潮汐式苗床灌溉系统的设计与实现

吴军辉，黄荣蓉，陈 杰，司慧萍，林开颜，董 淼，郑 永

(1.同济大学 国家设施农业工程技术研究中心，上海 201804；2.同济大学 上海设施农业工程技术研究中心，上海 201804；3.同济大学 现代农业科学与工程研究院，上海 201804)



潮汐式苗床灌溉系统的设计与实现

吴军辉1,2，黄荣蓉3，陈 杰1,2，司慧萍1,2，林开颜1,2，董 淼3，郑 永3

(1.同济大学 国家设施农业工程技术研究中心，上海 201804；2.同济大学 上海设施农业工程技术研究中心，上海 201804；3.同济大学 现代农业科学与工程研究院，上海 201804)

针对国内农业种植水肥浪费严重、耗电多、人工成本高，相关技术装备整体水平落后的现状，文中提出了一种节水、节肥的潮汐式灌溉控制系统的设计。该系统利用植物的毛细原理，通过涨潮达到植物根部吸收水肥的目的，落潮时废液回收，经消毒等处理后可以再次循环利用，所有功能均由控制系统完成。经实验表明，该系统性能稳定，且采用潮汐灌溉方式，其灌溉用水量，耗电量和用工量，分别为人工喷灌的36.13%～44.21%，57.06%～59.64%和18.54%。潮汐式灌溉可以推动植物工厂化育苗的发展，具有良好的应用前景。

潮汐式灌溉；控制系统；触摸屏；栽培实验

潮汐式苗床灌溉是一种从栽培容器底部进行灌溉的技术。营养液涨潮时，植物利用毛细作用进行水分和营养的吸收；营养液退潮后被回收，经过滤和消毒后可以被循环利用，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[1-4]，日本、美国和英国也有同类灌溉产品[5-6]，已成为发达国家温室灌溉的主要方式。目前，国内大部分灌溉系统从国外直接引进，而相关研究处于起步阶段。本研究实现了苗床灌溉系统的自主研发，集成了灌溉、回收、消毒和营养液配置等功能。系统的开发流程：电路设计及调试，软件设计及开发，软硬件联调。研究中增设DGUS触摸屏，方便实时观察和操作，提高了系统的自动化程度。

1 系统设计及原理

系统主要由移动式苗床系统和潮汐式灌溉系统两部分组成。移动式苗床系统主要包括苗床运动机构、栽培床和栽培容器等。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。基本组成如图1所示。

图1 潮汐式苗床灌溉系统原理示意图

系统工作原理：浓缩营养液在灌溉水箱中与水配比成适合灌溉的营养液，由循环电机和水泵组1抽送至栽培床，将栽培床淹没2～3 cm。一段时间后，营养液因毛细原理上升至穴盘中基质的表面，此时打开回液调节阀，将废液排出至沉淀池，沉淀池上方的过滤网用于除去水中的基质纤维等杂质[7]，避免引起作物病害的传播。过滤后的废液由电机和水泵组3抽至回收水箱，再经由电机和水泵机组2回到灌溉水箱。在此过程中，废液经过消毒系统消毒，同时由浓度监测器检测其浓度，营养液管理控制器根据检测的浓度做出相

应的浓度配比，用于下一次灌溉。该系统具有控制精确、工作效率高、省水省肥、可循环利用等特点。

2 硬件电路设计

控制系统由主控制电路、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2所示。主控制板预留了ZigBee模块接口，利用CC2530的透传功能，把数据发送给上位机，通过后台管理软件实现室内监控[8-9]。

图2 潮汐式灌溉系统的硬件架构图

主控制电路作为控制系统的核心，当接收到回收水箱、灌溉水箱及沉淀池的液位信息，依据系统执行规则做出相应的决策命令。继电器输出板接收命令后，执行灌溉、回水和消毒等操作。传感器电路板采集EC、pH和硝态氮浓度值，配合营养液管理系统工作。整个操作在控制系统的电控箱上完成。为了使操作更加智能化，研究使用DGUS触摸屏，并通过触摸屏控制板来完成主控制板和触摸屏之间的通讯任务。

图3 控制系统电控箱和苗床实物图

2.1 系统主控制板电路设计

主控制板电路主要分为电源模块、时钟模块、存储模块、看门狗模块以及RS485模块。宏晶的STC15F2K60S2芯片内置高可靠复位电路和ISP编程时内部时钟可设从5～35 MHz，无需外部晶振和复位。由开关电源提供的12 V直流电压经过7805稳压芯片获得5 V电压VCC。VCC经过瓷片电容滤波后获得5 V稳压为STC芯片、时钟芯片DS1302和看门狗芯片IMP813L供电；同时VCC经过稳压器SP1117转成3.3 V，即VCC33，经过瓷片电容滤波获得3.3 V稳压，为存储芯片AT45和FM24C04供电。如图4所示，设计采用RS485两线制接线方式，作为总线的双绞线电缆将各个子板节点串联起来形成总线式拓扑结构，完成与子板的信息交互。

图4 主控制板原理图

2.2 系统功能板电路设计

采水位输入板负责采集水位信息，输入板分为输入模块和控制模块两部分。输入模块如图5所示，系统的水位信息通过二线制测浮球液位开关采集，浮球开关为12 V供电，采用TLP521-1光耦隔离器将上下级电路完全隔离，此时得到的信号经过单项驱动器74HC244放大后，连接到P0、P1口(16路输入)，控制模块和主控制板设计思路一致。

图5 采水位板输入模块

继电器输出功能板负责灌溉、回水和消毒等动作的执行。通过控制继电器的闭合达到弱电控制强电的目的，完成电机、水泵及电磁阀等开关的闭合动作。输出模块如图6所示，STC15F2K60S2芯片的P0、P1口(16路输出)输出低电平，经反相器74HC04变成高电平，由非门电路ULN2003驱动后，获得低电平接入继电器，达到控制继电器的目的。同样，继电器输出功能板的控制模块的思路和主控制板一致。

图6 继电器板输出模块

传感器信息采集板负责采集营养液的EC、PH和硝态氮值，主控制板将接收到的数据显示于触摸屏上，方便实时观查3个参数值的变化。采集板采用8位CMOS微控制器W77E58，和STC系列一样，该微控制器有两个独立的全双工串口，较传统8051速度提高到1.5～3倍；采用2路RS485通信模块：一路用于系统电路板间的通讯；一路用于EC、PH和硝态氮值的采集。触摸屏控制板负责主控制板和触摸屏的通讯协议转换工作。DGUS触摸屏采用RS232通讯协议与触摸屏控制板通讯，触摸屏控制板采用RS485通讯协议与主控制板通讯。

3 软件设计

控制板承担着各个功能板之间的任务分配与统筹工作，采用Polling轮询机制。虽然轮询机制效率一般，但Polling可以持续不断地探测并获取目标，保证主控制板和功能板通讯的稳定性和可靠性。

控制板程序设计思路：控制板轮询访问并获取各个功能板的当前信息，并按照规则将决策发给相应的功能板，功能板机号包含在发送的数据中，如图7所示。同时，定时器溢出中断包含两部分功能：一是软件复位看门狗，若程序运行出错而导致看门狗未及时复位，系统将强制复位；二是负责回流抽水、灌溉和消毒等功能的计时。控制板和功能板之间采用RS485协议进行通信。功能板的程序思路和控制板大致相同，这里不再赘述。

图7 系统控制板程序流程图

4 系统测试及应用实验

4.1 系统测试

系统测试的主要任务是测试系统主控制板与各功能板间的通讯能力，以及触摸屏与主控制板间的通讯能力[10]。通过示波器来监测时间延迟：发送端T1和接收端T2之间的时间差Δt=T2-T1。如图8可知，波特率越高，主控制板与各功能板之间通讯能力越强(延迟时间Δt越小)；触摸屏与主控制板间的通讯能力在RS485波特率为9 600 bit·s-1以及RS232波特率为115 200 bit·s-1时达到最佳。同时，通过转接板把数据线连接到PC机，借助调试工具进行大量数据的通讯测试。设定连续多次开关电源的操作来观察通讯的稳定性。除了第一次数据有丢失情况(丢失率40%)，后面数据丢失率很小(丢失率1.4%)，由于程序做了数据合法性判断，所以并不影响系统通讯。

4.2 系统应用实验

灌溉系统应用实验，由表1可知，小青菜的潮汐式灌溉用水量，耗电量和用工量，分别为人工喷灌的36.13%，59.64%，18.54%；由表2可知，辣椒潮汐式灌溉用水量，耗电量和用工量，分别是人工喷灌的44.21%，57.06%，18.54%。与传统灌溉方式相比，潮汐式灌溉可大幅降低用水、用工和耗电量，更好地满足作物生产水肥需求、增加产量，减少了人工和水肥使用量，降低了生产成本[11-14]。

表1 小青菜生长期内不同灌溉方式能耗和用工量的比较

表2 辣椒生长期内不同灌溉方能耗和用工量的比较

图8 数据收发延迟时间

5 结束语

潮汐式灌溉系统作为高效节水灌溉技术，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，此灌溉系统已经应用于同济大学新奥生态园温室内。通过触摸屏系统设置为自动灌溉模式时，操作人员无需等待灌溉结束即可离开，大幅降低了人力成本，自动化程度相对较高。

本灌溉系统处于研究阶段，后期仍有很多研究需要开展：实现通过计算机控制系统对作物的水肥精准管理和控制[15]；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的需要提高；有线式通信布线复杂，影响苗床的运动，可以向无线通信的方向继续深入研究。

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Design and Realization of the Ebb-and-flow Irrigation Control System

WU Junhui1,2，HUANG Rongrong3，CHEN Jie1,2，SI Huiping1,2，LIN Kaiyan1,2，DONG Miao3，ZHENG Yong3

(1. National Engineering Research Center of Protected Agriculture, Tongji University, Shanghai 201804, China；2.Shanghai Engineering Research Center of Protected Agriculture, Tongji University,Shanghai 201804, China；3. Institute of Modern Agricultural Science & Engineering,Tongji University, Shanghai 201804, China)

Based on the background of serious waste problems of irrigation and fertilization, power consumption, and high labor cost in agriculture, and underdeveloped techniques and equipments, a circuit design of the edd-and-flow irrigation control system with water and fertilizer saving is proposed. This system is a use for the realization of the principle of capillary irrigation techniques from plant roots, plant roots absorb water fertilizer by high tide and waste water can be recovered at low tide, after some treatments can be recycled again, such as disinfection, all functions are accomplished by the control system. Meanwhile ,compared to artificial irrigation ,this method can greatly reduce water, electricity and the consumption of labor by 36.13%～44.21%, 57.06%～59.64%, 18.54%.This irrigation can promote the development of plant seedling in factory, and has a broad application prospect.

edd-and-flow irrigation；control system；touch screen；cultivation experiment

2016- 09- 07

国家科技支撑基金资助项目(2014BAD05B05)

吴军辉(1974-)，男，博士，副研究员，硕士生导师。研究方向：设施农业嵌入式系统。黄荣蓉(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：设施农业嵌入式系统。陈杰(1968-)，男，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：设施农业。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.017

TP278

A

1007-7820(2016)11-054-05