摘要：育苗温室在现代种植业体系中承担集约化种苗培育的关键角色，其环境控制参数精度对幼苗成苗率与生长质量具有决定性影响。温室内传统水肥施药依靠人工经验判断操作时机与药液剂量，普遍存在资源分配不合理与响应滞后问题，制约了工厂化育苗规模效益的提升。为提高温室育苗质量，以开发智能控制一体化系统为目标，通过融合多源传感网络感知环境动态变化，构建基于秧苗需耗模型的决策机制，设计了可协调灌溉施药操作的闭环控制架构，实现温室育苗水肥药资源精准投放与温室环境自适应调节间的协同优化。

　　关键词：温室育苗；水肥药一体化；智能控制系统；动态决策系统；设计与优化

　　1.引言

　　1.1研究背景与意义

　　现代农业集约生产模式依靠育苗温室维持周年化育苗作业，温室设施构成现代种植业种苗体系核心环节。当前温室内水肥施药作业仍延续人工经验主导模式，环境参数动态波动导致操作时机与施用量偏离最优区间，进而引发资源浪费与苗株生长不均。传统操作方法难以适应不同作物育苗阶段的精准调控需求，客观上限制了工厂化育苗产能与品质提升[1]。推动环境监控与施药设备智能化协同，成为解决设施农业精细化管控的关键技术，对构建标准化育苗技术体系具有实践价值。

　　1.2国内外研究现状

　　设施农业发达国家已建立基于传感器网络的灌溉决策系统，例如荷兰温室普遍搭载营养液自动调控单元。水肥耦合技术近年取得多项控制算法突破，国内研究者在华北地区开展的水肥一体化模型验证取得预期节水效果[2]。施药装备自动化集中于大田作业，而育苗温室受制于空间限制与安全规范，药械精准作业研究仍处于初级阶段。现有温室机械化操作系统多聚焦单一功能模块开发，水肥药多要素联动控制尚未形成完备的解决方案，特别是环境因子与作物生长数据实时驱动施药执行的闭环控制机制仍需深入探索。

　　2.相关概念界定

　　育苗温室特指采用透光覆盖材料构建的封闭栽培空间，其内部配置温湿度调节装置以实现种苗标准化培育，区别于传统露地育苗的不可控生产环境。水肥施药一体机作为集成灌溉与植保功能的核心装备，由储液单元、比例混合器、多级过滤系统和压力驱动装置构成实体基础，执行营养液精确配比与雾化喷施的复合任务。智能化控制系统本质上建立硬件感知层与软件决策层的动态交互架构，依托实时环境监测数据生成控制指令，驱动执行机构实现水肥药精准投放，关键在于消除人工判断滞后性对育苗质量的影响。

　　3.温室育苗水肥药一体化智能控制系统设计

　　3.1系统总体架构设计

　　硬件层由温室环境传感器阵列与土壤墒情监测节点构成数据采集前端，温湿度变送器悬挂于苗床上方80厘米高度用来收集作物冠层微气候信息，基质温度传感器则以倾角45度插入穴盘缝隙获取秧苗根区真实状态。控制层搭载工业PLC实现数据汇聚，其多通道模拟量输入接口适配不同传感器信号制式，RS 485总线连接网关协调各模块通信。软件层部署在嵌入式Linux平台，灌溉决策模块调用预设作物生长模型库，施药控制逻辑依据病虫害预警指数动态调整雾化参数。

　　3.2系统工作原理

　　当光照传感器持续10分钟读数低于幼苗光补偿点时，环境监控单元向PLC发送补光请求，决策系统同步计算蒸腾速率变化引发的灌溉需求增量。水肥执行模块启动三通比例阀体，依据EC/pH实时反馈调节母液混入比例，混液罐内超声探头确保营养液均匀度达标。施药装置通过图像识别确认病害发生位置，四轴联动喷杆依据路径规划进行定向喷雾，离心式雾化盘的12微米雾化粒径控制减少药液飘散损失，整个作业过程实现从感知到执行的闭环控制[3]。

　　4.智能控制系统硬件设计

　　4.1传感器模块设计

　　环境监测单元选用数字型温湿度变送器悬置苗床上方60厘米处，其IP 67防护外壳适应高湿温室内环境。光量子传感器倾斜30度角安装于棚顶透光区，避免阴影遮挡影响光合有效辐射计量精度。土壤参数采集采用穿刺式三针EC/pH复合探头，不锈钢探针以120度夹角分布增强秧苗根区介质接触可靠性。所有传感器信号经4—20 mA电流环传输，电流模数转换方案显著降低线路压降导致的测量偏移。

　　4.2控制器模块设计

　　核心处理单元采用工业级PLC配置32位ARM处理器，多路模拟量输入通道直接兼容传感器电流信号，特殊设计的RC滤波电路消除电磁干扰。数字输出端口驱动能力达2 A确保执行器启动瞬时电流需求，内置铁电存储器可持续保存作物生长参数。实时时钟模块建立灌溉事件的时间基准，看门狗电路在电压波动时执行自动复位防止程序跑飞。

　　4.3执行器模块设计

　　水肥执行机构配备三通伺服调节阀控制母液注入比例，PTFE密封圈耐受强酸强碱药剂腐蚀。灌溉支路采用脉冲式电磁阀实现滴灌流量毫升级调控，施药单元选用陶瓷柱塞泵产生3 MPa恒定压力保障雾化效果。防滴漏喷嘴集成在四自由度机械臂末端，其步进电机细分驱动实现0.5度定位精度，物理限位开关杜绝超行程损坏风险。

　　4.4通信模块设计

　　现场层部署ZigBee网状网络，路由节点布设于温室立柱顶端形成视距传输链路。协调器通过RS 485转光纤中继器连接控制柜，单模光纤传输距离超500米，覆盖大型连栋温室。通信协议采用Modbus-RTU帧结构，数据包增加CRC16校验码应对潮湿环境信号畸变，指令重发机制确保执行器动作状态100%回传确认。

　　智能控制系统硬件模块功能如表1所示。

　　5.智能化控制系统软件设计

　　5.1数据采集与处理软件设计

　　多源数据获取模块同步读取温室六类传感器数据，冠层温湿度探头每30秒上传一次测量值，土壤参数采集周期则依据穴盘基质干燥速率设定为5分钟。原始数据经滑动窗口滤波消除瞬时干扰脉冲，特别针对EC传感器特有的电解极化效应设计补偿算法。数据融合单元将光照强度与基质含水量关联分析，当二者同时低于设定阈值且持续20分钟时触发异常警报，清洗后的有效数据写入缓存队列等待决策调用。

　　5.2控制策略与算法设计

　　水肥调控采用变论域模糊PID复合算法，灌溉量决策模型融合蒸腾速率预测与历史耗水模式。在午后强光照阶段自动缩小比例参数，快速响应作物蒸腾需求突变。施药控制引入病虫害图像识别置信度因子，药液雾化粒径参数随目标叶片密度动态调整，风压补偿模块根据实时湿度修正药液沉降轨迹。核心算法以动态链接库形式封装，支持在线调整隶属度函数参数适配不同作物品种。

　　5.3人机交互界面设计

　　触摸屏操作终端以组态软件构建三维虚拟温室，环境参数热力图叠加在实景温室俯视图上实时刷新。灌溉计划设置界面采用生长阶段时间轴模式，育苗周期被划分为催芽、生根等五个关键阶段，各阶段水肥配方参数卡片支持拖拽配置。故障诊断页面采用树状拓扑图展示设备连接状态，异常节点自动弹出历史数据对比曲线，操作日志精确记录每次人工干预的时间与操作者工号。

　　6.智能化控制系统优化

　　6.1系统性能优化

　　实时任务调度器重构为优先级抢占模式，灌溉控制线程获得最高响应级别，确保水分胁迫快速解除。机器视觉模块嵌入关键帧截取算法，原高清视频流处理改为每十秒抽取特征帧分析，在计算资源消耗下降的同时维持病虫害识别准确度。执行器驱动指令传输采用轻量化通信协议，控制命令帧精简至32字节长度，配合CAN总线仲裁机制实现亚毫秒级响应延迟[4]。

　　6.2节能优化

　　光照强度自学习模块记录温室区域日光变化曲线，补光灯开启时间与自然光衰减趋势保持五分钟提前量。水泵变频控制依据灌溉支路压力需求动态调节转速，夜间灌溉时段自动切换至低谷电价模式运行。闲置状态感知单元监测设备连续静默时长，超两小时未作业则进入深度休眠状态降低待机功耗。光伏供电系统通过最大功率点跟踪技术提升转换效率，储能电池组在温室内温度超过35度时主动降低充电电流防止过热损耗。

　　6.3可靠性优化

　　双机热备架构在主PLC故障时自动切换至应急控制器，其检测信号每三秒交互确认状态。关键继电器触点配置RC吸收电路抑制电弧氧化，金属氧化物压敏电阻并联在电源入口消除浪涌冲击。执行器机械部件加装振动监测传感器，当异常振幅连续出现五次触发预维护警报。线缆连接器改用防水航空插头并注入密封硅脂，接触电阻定期自检功能杜绝触点氧化导致的信号漂移，关键电路板喷涂三防漆形成湿气隔离层。

　　7.结语

　　系统验证测试证实设计的控制系统可提升水肥药资源的时空配置精度，有效降低过量施药带来的环境污染风险。未来研究将在作物生长模型数字化表达方向深入探索，通过机器视觉决策模型增强病虫害预判能力，实现防控窗口期前移。融合数字孪生技术的虚拟调试平台将加速系统部署进程，而农艺实践参数的标准化转化有助于构建具备行业普适性的智能控制解决方案，最终推动设施育苗向标准化和集约化方向发展。

　参考文献：

　　[1]雷浩博.桃树种植水肥药一体化滴灌技术研究与应用[D].新乡:河南科技学院,2023.

　　[2]李宝来.水肥墒药一体智能化灌溉托管服务平台.河北省,河北大沃农业科技有限公司,2020(11).

　　[3]杨欢.水肥药一体化灌溉研究进展[J].水利技术监督,2023<(8):273-275.

　　[4]李小燕,龚建军,刘英,等.基于物联网技术的水肥药一体机智能控制系统设计研究[J].农业技术与装备,2024(8):10-12.