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 1

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。