）

中图分类号： S223 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2016.18.036

潮汐式苗床灌溉是一种从栽培容器底部进行灌溉的技术。在营养液涨潮时，植物利用毛细作用进行水分和营养的吸收；营养液在退潮后被回收，经过滤和消毒后又可以被循环利用，达到节水省肥的目的。此灌溉系统最早来源于园艺设施技术较发达的荷兰[1-2]，后来日本、美国和英国也有同类灌溉产品[3-4]，且正在快速地成为发达国家温室灌溉的主要方式。目前，国内很多灌溉系统是从国外直接引进的，而潮汐式灌溉应用才刚刚开始，与国外相比有一定的差距，同时也有很大的发展空间。

在国内研究较少的前提下，研究潮汐式苗床灌溉系统就显得尤为重要。实现苗床灌溉系统的基本功能是研究出发点，其开发流程为：确定灌溉系统组成；确定组成该系统的各个子模块及其工作原理；机械图设计；在机械实现的基础上进行控制系统的硬件电路设计；硬件调试；软件设计；软件编程，以及软硬件联调。为了提高系统的自动化程度以及更好地观测营养液的浓度平衡问题，研究中增加了一块DGUS触摸屏，方便实时观察和操作。本文侧重于潮汐苗床灌溉系统的整体介绍，对于苗床的机械设计和灌溉系统的各子系统做了较详细的介绍。

1潮汐式苗床灌溉系统原理介绍

潮汐式苗床灌溉系统主要由移动苗床系统和潮汐式灌溉系统这两大部分组成。移动式苗床主要包括苗床运动机构、栽培苗床和穴盘式栽培容器等。潮汐式灌溉系统主要由营养液循环系统（灌溉水箱、回收水箱、沉淀小水池、循环水泵、管路等）、营养液消毒系统、营养液浓度检测系统、营养液浓度管理系统、控制系统等部分组成。潮汐式苗床灌溉系统的基本组成如图1所示。

该系统的工作原理是将植盆或穴盘置于栽培床上，浓缩营养液罐中的浓缩营养液在灌溉水箱中与自来水混合，配比成适合灌溉的营养液。该营养液从灌溉水箱被专用循环电机和水泵组1抽出送至栽培苗床，将栽培床淹没2～3厘米的深度。一段时间后，营养液因毛细原理上升至穴盘中基质的表面，然后打开回液调节口，将营养液排出到沉淀小水池，经过过滤网除去水中的基质纤维等杂质[5]，避免引起大多数作物病害的传播。营养液消毒后通过电机和水泵组3使其流到回收水箱中，再通过电机和水泵机组2回到灌溉水箱中。在此过程中，营养液经过消毒系统消毒，同时营养液浓度监测器检测营养液浓度，根据检测的浓度做出相应的营养液浓度配比，方便在栽培苗床需水时再次灌溉。该系统具有控制精确、工作效率高、省水省肥、多次循环利用等特点。

2栽培苗床系统的设计结构及运动原理

2.1移动苗床系统的设计思路

潮汐式苗床部分主要技术研究从以下几点出发：苗床的输运整体系统研究规划和调度优化；单层次苗床结构以及传动系统研究；多自由度多层次多种类苗床结构以及传动系统研究；多自由度多层次多种类苗床控制系统研究；苗床的位置检测和定位控制研究；节能、高效、精确定位的苗床输运运行系统的动力学控制方法研究。

2.2移动苗床系统的设计结构

该系统苗床主体材料主要采用不锈钢、镀锌钢材及40160型材等。整个苗床系统需要放在课题组示范温室里，考虑到体积跟温室里空间配比问题，单个单体苗床的大小定制为2265×1045米，比正常的单体苗床小，整个苗床的体积为13.696×12米，如图2所示。移动苗床系统主要包括栽培区域（区域1、区域2、区域3）、苗床工作区域（单气缸工作区域和双气缸工作区域），以及移动苗床操作控制区[6-7]。

2.3移动苗床系统的运动原理

苗床系统的最外两侧设有X导轨，单体苗床进入苗床系统时沿着X的正方向运动，离开苗床系统则沿着X的负方向运动，两侧的X导轨相当于两个苗床的运输或轮空区域。单体苗床在浮动导轨Y1和固定导轨Y2之间形成的新的轨道Y上纵向运动，在两个新的轨道之间不能进行横向运动。另外，苗床系统四周留有两层苗床的空间余量。

运动总体规划为：固定轨道X（进口）—轨道Y—固定轨道X（出口）。运动规划时，苗床沿轨道X横向一侧进入，再进行Y纵向运动， Y1、Y2或者Y3路径均可作为选择，再从另一侧轨道X退出，如图3所示。

2.4移动苗床系统的装置特点

该自动移动苗床系统采用短链条轨道架拼接的方式，可以标准化、成组化和模块化生产，从而达到减小生产成本的效果，同时也可以减小故障率。推板在短链条带动往返距离缩短，可以减轻移动机构的能耗。推板装置采用单向柔性推动方式设计，也是保证短链条轨道架拼接成功的条件之一。支撑板采用型材结构设计，设计紧凑，架构平稳，安装其他零部件比较方便，符合现代设计的要求。定杆、浮动杆及两者之间的连接杆采用凹型槽钢结构，使单体苗床底部的滚轮设计趋于标准简单化，便于单体苗床滚轮在槽钢上滑动，运行更加平稳，如图4所示。

1.轨道支撑架2.苗床横杆架 3.苗床支撑架4.浮动杆5.浮动杆支架6.连接杆7.驱动装置8.驱动装置支架9.单体苗床内膜10.单体苗床支架11.推板连接块12.定杆 13.推板装置 14.齿轮轴承15.短链条16.齿轮17.长链条18.链条轨道架19.苗床支撑板20.气动装置21.电线框架22.单体苗床滚轮23.传感定位装置131.推板本体132. 推板连接块133.推板垫板134.链条轨道连接板135.链条连接块136.弹簧137.弹簧安装板

图4 苗床基本组成结构图

3潮汐式灌溉系统的设计及其原理

3.1潮汐灌溉系统逻辑设计描述

潮汐灌溉系统的核心是营养液的供应和循环，该部分主要由沉淀小水池、回收水箱、灌溉水箱以及多组电机和水泵组组成。营养液经过一次灌溉后回收的废水需要通过营养液消毒系统及时消毒，同时由营养液浓度检测器实时检测，根据营养液的情况进行相应配比。

灌溉系统中的潮汐分为涨潮和退潮两部分。涨潮部分：在每一个栽培床的旁边配置输送管道，每一根管道都配有电磁阀。灌溉控制器控制电磁阀开启后，营养液就可以从施肥系统通过管道输到栽培苗床上。涨潮需要在规定的时间内完成，此时电磁阀处于闭合状态。退潮部分在涨潮工作完成后进行：植物经过灌溉后，回液调节阀开启，营养液被回收到沉淀小水池内，再由灌溉控制器控制水泵启动将营养液抽回到回收水箱中。

如图5所示，苗床总共设有27个苗床电磁阀，通过27个电磁阀来控制3个区域共27个苗床的灌溉，区域1：1-9，区域2：10-18，区域三：19-27。

自来水管电磁阀的控制：自来水管的电磁阀根据（4）根据灌溉水箱液位调节阀（3）的信号决定开启，如果水位偏低，自来水管的电磁阀开启，如果水位到达标准线，电磁阀（4）关闭，停止进水。

苗床电磁阀的控制分为三种情况：情况1，27个苗床同时灌溉，苗床灌溉控制电磁阀（1）-（27）同时开始，灌溉离心泵开始，即电机和水泵组（1）开始工作，到苗床灌溉时间结束，灌溉离心泵停止工作，即电机和水泵组（1）停止工作；情况2，18个苗床同时灌溉，首先，苗床灌溉控制电磁阀（1）-（18）开启，灌溉离心泵即电机和水泵组（1）开始工作，到苗床灌溉时间结束，电磁阀（1）-（18）关闭。其次，苗床灌溉控制电磁阀（10）-（27）开启，灌溉离心泵即电机和水泵组（1）开始工作，到苗床灌溉时间结束，电磁阀（10）-（27）关闭。最终，苗床灌溉控制电磁阀（1）-（9）和（19）-（27）开启，灌溉离心泵即电机和水泵组（1）开始工作，到苗床灌溉时间结束，所有苗床灌溉都结束后，离心泵电机和水泵组（1）停止工作；情况3，9个苗床同时灌溉，首先，苗床灌溉控制电磁阀（1）-（9）开启，灌溉离心泵即电机和水泵组（1）开始工作，到苗床灌溉时间结束，电磁阀（1）-（9）关闭。其次，苗床灌溉控制电磁阀（10）-（18）开启，灌溉离心泵即电机和水泵组（1）开始工作，到苗床灌溉时间结束，电磁阀（10）-（18）关闭。最终，苗床灌溉控制电磁阀（19）-（27）开启，灌溉离心泵即电机和水泵组（1）开始工作，到苗床灌溉时间结束，电磁阀（19）-（27）关闭。所有苗床灌溉都结束后，离心泵电机和水泵组（1）停止工作。

沉淀小水池的控制：沉淀小水池的液位到达浮球及小水池液位调节阀（1）规定的最高高度时，电机和电机组（3）开启，把小水池的回收液打回到回收水箱，当沉淀小水池的液位到达浮球及小水池液位调节阀（1）规定的最低高度时，电机和电机组（3）关闭.

臭氧消毒的控制：当说有的苗床都灌溉完毕，苗床电磁阀（1）-（27）都关闭，灌溉离心水泵电机和水泵组（1）也关闭时，打开臭氧消毒泵，同时开启臭氧消毒机和氧气制备机，以及气水射流混合器，进行臭氧消毒，时间约为3小时。

3.2潮汐灌溉的营养液消毒系统

臭氧具有良好的消毒效果，本灌溉系统使用臭氧技术通过射流法对营养液进行消毒，由臭氧发生器、氧气发生器、气水射流混合器、水泵四部分组成。受到臭氧产生条件和部件寿命的影响，臭氧的生成一般都需要对空气进行预处理或直接采用高浓度氧气源。本消毒系统由氧气发生器产生高浓度氧气，经臭氧发生器得到的臭氧，再通过射流法与水溶和，最终提供给灌溉水箱。工艺流程为：空气→氧气发生器→臭氧发生器→臭氧→气体射流→搅拌泵→消毒[8]，如图6。

臭氧混合灌是为了增加水和臭氧的溶解，这里用搅拌泵替代了臭氧混合灌的功能，把废水和臭氧通过水泵送达灌溉水箱，通过搅拌泵来增加溶解率，最终达到消毒的目的。

3.3潮汐灌溉的营养液管理系统

营养液管理系统由营养液浓度检测器、浓缩营养液罐、蠕动泵和营养液控制器组成。营养液浓度检测系统包括检测筒、取样泵、pH传感器、EC传感器、营养液液温和硝态氮传感器。pH传感器的测量范围0～14.00pH，测量精度0.2级；EC传感器的测量范围0～10.0mS.cm-1，营养液液温测量范围+2至40℃；硝态氮传感器测量范围0～1000mg/ml，精度为测量值的5%+0.2mg/L；pH的范围pH5至pH9，操作温度（空气）-20至45℃，如图7。

浓缩营养液罐由四个营养液罐组成，分别装有Acid、硝态氮肥料、微量元素和其他大量元素。营养液需要通过浓度检测器实时检测EC、pH、硝氮、氯离子浓度和营养液温度，并在控制端显示这些参数。按照营养液检测结果，配合控制器上设置的营养液控制方法和控制参数，控制蠕动泵的启动和停止，将四个浓缩营养液罐中的浓缩营养液喷洒到灌溉水箱里，使得营养液的EC、pH，硝氮维持在设定的范围内[9]。泵系统设置有互锁功能，每一个泵在工作时，其余的泵则处在停止状态。每一种浓缩营养液添加后系统都会设置一定的稳定时间，经过设置的时间以后，才会根据下一步的检测值启动后续浓缩液的添加。

基于硝态氮浓度控制的营养液控制流程如图8。

4潮汐式苗床灌溉系统的控制部分

整个控制系统的灌溉部分由主控制电路、I/O采水位输入电路、继电器输出电路、传感器电路、触摸屏控制电路和触摸屏组成，如图9所示。主控制电路、继电器输出电路和触摸屏控制电路采用宏晶公司的8位微控制器STC15F2K60S2；I/O采水位电路采用SST公司的8位微控制器89E516RD-40-C-PIE；传感器电路采用WINBOND的8位微控制器W77E58。

主控制电路是整个控制系统的核心，负责接收I/O采水位信息，包括回收水箱、灌溉水箱及沉淀小水池三个的液位信息。经过主控板CPU处理后，系统运行规则作出相应的决策命令，发送给继电器输出板，执行灌溉、回水和消毒等命令。传感器电路板采集EC、pH和硝氮值，配合营养液管理系统工作。整个操作都可以在控制系统的电控箱上完成。为了使得操作更加智能化，我们增加了由北京迪文公司生产的DGUS触摸屏。迪文公司所规定的通讯协议和我们开发的通讯协议不同，增加Display控制板承担协议翻译工作，使得彼此之间可以正常通讯，更好地配合整个系统工作，如图10。

5结语

潮汐式灌溉系统是一种高效的节水灌溉技术，适用于多类盆栽植物的种植，尤其是植物的工厂化育苗。目前，此套基于苗床的灌溉系统的基本功能已经实现，正应用于同济大学新奥生态园温室内。系统另外，可以通过触摸屏设置自动灌溉模式，操作人员不需等待灌溉结束才能离开，大大降低了人力成本，且自动化程度相对较高。

潮汐式苗床灌溉系统目前正处于研究阶段，国内这此的研究也相对较少，体系还不是很完善。在实现基本实现功能的前提下，后期还有很多研究工作要做：实现计算机控制系统对作物的水肥精准管理和控制[10]；在Web层实现对灌溉状况的观察和操作，提高操作便捷性；控制系统的通信效率还有待提高；有线式通信布线复杂，影响苗床的运动，可以往无线通信的方向继续深入研究等。

参考文献

[1] 刘铭，张英杰，吕英民.荷兰设施园艺的发展现状[J]. 农业工程技术：温室园艺，2010（08）：24-33.

[2] 张书谦，刘卫明.荷兰温室园艺技术的新发展[J].农业技术与装备，2009（01）：18-19.

[3] 杨仁全，卓杰强，周增产，等.潮汐式灌溉系统在温室中的应用研究[C]// 纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会2009年学术年会（CSAE 2009）论文集.2009.

[4] 张晓文，周雪青，王影.温室生产智能化控制与作业装备最新进展[J].农业技术与装备，2009（01）：16-17.

[5] 周增产.潮汐灌溉栽培技术与装备[N].中国花卉报，2012-06-16（03）.

[6]王锐峰，陈俊峰.温室用移动苗床的设计[J].现代农业装备，2005（07）：47-48.

[7]戴有化，陈志明，刘用华.基于Solidworks的移动苗床架设计与应用[J].《中国农机化学报》，2011（06）：91-94.

[8] 邵玉才，张晓青，赵建宝.用于水产养殖的射流臭氧杀菌消毒设备介绍[J].江苏农机化，2013（03）：31-33.

[9]蒋卫杰.营养液EC和pH的调节及增氧措施[J].中国蔬菜，1992（S1）：29-34.

[10]张晓文，田真，刘文玺，王影.潮汐式灌溉系统的研发与推广[J].《农业工程》，2011，01（01）：80-83.

作者简介：吴军辉，博士，同济大学，副研究员，研究方向：设施农业嵌入式系统领域的研究；黄荣蓉，在读硕士研究生，同济大学，研究方向：设施农业；司慧萍，博士，同济大学，副教授，研究方向：设施农业机械的研究；林开颜，博士，同济大学，讲师，研究方向：温室环境自动控制，农业计算机视觉等领域。

通讯作者：陈杰，博士，同济大学，副教授，研究方向：设施农业相关领域的研究。

网络出版地址：2016/9/18 8：57：00

网络出版时间：http：//www.cnki.net/kcms/detail/22.1186.s.20160918.0857.001.html