一種基於LabVIEW的溫室水肥一體化營養液自動灌溉控制方法與流程
2023-05-14 12:16:01 2
本發明涉及農業裝備技術領域,尤其是一種基於LabVIEW的溫室水肥一體化營養液自動灌溉控制方法。
背景技術:
農業是國之根本,自動化、信息化及智能化的程度尤其重要,水肥一體化營養液灌溉技術在農業生產中的應用,使傳統農業擺脫了人為經驗水肥灌溉的傳統模式,達到節水、節肥、省工、增效、減少農業生態環境汙染的效果,是實現農業現代化的一條重要途徑。隨著水肥一體化營養液灌溉技術的成熟,一些農業發達國家已經普及推廣水肥一體化營養液循環利用技術,使用該項技術後不但節約了灌溉用水和生產用肥料,還大大減少了溫室生產過程中對外部環境的汙染。
應用該項技術實現的自動灌溉系統來看存在許多關鍵問題:1、營養液濃度配比不合理,不同農作物在不同生長期對養分的需求量不一樣,養分過多則流失嚴重浪費較多,養分過少會影響農作物正常生長;2、現有的溫室水肥一體化灌溉自動控制設備,整套系統價格相對昂貴,遇到問題時技術人員常常無法及時解決。
技術實現要素:
本發明所要解決的技術問題在於,提供一種基於LabVIEW的溫室水肥一體化營養液自動灌溉控制方法,可以針對農作物不同生長周期進行分段控制所需營養液濃度,精確灌溉,節水節肥。
為解決上述技術問題,本發明提供一種基於LabVIEW的溫室水肥一體化營養液自動灌溉控制方法,包括如下步驟:
(1)嵌入有LabVIEW平臺的計算機在LabVIEW標準值設定界面中設定作物名稱、作物各生長階段的EC和PH值範圍、空氣溼度範圍和環境溫度範圍;使用LabVIEW模糊控制工具包Fuzzy Logic搭建模糊控制器;
(2)PH傳感器、EC傳感器、空氣溼度傳感器和環境溫度傳感器分別採集相應信號,採集到的信號經過數據採集卡進行調製轉換;
(3)數據採集卡調製轉換後的信號經由USB傳給嵌入有LabVIEW平臺的計算機,信號分為兩路,一路在LabVIEW軟體平臺的顯示面板上以圖表的形式顯示監測;另一路由LabVIEW的程序對比判斷採集到的信號值是否在設定的標準值範圍內,如果是就繼續循環採集信號,如果不是則由模糊控制器計算調整量並發送調整指令;
(4)指令由LabVIEW軟體中的VISO節點經I/O口輸出至執行機構執行。
優選的,步驟(1)中各個參數的標準值輸入通過外接鍵盤人工輸入。
優選的,步驟(3)中的環境溫度信號和空氣溼度信號值如果不在設定的標準值範圍內,LabVIEW軟體平臺的顯示面板上兩參數報警燈亮起。
優選的,步驟(3)中,模糊控制器的設計方法為:
(a)確定模糊控制器結構;選取二維控制結構,輸入量為實測值與標準量的誤差e和誤差變化ec,輸出為對應調整量u;
(b)輸入輸出量的模糊化;把輸入輸出的精確量轉化為對應語言變量的模糊集合,描述輸出輸出變量語言值的模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},設置模糊量誤差E、誤差變化EC為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},控制量U的論域為{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7},然後添加隸屬度函數;
(c)模糊推理決策算法設計;對於二維控制結構以及相應的輸入模糊集,制定模糊控制規則;
(d)對輸出模糊量進行解模糊;模糊控制器的輸出量是一個模糊集合,選取重心法作為反模糊方法得出一個確切的精確控制量。
優選的,步驟(4)中的執行機構為下位機繼電器開關模塊,控制混合罐中營養液混合電磁閥的通斷。
優選的,還包括由監測探頭採集的視頻信號發送給嵌入有LabVIEW平臺的計算機,實現實時溫室環境檢測。
本發明的有益效果為:針對農作物的不同生長期實行分段控制調整營養液濃度,精確灌溉,保證農作物的正常種植;利用LabVIEW軟體模糊控制工具箱搭建模糊算法控制平臺,利用該虛擬控制平臺作為自動灌溉系統的上位機處理器,可以省去很多外圍的硬體電路,降低成本和操作運用難度;控制系統具有較好的拓展性,根據實際控制需要在LabVIEW軟體中自由添加監測控制項目,直觀反映灌溉效果及周圍環境情況,圖形化程式語言,直觀易理解,人機互動友好。
附圖說明
圖1是本發明的控制系統結構示意圖。
圖2是本發明的營養液EC值控制方法流程圖。
圖3是本發明的營養液PH值控制方法流程圖。
圖4是本發明的溫度控制方法流程圖。
圖5是本發明的偏差e的隸屬度函數示意圖。
圖6是本發明的偏差變化量ec的隸屬度函數示意圖。
具體實施方式
如圖1所示,一種基於LabVIEW的溫室水肥一體化營養液自動灌溉控制方法,包括如下步驟:
(1)嵌入有LabVIEW平臺的計算機在LabVIEW標準值設定界面中設定作物名稱、作物各生長階段的EC和PH值範圍、空氣溼度範圍和環境溫度範圍;使用LabVIEW模糊控制工具包Fuzzy Logic搭建模糊控制器;各個參數的標準值輸入通過外接鍵盤人工輸入;
(2)PH傳感器、EC傳感器、空氣溼度傳感器和環境溫度傳感器分別採集相應信號,採集到的信號經過數據採集卡進行調製轉換;
(3)數據採集卡調製轉換後的信號經由USB傳給嵌入有LabVIEW平臺的計算機,信號分為兩路,一路在LabVIEW軟體平臺的顯示面板上以圖表的形式顯示監測;另一路由LabVIEW的程序對比判斷採集到的信號值是否在設定的標準值範圍內,如果是就繼續循環採集信號,如果不是則由模糊控制器計算調整量並發送調整指令;環境溫度信號和空氣溼度信號值如果不在設定的標準值範圍內,LabVIEW軟體平臺的顯示面板上兩參數報警燈亮起;
(4)指令由LabVIEW軟體中的VISO節點經I/O口輸出至執行機構執行,執行機構為下位機繼電器開關模塊,控制混合罐中營養液混合電磁閥的通斷。
系統還包括由監測探頭採集的視頻信號發送給嵌入有LabVIEW平臺的計算機,實現實時溫室環境檢測。
步驟(3)中,模糊控制器的設計方法為:
(a)確定模糊控制器結構;選取二維控制結構,輸入量為實測值與標準量的誤差e和誤差變化ec,輸出為對應調整量u;
(b)輸入輸出量的模糊化;把輸入輸出的精確量轉化為對應語言變量的模糊集合,描述輸出輸出變量語言值的模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},設置模糊量誤差E、誤差變化EC為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},控制量U的論域為{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7},然後添加隸屬度函數,如圖5和圖6所示;
(c)模糊推理決策算法設計;對於二維控制結構以及相應的輸入模糊集,制定模糊控制規則,如表1所示;
(d)對輸出模糊量進行解模糊;模糊控制器的輸出量是一個模糊集合,選取重心法作為反模糊方法得出一個確切的精確控制量,如表2所示。
表1 模糊控制表
表2 模糊控制查詢表
如圖2所示,為EC值的控制方法流程圖。具體過程為:系統開始運行,在LabVIEW標準值設定界面中輸入定植期、生長期、開花期、坐果期、採摘期的具體天數t1、t2、t3、t4和t5,各生長期對應的EC值標準範圍為(ECa1~ECb1,ECa2~ECb2,ECa3~ECb3,ECa4~ECb4,ECa5~ECb5),系統採集EC傳感器信號,判斷時間計數器上t天在哪一生長期內,採集的EC值是否在這一生長期對應的標準值範圍內,如果是就繼續返回採集EC傳感器信號,如果不是則計算調整量,然後發送指令執行調整。
如圖3所示,為PH值的控制方法流程圖。具體過程為:系統開始運行,在LabVIEW標準值設定界面中輸入作物生長所需營養液的PH值標準範圍(PH min~PH max),系統採集PH傳感器信號,判斷所採集的PH值是否在標準值範圍內,如果是則返回繼續採集傳感器信號,如果不是則調整計算量,然後發送指令執行調整。
如圖4所示,為環境溫度的控制方法流程圖。具體過程為:系統開始運行,在LabVIEW標準值設定界面中輸入作物生長標準環境溫度值的範圍(T min~T max),系統採集溫度信號,判斷所採集的溫度值是否在標準值範圍內,如果是則返回繼續採集溫度信號,如果不是則報警燈亮。
本發明針對農作物的不同生長期實行分段控制調整營養液濃度,精確灌溉,保證農作物的正常種植;利用LabVIEW軟體模糊控制工具箱搭建模糊算法控制平臺,利用該虛擬控制平臺作為自動灌溉系統的上位機處理器,可以省去很多外圍的硬體電路,降低成本和操作運用難度;控制系統具有較好的拓展性,根據實際控制需要在LabVIEW軟體中自由添加監測控制項目,直觀反映灌溉效果及周圍環境情況,圖形化程式語言,直觀易理解,人機互動友好。
儘管本發明就優選實施方式進行了示意和描述,但本領域的技術人員應當理解,只要不超出本發明的權利要求所限定的範圍,可以對本發明進行各種變化和修改。