开发和评估无土栽培番茄生产中的灌溉施肥自动控制系统
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1、开发和评估无土栽培番茄生产中的灌溉施肥自动控制系统文章信息文章历史Received 21 October 2013Received in revised form 27 January 2014Accepted 1 February 2014关键词:植物蒸腾作用电导率水分利用率营养输送系统无土栽培温室摘要 自动控制系统的开发是为了在无土栽培番茄生产中实时制备和应用营养液。这个控制策略是基于通过PenmanMonteith模型对蒸腾作用的评估和通过电导率的测量获得渗滤液浓度。在温室条件下用沙作培养基栽培番茄时对灌溉施肥系统性能进行了评估。商业作物产量是4.74 kg m -2，所有溶于番茄果实中
2、的物质的甜度平均是4.50 °Brix。开发的这个控制系统使番茄栽培的水分利用率为17.94kgm-3。生产1kg的番茄果实必须要44.42L的营养液。该系统在调节施肥灌溉周期的频率和控制制备营养液的浓度中是非常效率的，有助于减少关于污水处理的环境问题和节约肥料和水资源。2014 Elsevier B.V. All rights reserved.1介绍对于大量的、高质量的蔬菜产品的需要，来满足世界人口不断增长的需求，说明了发展技术同步营养液的供给和需求以实现温室作物产量优是有道理的。有关植物对水和营养吸收方面的知识，对于开发提供必要的水和营养物，最大化作物生长发展的控制策略至关重要
3、。根大部分摄入的水分在植物的蒸腾作用中流失，在温室条件下占了接近90%。因此，控制灌溉频率，基于蒸腾速率的测量或估算，提供一个供给植物真正需水量的复杂方案。通过zolnler et al,(2004)，就会对植物生产的自动化系统有很大兴趣。温室的灌溉时间可以使用生长模型来优化，那就是通过使用蒸散模型模拟叶子区域扩张，能够模拟出农作物在整个成长阶段水分的消耗。自动化控制系统已经被应用到几乎所有工程领域，并取得巨大成功。在自动化灌溉领域，测量土壤、植物和空气的变化联系植物水分状态，能够提供以前行为的重要信息，来计算出灌溉的频率和持续时间。出于低成本和实用性方面的原因，最常用的控制营养液浓度的方法基
4、于电导率的测量，它可以间接确定溶液中溶解的离子的数量。在另一方面，要监视和控制营养液浓度，可以通过特定离子传感器测量当前每种营养物质在溶液中的含量，如离子选择性电极（ISE）和离子选择性场效应晶体管（ISFET）传感器。然而,许多涉及ISE和ISFET传感器的实际困难问题，仍然需要解决，特别是，测量系统的稳定性和稳固性、传感器的寿命以及它们的高成本。在过去的25年时间里，控制系统的发展，能够自动操作为溶液培养和无土栽培备制和管理营养液。在这些研究中，控制策略一般基于数学模型及测定其导电率，个别离子的浓度，PH值及作物的环境气候变量。当前进行的工作是开发一个灌溉施肥自动化控制系统，评估其在温室条
5、件下西红柿作物在沙作为基质中生长的表现。这个控制策略基于通过PenmanMonteith模型对作物蒸腾作用的评估和通过电导率的测量获得渗滤液浓度。开发的控制系统所提供的关于积累量（灌溉施肥和沥出物），商业作物产量，果实质量和水的使用效率的结果被评估。2材料和方法2.1灌溉施肥自动控制系统灌溉施肥自动控制系统（FACS）的核心基于作对物蒸腾作用和沥出物的浓度的评估，这是通过耗尽的营养液的导电性间接测量的。该系统是一个闭合回路控制器，意味会获得来自估计和测量变化反馈。FACS可以用一台最低硬件要求的计算机所控制，由软件（Hidro-Control）所管理，具体的打算用C+语言来编写。除了计算机，这
6、个控制系统由储液器、用量和施肥泵、电子电路和传感器组成。准备一个有30L容量的混合储液器来储存用于灌溉施肥的营养液。同时，准备两个100L的储液器用于储存溶液（A和B），用一个100L的储液器储存稀释水的溶液（图1）。图1 储液器图（混合，准备溶液A、B，水）和FACS的计算机。此外，三个7.5W的水泵连接到每个解决方案的储液器下面，为了混合储液器的剂量更加精确。在混合储液器中稀释了溶液A和B后，通过一个32W的小灌溉泵给作物施加营养液。在混合储液器里面通过一个接有接触传感器的电路完成对营养液水平面高低的调节，它的开发是为了避免自动制备过程中溶液的溢出。用于估计植物蒸腾作用需要的培养环境的气象
7、变量，以一分钟的间隔实时测量的。探针包括一个集成的温湿度传感器(model Humitter 50Y, Vaisala Inc., Woburn, USA),放置一个吸气的辐射护罩和一个测量太阳辐射的日射强度计(model CM3, Kipp & Zonen, Delft, Netherlands),2个都定位在一个可调节的支架上，放置在顶棚以上0.5M。另一个集成的温湿度传感器安装在温室天沟下面有多层板保护的外部。环境传感器被连接到数据采集板和一个多路复用面板(models CYDAS 1602HR and CYEXP 32, CyberResearch Inc., Branford
8、, USA),2个都安装在计算机主板上。此外，机电继电器板(model ERA-01, Keithley Instruments Inc., Cleveland, USA) 被连接到数据采集板来用于启动配制和施肥泵。实时的检测营养液浓度的电子电路是专门为测量电导率在0.10到10.15dSm-1开发的。由于营养液温度的变化，电导率值被另个测量10C°到40C°的营养液的电子电路补偿到25C°。导电性小房间或单元(model EW 19500-20, ColeParmer Instrument Company, Chicago, USA),每个都由2个涂有铂的电极（
9、K=1cm-1）和一个10K的热敏电阻组成，把它连接到电子电路测量渗滤液电导率。温度、电导率和营养液液面高度的信息，都用数字信号传送，被数据采集板测量。 营养液的pH值是由一个放大电极监测(model PHE-1304-NB, Omega, Stamford, USA)。由于都沉浸在同一溶液时，电子信号间的相互干扰来自PH电极和EC单元，所以PH在每一周的基础上测量。因此如果有必要，将会对营养液PH值进行调整，使它保持在5.6和6.0之间。可以通过加入硫酸或氢氧化钾来减少或者增加PH值。2.2控制策略 FACS的控制策略是通过Hidro-Control算法实现的，开发的目的是为了实现同步植物营
10、养液的需求和供给。这个控制策略分离为2个子策略：第一个是基于植物蒸腾作用的评估用于控制营养液的供给；二是基于渗滤液电导率的测量用于控制所制备的营养液浓度。2.2.1营养液供给子策略 FACS被设计根据温室栽培环境的大气需求通过调整灌溉施肥频率来控制植物营养液的供给。 蒸腾作用是决定灌溉施肥频率的主要变量，它主要基于Penman Monteith模型，参数由联合国粮农组织定制。根据温热时间（积温）获得作物系数，从先前温室环境下无土栽培番茄的蒸腾作用测量中获得营养生长模型，番茄作物在10C°温度下计算出日度值。 培养基的表面覆盖着透明的塑料薄膜以减少水分蒸发，大气只被植物蒸腾的占用。 一
11、些输入进PenmanMonteith模型的变量被艾伦等人发现，尤其是那些净长波辐射和作物的气动阻力有关的变量，他们对预测方程做了修改，以达到跟加准确的估计温室环境下的蒸腾作用。因此采用程序对净长波辐射的评估和沃克等人的评估是相似的：（1）其中Rnl是净长波辐射（Wm-2）,s是温室内表面的平均放射率，t是热传递系数,是StefanBoltzmann常数（5.6697x10-8Wm-2K-4），Ti是温室内空气温度（K），a是表观的大气辐射，Te是温室外部空气的温度（K）,因素s，t，和a分别被设定为0.85，0.80,0.86。 作物的气动阻力的估计考虑到了空气和植物的相互作用，定义为解耦因子
