温室物流苗床及其潮汐式灌溉控制系统的研究与设计

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我国设施农业发展迅猛,截至2018年,温室面积已突破300万hm2。温室物流苗床是高效温室生产中最重要的设施之一,可有效提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率,提高经营者效益和竞争力,对于保障农产品有效供给,促进农业发展、农民增收,增强农业综合生产能力具有十分重要的意义。
  潮汐式灌溉系统是基于潮水涨落原理而设计的一种高效节水灌溉系统,作为一种新式的节水灌溉技术,潮汐式灌溉系统不但可以有效提高水和营养液的利用效率,减少资源浪费,降低劳动力投入,且可高效促进作物生长,提高产品质量,达到增产增收的目的。
  当前,温室中应用的物流苗床多为手动式移动苗床,苗盘转移和搬运一般依靠人工,不仅劳动强度大、生产效率低、温室空间利用率不足,水肥浪费严重、耗电多、人力成本高,相关灌溉技术装备整体水平较为落后,因此,亟需研究一套温室物流苗床及潮汐式灌溉控制系统以提高温室空间利用率、资源利用率及降低劳动强度,从而提高生产效率和经济效益。
  本文首先对国内外温室物流苗床及潮汐式灌溉控制系统现状、发展趋势及所存在问题进行了综述,在充分考虑生产领域实际需求的基础之上,结合当前主流的触摸屏人机交互方案,研究并实现了一套温室物流苗床及其潮汐式灌溉控制系统,研究工作如下:
  (1)系统整体设计:通过研究国内外常用物流苗床系统及其灌溉方式,设计出一套应用于温室内的物流苗床潮汐式灌溉系统,完成了系统总体设计方案。整个潮汐式灌溉系统的工作流程主要分为四个阶段:营养液输送、营养液吸收、营养液回收以及营养液消毒重新配比。
  (2)温室物流苗床系统设计:物流苗床系统根据实际生产需求可分为工作区域、栽培区域及单体苗床。本论文完成了各区域的架构设计方案,运行传动方案及运动规划方案。研究了各个模块的结构设计及连接方式,并对苗床单元、苗床往返机构的组成等关键零部件进行了分析。同时提出了另一种新型物流苗床系统。
  (3)灌溉系统控制部分硬件设计:灌溉系统所需的具体功能分为系统注水、灌溉、回流、消毒以及废液的pH、EC和硝氮值的检测等。采用嵌入式CPUW77E58、STC15F2K60S2实现了系统的核心控制模块、水位检测模块、执行模块、营养液数据采集模块和人机交互模块的硬件电路研究与设计。
  (4)灌溉系统控制部分软件设计:开发并完成了核心控制模块及水位检测模块、执行模块、营养液数据采集模块和人机交互模块的软件代码以及DGUS触摸屏的人机交互代码;制定了底层控制系统与上位机无线数据通讯及各模块之间信息交互协议,并开发了通讯软件代码。
  经实验表明,该系统性能稳定,温室物流苗床及其潮汐式灌溉控制系统可以推动植物工厂化育苗的发展,具有广阔的应用前景。
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