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溫室灌溉自動控制

中興大學  生物系統工程研究室  陳加忠

蘭花栽培的灌溉與移植作業是最耗費人力的兩項工作。在灌溉管理工作中,經驗仍扮演重要的地位。灌溉的機械設備取得並不是困難,在資材市場上已有各種邦浦、水管、噴頭等可供使用。灌溉作業最重要是如何進行判斷?何時需要澆水?澆水的水量是多少?

FlowerTech月刊88期中,有篇精采的文章作物灌溉自動化,作業是加拿大Argus溫室環控公司。此公司的網站(www.arguscontrols.com)也有許多關於溫室環控與灌溉自動化的好文章。此篇文章在此介紹溫室內作物栽培灌溉控制的新進技術,也包括Argus 公司網站內的部份精華內容。

灌溉自動化作業可以降低勞力、用水與施肥等成本,可以改善作物品質。但是灌溉作業自動化最大的問題在於作業環境的變異性,包括作物的不整齊性,環境的不均勻性與灌溉系統給水的均勻性。只有在此三大因子的變異性能夠減少至最低時,自動化的特點才能顯現。

一、灌溉作業變異性的來源

對於作物而言,其外型、高度、葉片分佈等生長性狀不見得齊一,因此其需水量也不一致。典型的作物變異率約10%

    環境的影響包括作物所在位置的日照量、溫度與相對濕度等。溫室內樑柱的陰影,各角落的空氣變,介質混合均勻性等都影響了作物需水量。對於一個溫室栽培系統,此環境的變異性約為20%

    灌溉作業機具的性能設計力求給水均勻,但是由於邦浦的加壓能力,管路的分歧性與摩擦係數,噴頭或滴管給水量的不整齊因素,給水量的變異性約為10%

    將上述三個變異來源綜合考慮,整體的變異約為25% ,計算公式為()

二、灌溉作業的決策方式

有關灌溉動作的決策方式主要有三類:主觀決定,作物觀察法與模式利用法。

主觀決定代表灌溉設備的開閉由使用者決定。管理人員憑藉經驗以判斷作物是否需要給水,給多少水。所有的灌溉作業可以藉由複雜化的灌溉管路加以進行,但是給水閥的開啟或是抽水邦浦的啟動仍是由管理人員決定。

    作物觀察法是藉由各種感測器以瞭解作物是否需要水。例如量測盆器的重量,量測介質的水分張力或水分含量,或是以葉溫計量測葉片的溫度並與當時氣溫比較。由這些植物相關的量測值再進行判斷。此種植物生理觀察法雖然可以得到作物直接的資料,然而取樣點的代表性極為重要。使用上述感測器無法量測溫室內所有植物的狀態,因此取樣技術為此量測作業成敗的要項。

    模式利用法是以間接觀測的參數值,配合作物生理模式計算作物的耗水量,再以此為依據,適時供應灌溉水分。需要量測的參數值包括:日照量、氣溫、相對濕度、風速、植物葉面積指數(LAI, Leaf Area Index),植物形狀與間距等。常用的模式有三種:

1. 累積日照量模式

以累積日照量以計算作物的蒸散量,兩者的相關性有80%。由於現有日照量感測器性能可靠,在溫室內使用一只日照感測器即富有代表性。以日照量的量測值連續累加後換算蒸散量,再以此決定灌溉供水量。

2. 蒸氣壓差模式

    使用相對濕度計與溫度計以計算當時氣體環境的蒸氣壓差,再以此換算作物蒸散量以進行灌溉控制。

3. 綜合模式

    此模式同時考慮日照量、溫度、相對濕度與風速等條件對於蒸散量的影響。使用公式如下:

    在此:Tr為作物蒸散量,Is為日照量,Pvs為當時氣溫下的飽和蒸氣壓,RH為相對濕度值。A為常數值,B為風速的函數。

    此模式比上述兩模式更為複雜,但是更能涵蓋各種環境因子對作物蒸散量的影響。

    應用模式法進行灌溉控制仍然存有許多問題:

1. 模式的不完整性

  作物蒸散量模式仍然未能考慮所有的影響因子。只能代表一些重要參數對蒸散量的影響,因此仍然為不完整的估算方法。

2. 模式的參數值來自感測器的量測值。因此感測器的感測性能影響了模式的準確性。

3. 模式的結構愈加複雜,微少的錯誤輸入值愈容易導致計算值極大的失誤。

    綜合上述討論,在目前的技術層次背景下灌溉自動化的最佳策略是結合作物的直接量測與作物模式。應用方法如下:

1. 建立簡單且可靠的作物蒸散量模式,用以控制灌溉水量。

2. 設定與安裝植物監控感測系統,以其量測值進行如下功能:

  a.作為缺水或給水過多的警訊信號

   b.量測值加以儲存比對,以做為管理作業的參考。

   c.如果發現作物處於嚴重缺水狀態,立刻啟動緊急給水動作。

3. 以作物監測系統的累積資料以檢查作物模式的正確性。

    以作物模式法與植物觀察法相互比較,作物模式法的成本較低代表性較高,但是無法直接反應作物的現況。以張力計量測介質水分或以葉溫計量測作物水分應力,更能瞭解作物的生理現況,但是受到取樣位置的限制。將兩項技術加以結合再配合經驗判斷法,對於溫室灌溉管理作業仍是不可或缺的作業技術。

    進行灌溉自動化最大的錯誤觀念在於認為可以達到無人化。灌溉設備如邦浦可能故障,管路可能破裂或脫落,滴管可能阻塞,感測器可能失靈或不動作,或是感測訊號不正確。因此人員的巡視觀察仍是必需。

三、常用的灌溉策略

綜合上述討論,灌溉作業自動控制的使用策略可分類如下;

1.固定設定法

   通常使用定時器,在固定的時間啟動開關,以時間設定以控制作業時間。此方法的優點在於可靠簡易,缺點是面對外界環境改變時無法即時的進行調節。

2.開放線路法

   又稱為前授控制法。例如利用日照計的量測值以計算蒸散量,再以累計蒸散量進行給水量控制。此方法的缺點在於缺乏回饋裝置,無法依據作物真實狀態進行調整。

3.密閉線路法

  又稱為回授控制法。以一只或多只水分計放置於作物的介質中,以介質水分或張力量測値與設定值互相比較,再以兩者數值的差異量進行給水控制。此種控制方式最大的限制因子為感測器的準確性與代表性。而且在栽培作業的各項管理作業,都容易影響了感測器的使用性。

四、灌溉自動化的優缺點

()、優點

1. 減少人力需求

2. 減少灌溉水、肥料等浪費

3. 增加作物成長均勻性

4. 增加產量,提高品質,減少病害

()、缺點

1. 增加設備成本

2. 需要高素質管理人才

3. 需要更複雜的機械設備與管路

4. 自動化作業失敗時,損失更大

五、結語

最需要進行灌溉自動化的生產條件為大規模生產者與進行計劃生產者。不適合進行自動化的生產條件主要為少量多樣化的生產方式與缺乏技術性管理人員。灌溉自動化作業失敗的主因可歸納如下:1. 自動化的設備不完備,2. 灌溉設備本身作業能力即不均勻,3. 作物的型態、品種、株齡等條件過度複雜,4. 作業人員的失誤。

成功的灌溉自動控制其作業性能則必須具備如下的條件:1.系統硬體能有適當的操作,例如感測設備的量測與控制裝置的介面連結,訊號處理的輸送等,2.系統軟體中控制策略,邏輯判斷的合理化,3. 感測系統能夠有效的量測作業,能真實反映介質或植物的狀況,4. 控制系統輸出訊號能夠有效操作各種控制器如電磁閥(ON/OFF),壓力調節器(流量)等。

    執行灌溉自動化作業需要即時量測的因子除了介質水份或作物生理狀態之外,水質,流率,水壓三者也屬於量測範圍。連續監控系統更應該包括流量計,壓力轉換計,電磁閥,壓力調節器等。量測數據或控制訊號的傳輸設備可利用電導線,水壓線,無線電訊號,微波,雷射或紅外線設備。

   對於所有溫室自動化灌溉作業的失敗個案分析檢討,發現主要的問題在於管理人員而不是硬體設備。因此高素質的人力資源才是高科技農業的根本。