胡耘瑞，张 梅，田志伟，姚 森，马 伟

（1.四川大学电气工程学院，成都610065 ；2.成都农业科技职业学院，成都 611130；3.成都农业科技中心，成都 610404）

农业发展受到诸多因素制约，包括生产高度分散，受市场波动冲击大，自然灾害风险高等方面。要解决上述问题，应运用新的技术手段重构农业生产方式，植物工厂无疑是农业的潜在出路之一。植物工厂是在完全密闭或半密闭条件下采用高精度环境控制，实现作物在垂直立体空间周年计划性生产的高效农业系统，是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一，受到全世界的高度重视[1]。

植物工厂内采用立体栽培模式，在相同的面积上，种植数倍于农田的作物，同时工厂内可根据不同作物的需求科学地设置不同的温度、光照、灌溉等外在条件，减少天气原因对于作物生长带来不利的影响。总的来说，植物工厂可以提高作物栽培过程中的科技渗透率，增强产业稳定性，提高农民收入。同时，通过系统自动控制水肥供应的水培生产模式相对于传统土壤栽培模式来说更适用于工厂化作物栽培。水培是蔬菜生产技术上的一项重大革新，与进口的基质栽培相比，具有操作简单、成本低廉、不受季节和环境限制、种植产量高、产品安全性高等特点[2]。因此，合理运用水培进行蔬菜种植可以提高农业生产效益，蔬菜生产水肥控制器可以实现代替人工，实现精准水肥供给的目的[3-4]。

系统原理

工厂化立体栽培无线水肥控制器主要由PLC 控制器、智能灯管、水肥传感器、温度光照传感器、栽培盘和营养液输送系统构成。利用PLC 作为控制中枢，通过安放在栽培盘中的传感器实时检测水中的CO2含量、含氮量、含磷量、光照强度等指标，通过放置在墙壁的温度光照复合传感器检测温度和光照强度等指标。传感器实时向PLC 控制中枢传送自己的监控数据，当传感器检测到作物生长环境中的某一项指标或者几项指标不在作物生长最适宜的区间时，PLC 中枢会发出指令进行营养液的传输和室内温度、光照强度的调控，从而确保植物生长在适宜的生长环境中（图1）。

图1 工厂化生产立体栽培施肥系统示意图

系统设计

环境参数反馈PLC 控制系统

控制系统采用PLC 作为处理器，每间隔2～30 min 进行1 次采样检测。多层栽培架中，传感器逐层扫描，检测每层栽培架水槽中的氮元素值的波动大于8% 时，启动水泵进行循环搅拌，搅拌后再次检测营养液的氮元素值，如果误差小于5%，系统则认定波动值在植物生长适宜的区间，如果误差大于或等于5%，系统则认为养分需要再次调节。此时PLC 控制器输出的继电器闭合，当识别到传感器的输入信号发生变化时，PLC 控制器通过继电器向各个供水管电磁阀终端发出信号，对相应的电磁阀开度大小进行调整。当传感器检测到相应的量值恢复到正常的水平时，PLC 控制器控制继电器断开，至此完成一个负反馈调节（图2）。

图2 控制系统流程

立体栽培无线水肥控制系统

工厂化立体栽培优势是提高空间利用率，但水肥管理过程存在不便观察、不利于人工操作等问题。立体栽培无线水肥控制系统可以同时检测多个环境参数，进行整体的调控和决策，有助于提高水肥利用效率。从成本出发，系统采用PLC控制器作为控制核心，通过继电器来控制营养液水泵的启停，使用电磁铁驱动探针，在需要测量时伸入营养液中，不测量时则缩回探针，该设计有助于提高传感器的使用寿命（图3）。同时，立体栽培还存在不易拉线等问题，基于5G 的无线方式进行多个传感器及控制系统，可以实现蔬菜工厂化生产环境的远程自动控制，通过对多个节点的控制，每层的电磁阀都以此进行开闭，提高管理的效率（图4）。

图3 基于PLC 控制系统的实物测试

图4 无线控制模块实物图

总结

本文水肥控制系统优点是采用模块化和分布式技术，解决了工厂化立体栽培水肥精准控制和布线的难题，同时也有效降低成本，搭建过程中成本较低，每个系统的搭建成本约为1100 元，远低于国外同类产品。缺点是要根据不同植物工厂特点进行针对性布局设计，避免水肥系统损坏传感器，提高系统精度与可靠性。

从技术发展的趋势来看，该技术应该是未来农业发展趋势。在解决了水肥精准调控的稳定性难题后，水培装备会很快在都市农业中普及应用。通过控制器实现工厂化生产的精准控制，可以进一步减少劳动力成本，避免人为干扰，实现生产的规模化。