專利名稱：基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)，屬于農(nóng)業(yè)、林業(yè)及種植業(yè)實(shí)現(xiàn)無(wú)土栽培技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代以來(lái)，可控環(huán)境農(nóng)業(yè)得到了廣泛的研究與發(fā)展，以滿足對(duì)各種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)量產(chǎn)地反季節(jié)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展等的要求。可控環(huán)境農(nóng)業(yè)的一個(gè)主要的方向就是應(yīng)用植物營(yíng)養(yǎng)液實(shí)現(xiàn)植物的無(wú)土栽培。無(wú)土栽培具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約用水、克服連作障礙等特點(diǎn)。同時(shí)，還可以減輕病蟲害對(duì)農(nóng)作物的侵染，也防止了在土壤栽培中因施用人體排泄物帶來(lái)的寄生蟲卵，產(chǎn)品清潔衛(wèi)生。
營(yíng)養(yǎng)液栽培是控制環(huán)境植物生產(chǎn)中的重要方法，營(yíng)養(yǎng)液為作物正常生長(zhǎng)發(fā)育提供所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素，其中各種離子的濃度和供應(yīng)量是保證作物健康生長(zhǎng)的關(guān)鍵。
營(yíng)養(yǎng)液中各組分、EC值、pH值和溶解氧濃度等變化十分復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，傳統(tǒng)控制策略難以獲得滿意的控制效果。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)溫室營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧調(diào)控過(guò)程中存在的問(wèn)題，提供一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)，其采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧進(jìn)行調(diào)控，設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器將營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧的各參量控制在專家設(shè)定值水平，以滿足控制環(huán)境植物生產(chǎn)中作物生長(zhǎng)的需要。
基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的用于營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中的組分(如NO3-、K+和Ca2+等)、EC值、pH值和溶解氧濃度等進(jìn)行控制。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器由NO3-離子濃度模糊控制模塊、pH值模糊控制模塊、溶解氧濃度模糊控制模塊組成，采用雙輸入、單輸出的二維模糊控制器，輸出端連接到營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)串行口連接單片機(jī)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中的組分(如NO3-、K+和Ca2+等)、EC值、pH值和溶解氧濃度等進(jìn)行控制。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊根據(jù)輸入的營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)數(shù)據(jù)，采用模糊控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，輸出相應(yīng)的控制量，通過(guò)串行口將控制信號(hào)送入單片機(jī)，下位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)接收的控制信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的調(diào)控。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)，包括營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和微控制器。
所述營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)由栽培床、營(yíng)養(yǎng)液池、供液管道和回流管道組成。
用于營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，由NO3-離子濃度模糊控制模塊、pH值模糊控制模塊、溶解氧濃度模糊控制模塊組成，采用雙輸入、單輸出的二維模糊控制器，輸出端連接到營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)串行口連接單片機(jī)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中的組分(如NO3-、K+和Ca2+等)、EC值、pH值和溶解氧濃度等進(jìn)行控制。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊根據(jù)輸入的營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)數(shù)據(jù)，采用模糊控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，輸出相應(yīng)的控制量，通過(guò)串行口將控制信號(hào)送入單片機(jī)，下位機(jī)根據(jù)接收的控制信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的調(diào)控。
微控制器由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)采用普通的PC機(jī)，下位機(jī)采用單片機(jī)，上、下位機(jī)以RS-232實(shí)現(xiàn)串行通信。下位機(jī)采用單片機(jī)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊根據(jù)輸入的營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)數(shù)據(jù)，采用模糊控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，輸出相應(yīng)的控制量，通過(guò)串行口將控制信號(hào)送入單片機(jī)，下位機(jī)根據(jù)接收的控制信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的調(diào)控。上位機(jī)采用普通的PC機(jī)以RS-232實(shí)現(xiàn)串行通信，通過(guò)串行口將處理后的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)，PC機(jī)接收數(shù)據(jù)并顯示營(yíng)養(yǎng)液各參數(shù)的變化情況。
本發(fā)明的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧進(jìn)行調(diào)控，設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器將營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧的各參量進(jìn)行控制，以滿足控制環(huán)境植物生產(chǎn)中作物生長(zhǎng)的需要。建立循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液多組分的在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的獲取營(yíng)養(yǎng)液中各組分濃度的變化狀況，可根據(jù)作物在各生長(zhǎng)期間對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的需求合理的調(diào)配營(yíng)養(yǎng)液的配比。



圖1為本發(fā)明的營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明的溶解氧濃度控制仿真框圖； 圖3為本發(fā)明的溶解氧濃度控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖4為本發(fā)明的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)硬件體系框圖。

具體實(shí)施例方式 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)，包括營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和微控制器。
所述營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)由栽培床、營(yíng)養(yǎng)液池、供液管道和回流管道組成。
栽培床用于盛放營(yíng)養(yǎng)液，給作物提供營(yíng)養(yǎng)和水分，并為作物根系生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的根際環(huán)境。營(yíng)養(yǎng)液池是貯存和供應(yīng)栽培床營(yíng)養(yǎng)液的容器，母液罐、酸液罐、堿液罐和清水罐中的溶液在電磁閥門的控制下流入營(yíng)養(yǎng)液池。供液管道將貯液池的營(yíng)養(yǎng)液輸送到栽培床，由水泵、供液主管、支管、出水龍頭與噴頭組成?；亓鞴艿绖t將栽培床內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)液回流至營(yíng)養(yǎng)液池，從而形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在市場(chǎng)上購(gòu)買后與其他部件連接成一體就行。
由于營(yíng)養(yǎng)液濃度中離子的濃度在循環(huán)過(guò)程中成比例衰減，可令營(yíng)養(yǎng)液母液中被控離子濃度之間比例與營(yíng)養(yǎng)液中的濃度之間比例相同，則控制一種離子的濃度就可以同步控制其余離子的濃度，這樣足以滿足控制環(huán)境植物生產(chǎn)中對(duì)營(yíng)養(yǎng)液組分調(diào)控的要求，因此，在對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中組分的調(diào)控中采用對(duì)NO3-濃度進(jìn)行控制，以達(dá)到對(duì)其余離子濃度進(jìn)行調(diào)控的目的。
模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，由NO3-離子濃度模糊控制模塊、pH值模糊控制模塊、溶解氧濃度模糊控制模塊組成，采用雙輸入、單輸出的二維模糊控制器，輸出端連接到營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)串行口連接單片機(jī)，參數(shù)自調(diào)整模塊實(shí)現(xiàn)量化因子和比例因子的調(diào)整，相應(yīng)的作用于營(yíng)養(yǎng)液組分濃度調(diào)控系統(tǒng)、pH值調(diào)控系統(tǒng)和溶解氧濃度調(diào)控系統(tǒng)的控制量(u)為模糊控制器的輸出，以營(yíng)養(yǎng)液中NO3-離子濃度、pH值和溶解氧濃度的實(shí)際檢測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差(e)和偏差的變化(ec)作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入； 在營(yíng)養(yǎng)液的調(diào)控系統(tǒng)中采用的就是雙輸入單輸出的二維模糊控制器，NO3-離子濃度模糊控制模塊、pH值模糊控制模塊和溶解氧濃度模糊控制模塊，這三個(gè)模塊的基本結(jié)構(gòu)相似，只是輸入輸出量不同，現(xiàn)以溶解氧濃度模糊控制模塊的設(shè)計(jì)為例，營(yíng)養(yǎng)液中溶解氧濃度模糊控制器(DOFC)以溶解氧濃度的控制量(u)為輸出量，以溶解氧濃度的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值的偏差(e)和偏差變化(ec)為輸入量，通過(guò)控制器的推理和決策，得到合適的控制量作用于被控對(duì)象，使?fàn)I養(yǎng)液中的溶解氧保持在設(shè)定值。
微控制器由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)采用普通的PC機(jī)，下位機(jī)采用單片機(jī)，上、下位機(jī)以RS-232實(shí)現(xiàn)串行通信。下位機(jī)采用MCS-51系列單片機(jī)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。下位機(jī)的核心是一片AT89C51單片機(jī)，主要是完成采集各種數(shù)據(jù)及信息，經(jīng)處理后送至上位機(jī)，同時(shí)它也是一種控制器，接收上位機(jī)下達(dá)的命令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有關(guān)的控制。下位機(jī)采用匯編語(yǔ)言與C51混合編程的方法開(kāi)發(fā)完成。上位機(jī)采用普通的PC機(jī)，在Windows XP操作平臺(tái)上工作，PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的統(tǒng)一管理和控制，其間以RS-232實(shí)現(xiàn)串行通信。
各傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗變換和放大得到相應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送入微控制器，微控制器通過(guò)通信接口把采樣信號(hào)送入上位PC機(jī)，由PC機(jī)根據(jù)智能控制算法產(chǎn)生控制信號(hào)并送入下位機(jī)，微控制器根據(jù)接收的控制信號(hào)由I/O端口輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成營(yíng)養(yǎng)液中各種離子濃度、pH值和溶解氧濃度的控制。
由傳感器及單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成營(yíng)養(yǎng)液相關(guān)參數(shù)的采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和濾波等處理，通過(guò)串行口將處理后的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)。上位PC機(jī)接收數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示營(yíng)養(yǎng)液各參數(shù)的變化情況；綜合管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊根據(jù)輸入的營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)數(shù)據(jù)，采用模糊控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，輸出相應(yīng)的控制量，通過(guò)串行口將控制信號(hào)送入單片機(jī)，下位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)接收的控制信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的調(diào)控。
權(quán)利要求
1.一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)，包括營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和微控制器，其特征在于
a、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)由栽培床、營(yíng)養(yǎng)液池、供液管道和回流管道組成；
b、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，由NO3-離子濃度模糊控制模塊、pH值模糊控制模塊、溶解氧濃度模糊控制模塊組成，采用雙輸入、單輸出的二維模糊控制器，輸出端連接到營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)串行口連接單片機(jī)，參數(shù)自調(diào)整模塊實(shí)現(xiàn)量化因子和比例因子的調(diào)整，相應(yīng)的作用于營(yíng)養(yǎng)液組分濃度調(diào)控系統(tǒng)、pH值調(diào)控系統(tǒng)和溶解氧濃度調(diào)控系統(tǒng)的控制量(u)為模糊控制器的輸出，以營(yíng)養(yǎng)液中NO3-離子濃度、pH值和溶解氧濃度的實(shí)際檢測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差(e)和偏差的變化(ec)作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入；
c、微控制器由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)采用普通的PC機(jī)，下位機(jī)采用單片機(jī)，上、下位機(jī)以RS-232實(shí)現(xiàn)串行通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液及溶解氧測(cè)控系統(tǒng)。包括營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和微控制器，針對(duì)營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控過(guò)程中存在的問(wèn)題，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論對(duì)植物生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行智能控制，將營(yíng)養(yǎng)液中的組分(如NO3-、K+和Ca2+等)、EC值、pH值和溶解氧濃度等參量控制在滿足植物生長(zhǎng)需要的設(shè)定值。
文檔編號(hào)G05B13/02GK101303594SQ200810058519
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日
發(fā)明者戈振揚(yáng), 高國(guó)濤, 濤 王 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)