本發(fā)明涉及屬于智能霧化栽培領(lǐng)域，具體涉及一種智能霧化栽培系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)土壤栽培中，尤其是設(shè)施栽培下，由于作物連作導(dǎo)致土壤中土傳病蟲害的大量發(fā)生，鹽分積聚，養(yǎng)分失衡等已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)中的難題，而霧化栽培可根本上解決土壤連作障礙的問題。加上我國是一個農(nóng)業(yè)大國，人多地少，耕地面積逐年減少同時，隨著工業(yè)化，城市化進(jìn)程的不斷加快，退耕還林工程的實施，“人增地減”的矛盾將愈加嚴(yán)重。在傳統(tǒng)的土壤栽培中，肥料平均利用率僅有30％-40％；而霧化栽培根據(jù)植物的生長特性，在相應(yīng)智能控制下可大幅提高養(yǎng)分利用率，霧化栽培擺脫了土壤的約束，采用立柱式霧培，可提高土壤利用率。為了更好地實現(xiàn)霧化栽培，必須結(jié)合控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的栽培，在根系內(nèi)部溫濕度傳感器、根系外部溫濕度傳感器、營養(yǎng)液ph傳感器、液位傳感器、光照強度傳感器、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器、根系外部二氧化碳傳感器檢測下，根據(jù)與相應(yīng)植物的生長特性進(jìn)行對比，合理地科學(xué)地進(jìn)行調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境，為了實現(xiàn)在線智能無土栽培，本發(fā)明提供了一種智能在線植株根系檢測及霧化栽培系統(tǒng)，本發(fā)明不僅克服土壤栽培病害蟲，水肥利用率低，占地面積大等缺點，而且在相應(yīng)傳感器采集控制下，實現(xiàn)在線檢測植株根系生長狀態(tài)，智能自動地進(jìn)行控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種智能霧化栽培系統(tǒng)及其控制方法，以滿足城市居民能在自家陽臺上利用智能霧化栽培技術(shù)，經(jīng)濟(jì)有效地實現(xiàn)智能蔬菜霧化栽培。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

一種智能霧化栽培系統(tǒng)，其特征在于，包括栽培器、第一控制器、第二控制器，所述栽培器包括雙層營養(yǎng)液池、培養(yǎng)皿和定植杯，所述營養(yǎng)液池上層為貯液室、下層為霧化室，所述貯液室和霧化室通過液位自動開關(guān)連接，所述霧化室通過主氣管與培養(yǎng)皿相通，所述各個培養(yǎng)皿上面有日光燈，所述日光燈通過繼電器與第一控制器相連，所述培養(yǎng)皿中設(shè)置有與第一控制器相連的光照強度傳感器，所述培養(yǎng)皿中設(shè)置多個定植杯，主氣管上連接多個延伸至定植杯中的彌霧管；所述霧化室內(nèi)設(shè)置有噴頭、液位傳感器，所述噴頭與第一控制器相連，所述液位傳感器位于霧化室內(nèi)的側(cè)壁上、并通過一個繼電器與第二控制器相連，霧化室內(nèi)設(shè)置由電熱絲、風(fēng)扇構(gòu)成的送霧器，所述風(fēng)扇和電熱絲分別通過一個繼電器與第二控制器相連，所述第二控制器根據(jù)判斷結(jié)果控制電熱絲和風(fēng)扇的工作；所述貯液室上設(shè)置進(jìn)液管，所述進(jìn)液管上設(shè)置有與第二控制器相連的液壓電磁閥，所述液壓電磁閥通過一個繼電器與第二控制器相連，貯液室內(nèi)設(shè)置有分別與第一控制器相連的ph傳感器、投入式液位變送器；在定植杯外培養(yǎng)皿內(nèi)設(shè)置了分別與第一控制器相連的根系外部溫濕度傳感器、根系外部二氧化碳傳感器，所述定植杯根系處設(shè)置了分別與第一控制器相連的根系內(nèi)部溫濕度傳感器、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器，所述第一控制器與第二控制器之間采用無線通信連接；

所述第一控制器通過根系外部溫濕度傳感器、根系外部二氧化碳傳感器采集植株外部環(huán)境的溫度和濕度、二氧化碳含量，通過根系內(nèi)部溫濕度傳感器、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器采集培養(yǎng)皿植株根系生長環(huán)境的溫度和濕度、二氧化碳含量，通過ph傳感器采集營養(yǎng)液的ph值，通過液位傳感器檢測營養(yǎng)液的液位，通過光照強度傳感器采集光照強度；與第一控制器相連的光照強度傳感器實時檢測光照強度，并將采集到的信息傳送給第二控制器；

所述第二控制器用于根據(jù)收到的數(shù)據(jù)以及內(nèi)置的評判對比算法向液壓電磁閥發(fā)出工作指令，控制液壓電磁閥工作狀態(tài)，根據(jù)液位傳感器采集的霧化室內(nèi)的液位信號控制營養(yǎng)液的添加，同時通過根系內(nèi)部及根系外部溫濕度傳感器、根系內(nèi)部和根系外部的二氧化碳傳感器采集的信息進(jìn)行算法加權(quán)處理來量化植株光合作用強度，從而控制相應(yīng)噴頭霧化工作。

進(jìn)一步地，所述栽培器中培養(yǎng)皿的數(shù)量為多個，多個培養(yǎng)皿上下層疊設(shè)置、且對稱分布。

進(jìn)一步地，所述培養(yǎng)皿間及培養(yǎng)皿與貯液室之間設(shè)置有相互貫通的回流管。

進(jìn)一步地，所述噴頭內(nèi)部是由控制器上的io口分別控制4個霧化片，形成4個霧化強度等級。

所述的智能霧化栽培系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

所述第一控制器分別通過根系外部溫濕度傳感器、光照強度傳感器、根系外部二氧化碳傳感器、ph傳感器、投入式液位變送器，一方面采集植株所處生長環(huán)境的溫度和濕度、環(huán)境光強、環(huán)境二氧化碳濃度、營養(yǎng)液的液位和濃度，一方面通過根系內(nèi)部溫濕度傳感器、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器采集植株根系的溫度和濕度、二氧化碳濃度并將采集到的信息傳送給第二控制器；

所述第二控制器根據(jù)收到的數(shù)據(jù)以及內(nèi)置的控制方法，根據(jù)液位傳感器、ph傳感器采集的霧化室內(nèi)的液位信號向液壓電磁閥發(fā)出工作指令，控制液壓電磁閥工作狀態(tài)，控制營養(yǎng)液的添加；根據(jù)根系內(nèi)部溫濕度傳感器、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器和根系外部溫濕度傳感器、根系外部二氧化碳傳感器差值來表征植株光合作用的強弱，給出噴頭、電熱絲、風(fēng)扇(19)、液壓電磁閥、日光燈工作控制策略；

所述第二控制器的控制策略為：

根據(jù)光照強度數(shù)據(jù)與設(shè)定的時間擬合控制日光燈；具體的：

首先由定時器控制第一控制器和第二控制器的啟動工作，光照強度傳感器采集的信息與定時器的時間組成“與”運算控制規(guī)則日光燈的動作，即設(shè)置光照強度閾值函數(shù)為軟件時鐘閾值函數(shù)為則k1＝g1(x)&t1(x)；

根據(jù)根系內(nèi)部溫濕度傳感器和根系外部溫濕度傳感器檢測的根系內(nèi)外的溫度和濕度，建立多輸入模糊控制模型來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和電熱絲，具體的：

根系外部溫濕度傳感器采集值作為給定值f(x0,y0)＝w1x0+w2y0，其中x0、y0分別為實時溫度值、濕度值，w1、w2分別為溫度、濕度系數(shù)權(quán)值；把根系內(nèi)部溫濕度傳感器采集值作為獲取值f(x1,y1)＝w1x1+w2x1，然后由獲取值與給定值比較得到誤差信號e1＝f(x1,y1)-f(x0,y0)，將誤差信號e1進(jìn)行模糊化，由誤差e1模糊語言得出一個子集e1，將e1化分為e1＝{nb,ns,zo,ps,pb}，由經(jīng)驗得出u1與e1同步變化，

r1＝(nbe1×nbu1)∪(nse1×nsu1)∪(zoe1×zou1)∪(pse1×psu1)∪(pbe1×pbu1)，r1為模糊關(guān)系，模糊輸出u1＝e1·r1；

根據(jù)根系內(nèi)部二氧化碳傳感器根系外部二氧化碳傳感器檢測的根系內(nèi)外部的二氧化碳量，建立多輸入模糊控制模型來控制噴頭的霧化量，具體的：

根系外部二氧化碳傳感器采集值作為給定值h(m0)＝km0+c，其中m0為實時二氧化值，k為量化植株生理活動狀況系數(shù)，c為常數(shù)；把根系外部二氧化碳傳感器采集值作為獲取值h(m1)＝km1+c，然后由獲取值與給定值比較得到誤差信號e2＝h(m1)-h(m0)，將誤差信號e2進(jìn)行模糊化，由誤差e2模糊語言得出一個子集e2，將e2化分為e2＝{nb,ns,zo,ps,pb}，由經(jīng)驗得出u2與e2同步變化，

r2＝(nbe2×nbu2)∪(nse2×nsu2)∪(zoe2×zou2)∪(pse2×psu2)∪(pbe2×pbu2)，r2為模糊關(guān)系，模糊輸出u2＝e2·r2。

本發(fā)明的工作過程如下：密封的通明玻璃或塑料的立柱式栽培器，在第二控制器根據(jù)第一控制器的投入式液位變送器采集的信息自動地打開液壓電磁閥向雙層營養(yǎng)液池的貯液室添加營養(yǎng)液，由于霧化室內(nèi)表面右側(cè)一個液位傳感器檢測到霧化室的水位，液位自動開關(guān)打開，貯液室向霧化室加入一定高度的營養(yǎng)液，霧化室內(nèi)底部的噴頭開始工作，使?fàn)I養(yǎng)液霧化，通過右側(cè)電熱絲和風(fēng)扇的作用，使霧化的霧滴經(jīng)過主氣管，再經(jīng)過主氣管與培養(yǎng)皿連接的彌霧管進(jìn)入培養(yǎng)皿，使植株在在定植杯的固定作用下充分吸收營養(yǎng)液，同時培養(yǎng)皿第一控制器上的根系外部溫濕度傳感器、根系外部二氧化碳傳感器、主氣管外表面數(shù)字光照強度傳感器、定植杯根系處的根系內(nèi)部溫濕度傳感器、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器、貯液室內(nèi)表面左側(cè)ph傳感器和投入式液位變送器，開始檢測植株生長環(huán)境的溫度、濕度、光強、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液的ph、水位等參數(shù)和植株根系的溫度、濕度、二氧化碳濃度，檢測的信息通過第一控制器上的無線模塊發(fā)送給第二控制器，采集的信號顯示在第二控制器液晶顯示器上，經(jīng)過相應(yīng)控制決策，發(fā)送相應(yīng)的控制信息給第一控制器，控制相應(yīng)的繼電器動作，實現(xiàn)栽培器系統(tǒng)能自動打開風(fēng)扇調(diào)節(jié)溫濕度，打開后備光源進(jìn)行光照，打開液壓閥添加營養(yǎng)液，控制噴頭噴霧，整個栽培系統(tǒng)在第一控制器和第二控制器相互傳輸信息間實現(xiàn)動態(tài)的調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的智能霧化栽培系統(tǒng)采用立柱式栽培器，考慮更方便地輸入營養(yǎng)液，檢測營養(yǎng)的ph和水位，而不干擾噴頭霧化，本栽培器采用雙層營養(yǎng)液池，上層為貯液室，下層為霧化室，貯液室和霧化室通過液位自動開關(guān)連接，通過液位傳感器的檢測，在液位開關(guān)的控制下，自動調(diào)節(jié)霧化室的液位，避免噴頭因霧化室的液位低或無液體而工作發(fā)熱損壞。

考慮到盡可能在有限的空間內(nèi)，栽培跟多的植株，方便栽培器安置和擺放，所以本發(fā)明的栽培箱采用空間立柱式結(jié)構(gòu)，這樣也可以讓植株在生長期間避免相互干擾，更充分地吸收陽光。為了保證植株能夠徑向生長，培養(yǎng)皿采用定植杯。設(shè)計了相互貫通的回流管，不僅提高營養(yǎng)液的利用率，而且能使各個培養(yǎng)皿間的霧氣處于循環(huán)狀態(tài)，用于保證培養(yǎng)皿植株生長環(huán)境一致，更有利于采集信號的準(zhǔn)確性和可靠性，便于智能控制。

本發(fā)明的智能霧化栽培系統(tǒng)采取采用第一控制器，第二控制器通過無線模塊相互收發(fā)收據(jù)。是因為僅用一個控制器不僅導(dǎo)致整個控制器復(fù)雜，各種傳感器，控制器接線不方便，不美觀，有可能因接線問題，導(dǎo)致傳感器、控制器不能正常工作，第一控制器采集及第二控制器處理不必局限在固定的位置，克服空間上的局限性。

本發(fā)明的智能霧化栽培系統(tǒng)通過根系內(nèi)部溫濕度傳感器、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器、根系外部溫濕度傳感器、根系外部二氧化碳傳感器的實時差值進(jìn)行多輸入模糊控制，能夠量化植株生理活動強弱，來控制噴頭中霧化片工作的數(shù)量，同時調(diào)節(jié)風(fēng)扇(19)的轉(zhuǎn)速及電熱絲通斷的時間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述智能霧化栽培系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明的第一控制器原理圖。

圖3為本發(fā)明的第二控制器原理圖。

圖4為本發(fā)明的整體控制策略流程圖。

圖5為a處的放大圖。

圖6為本發(fā)明的噴頭分級霧化電路原理圖。

圖中：

1-噴頭；2-霧化室；3-液位自動開關(guān)；4-營養(yǎng)液；5-ph傳感器；6-貯液室；7-投入式液位變送器；8-根系內(nèi)部二氧化碳傳感器；9-根系外部二氧化碳傳感器；10-根系外部溫濕度傳感器；11-根系內(nèi)部溫濕度傳感器；12-彌霧管；13-日光燈；14-光照強度傳感器；15-回流管；16-定植杯；17-主氣管；18-液壓電磁閥；19-風(fēng)扇；20-電熱絲；21-液位傳感器；22-控制器；23-繼電器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明所述智能霧化栽培系統(tǒng)包括立柱式栽培器、第一控制器、第二控制器。所述栽培器包括雙層營養(yǎng)液池、培養(yǎng)皿和定植杯16，所述營養(yǎng)液池上層為貯液室6、下層為霧化室2。所述霧化室2通過主氣管17與培養(yǎng)皿相通，所述各個培養(yǎng)皿上面有日光燈13，所述日光燈13通過繼電器與第一控制器相連，所述培養(yǎng)皿中設(shè)置有與第一控制器相連的光照強度傳感器14。

所述培養(yǎng)皿中設(shè)置多個定植杯16，主氣管17上連接多個延伸至定植杯16中的彌霧管12。培養(yǎng)皿經(jīng)過彌霧管12輸送霧滴給植株，每個植株固定在定植杯16上。各個培養(yǎng)皿底部由回流管15連接，讓營養(yǎng)液4回流到貯液室6，使?fàn)I養(yǎng)液4循環(huán)利用。所述霧化室2內(nèi)設(shè)置有與第一控制器連接的噴頭1、液位傳感器21，所述噴頭1與第一控制器相連，所述液位傳感器21位于霧化室2內(nèi)的側(cè)壁上、并通過一個繼電器與第二控制器相連。所述貯液室6和霧化室2通過液位自動開關(guān)3連接。霧化室2內(nèi)設(shè)置由電熱絲20、風(fēng)扇19構(gòu)成的送霧器，所述風(fēng)扇19和電熱絲20分別通過一個繼電器與第二控制器相連，所述第二控制器根據(jù)判斷結(jié)果控制電熱絲20和風(fēng)扇19的工作。所述貯液室6上設(shè)置進(jìn)液管，所述進(jìn)液管上設(shè)置有與第二控制器相連的液壓電磁閥18，所述液壓電磁閥18通過一個繼電器與第二控制器相連，貯液室6內(nèi)設(shè)置有分別與第一控制器相連的ph傳感器5、投入式液位變送器7；在定植杯16外培養(yǎng)皿內(nèi)設(shè)置了分別與第一控制器相連的根系外部溫濕度傳感器10、根系外部二氧化碳傳感器9，所述定植杯16根系處設(shè)置了分別與第一控制器相連的根系內(nèi)部溫濕度傳感器11、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器8，如圖5所示。兩個控制器上有無線收發(fā)器模塊，所述第一控制器與第二控制器之間采用無線通信連接；第二控制器還有液晶顯示器。

在第二控制器根據(jù)第一控制器的投入式液位變送器7采集的信息自動地打開液壓電磁閥18向雙層營養(yǎng)液池的貯液室6添加營養(yǎng)液4，由于霧化室2內(nèi)表面的液位傳感器21檢測到霧化室2的水位，液位自動開關(guān)3打開，貯液室6向霧化室2加入一定高度的營養(yǎng)液4，霧化室2內(nèi)底部的噴頭1開始工作，使?fàn)I養(yǎng)液4霧化，通過右側(cè)電熱絲20和風(fēng)扇19的作用，使霧化的霧滴經(jīng)過主氣管17，再經(jīng)過主氣管17與培養(yǎng)皿連接的彌霧管12進(jìn)入培養(yǎng)皿，使植株在在定植杯16的固定作用下充分吸收營養(yǎng)液4，

同時培養(yǎng)皿第一控制器上的根系外部溫濕度傳感器10、根系外部二氧化碳傳感器9、主氣管17外表面數(shù)字光照強度傳感器1414、定植杯16根系處的根系內(nèi)部溫濕度傳感器11、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器8、貯液室6內(nèi)表面左側(cè)ph傳感器5和投入式液位變送器7，開始檢測植株生長環(huán)境的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光強，營養(yǎng)液4的ph、水位等參數(shù)和植株根系的溫度、濕度、二氧化碳濃度，檢測的信息通過第一控制器上的無線模塊發(fā)送給第二控制器，采集的信號顯示在第二控制器液晶顯示器上，經(jīng)過相應(yīng)控制決策，發(fā)送相應(yīng)的控制信息給第一控制器，控制相應(yīng)的繼電器動作，實現(xiàn)栽培器系統(tǒng)能自動打開風(fēng)扇19調(diào)節(jié)溫濕度，打開后備光源進(jìn)行光照，打開液壓閥添加營養(yǎng)液4，控制噴頭1噴霧，整個栽培系統(tǒng)在第一控制器和第二控制器相互傳輸信息間實現(xiàn)動態(tài)的調(diào)節(jié)。

所述的智能霧化栽培系統(tǒng)的控制方法，如圖4所示，所述第一控制器分別通過根系外部溫濕度傳感器10、光照強度傳感器14、根系外部二氧化碳傳感器9、ph傳感器5、投入式液位變送器7，一方面采集植株所處生長環(huán)境的溫度和濕度、環(huán)境光強、環(huán)境二氧化碳濃度、營養(yǎng)液4的液位和濃度，一方面通過根系內(nèi)部溫濕度傳感器11、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器8采集植株根系的溫度和濕度、二氧化碳濃度并將采集到的信息傳送給第二控制器。

所述第二控制器根據(jù)收到的數(shù)據(jù)以及內(nèi)置的控制方法，根據(jù)液位傳感器21、ph傳感器5采集的霧化室2內(nèi)的液位信號向液壓電磁閥18發(fā)出工作指令，控制液壓電磁閥18工作狀態(tài)，控制營養(yǎng)液4的添加；根據(jù)根系內(nèi)部溫濕度傳感器11、根系內(nèi)部二氧化碳傳感器8和根系外部溫濕度傳感器10、根系外部二氧化碳傳感器9差值來表征植株光合作用的強弱，給出噴頭1、電熱絲20、風(fēng)扇19、液壓電磁閥18、日光燈13工作控制策略。

所述第二控制器的控制策略為：

根據(jù)光照強度數(shù)據(jù)與設(shè)定的時間擬合控制日光燈13；具體的：

首先由定時器控制第一控制器和第二控制器的啟動工作，光照強度傳感器14采集的信息與定時器的時間組成“與”運算控制規(guī)則日光燈13的動作，即設(shè)置光照強度閾值函數(shù)為軟件時鐘閾值函數(shù)為則k1＝g1(x)&t1(x)。

根據(jù)根系內(nèi)部溫濕度傳感器11和根系外部溫濕度傳感器10檢測的根系內(nèi)外的溫度和濕度，建立多輸入模糊控制模型來控制風(fēng)扇19的轉(zhuǎn)速和電熱絲20，具體的：

根系外部溫濕度傳感器10采集值作為給定值f(x0,y0)＝w1x0+w2y0，其中x0、y0分別為實時溫度值、濕度值，w1、w2分別為溫度、濕度系數(shù)權(quán)值；把根系內(nèi)部溫濕度傳感器11采集值作為獲取值f(x1,y1)＝w1x1+w2x1，然后由獲取值與給定值比較得到誤差信號e1＝f(x1,y1)-f(x0,y0)，將誤差信號e1進(jìn)行模糊化，由誤差e1模糊語言得出一個子集e1，將e1化分為e1＝{nb,ns,zo,ps,pb}，由經(jīng)驗得出u1與e1同步變化。

r1＝(nbe1×nbu1)∪(nse1×nsu1)∪(zoe1×zou1)∪(pse1×psu1)∪(pbe1×pbu1)，r1為模糊關(guān)系，模糊輸出u1＝e1·r1。

根據(jù)根系內(nèi)部二氧化碳傳感器8根系外部二氧化碳傳感器9檢測的根系內(nèi)外部的二氧化碳量，建立多輸入模糊控制模型來控制噴頭1的霧化量，具體的：

根系外部二氧化碳傳感器9采集值作為給定值h(m0)＝km0+c，其中m0為實時二氧化值，k為量化植株生理活動狀況系數(shù)，c為常數(shù)，把根系外部二氧化碳傳感器9采集值作為獲取值h(m1)＝km1+c，然后由獲取值與給定值比較得到誤差信號e2＝h(m1)-h(m0)，將誤差信號e2進(jìn)行模糊化，由誤差e2模糊語言得出一個子集e2，將e2化分為e2＝{nb,ns,zo,ps,pb}，由經(jīng)驗得出u2與e2同步變化，

r2＝(nbe2×nbu2)∪(nse2×nsu2)∪(zoe2×zou2)∪(pse2×psu2)∪(pbe2×pbu2)，r2為模糊關(guān)系，模糊輸出u2＝e2·r2。

所述噴頭1內(nèi)部是由控制器上的io口分別控制4個霧化片，形成4個霧化強度等級，如圖6所示。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。