基于RFID的大棚蔬菜自動噴灌系統(tǒng)研究.pdf

收稿日期 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null 基金項目 陜西省職業(yè)技術教育學會項目 nullnull蔬菜栽培學 null課 程助力鄉(xiāng)村振興的創(chuàng)新與實踐研究 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 咸陽市科 技局 null秦嶺北麓三種百合科野生蔬菜的引種馴化研究 null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者簡介 陳萍 nullnullnullnull null 女 陜西咸陽人 碩士 副教授 null 基于 FID 的大棚蔬菜自動噴灌系統(tǒng)研究 null 陳 萍 null 賀 妮 null 陳文平 null 張 秦 null 趙向林 null nullnull咸陽職業(yè)技術學院 陜西 咸陽 nullnullnullnullnullnull nullnull咸陽象山模具機械制造有限公司 陜西 咸陽 nullnullnullnullnullnull nullnull西北工業(yè)大學 西安 nullnullnullnullnullnull 摘 要 針對當前大棚蔬菜種植灌溉費時費力且方法單一的問題 以 nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制器為基礎 提出基于 nullnullnullnull 的大棚蔬菜自動噴灌系統(tǒng) 實現多模式灌溉以及灌溉溶液濃度和酸堿度的精準控制 null仿真結果表明 設計使用 的 nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制相比于其他控制方式運行更加穩(wěn)定且更快時間達到穩(wěn)態(tài) 在溶液濃度調節(jié)時超調量僅為 nullnull nullnullnull 達到穩(wěn)定時間分別較其他兩種控制減少了 nullnull null 和 nullnull null 而在溶液 nullnull 值的調節(jié)上超調量為 nullnull nullnullnull 達到穩(wěn)定 時間較其他兩種控制分別減少了 nullnullnull null 和 nullnullnull null 在不同的灌溉方案下 本控制器表現出良好的性能 驗證了本設計的 可行性和優(yōu)越性 null 關鍵詞 自動噴灌 nullnullnull 算法 模糊控制 水肥一體化 中圖分類號 nullnullnullnullnull 文獻標識碼 null nullnullnull 編碼 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull esearch on automatic sprinkler irrigation system for Greenhouse Vegetables Based on FID nullnullnullnull nullnullnullnull null nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null 1 Xianyang Institute of Vocational Technology Xianyang Shaanxi 712000 China 2 Xianyang Xiangshan Mould Machinery Manufacturing Co Ltd Xianyang Shaanxi 712000 China 3 Northwestern Polytechnical technicalUniversity Xinullan 710129 China Abstract nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 引言 隨著種植規(guī)模的增大 大棚蔬菜的灌溉問題隨之浮 現 人工灌溉費時費力 于是自動灌溉系統(tǒng)應運而生 null 朱千鋒采用模糊控制原理進行變頻器調速控制 設計了 一款基于變頻器控制的大棚灌溉系統(tǒng) 實現了自動灌溉 以及節(jié)水的目的 null 徐曉霞利用 nullnullnullnullnullnullnullnull 單片機的各 模塊實現環(huán)境的溫度濕度采集 通過對環(huán)境溫濕度信號 作為激活信號 設計了一款基于單片機的自動灌溉系 統(tǒng) null 黃天龍等引入物聯網技術 將灌溉系統(tǒng)與各功能 模塊相連 同時采用自動閉環(huán)雙?？刂扑惴?設計了一 款基于雙?？刂扑惴ǖ闹悄芄喔认到y(tǒng) 實現了精準灌 溉 節(jié)約了水資源 null null上述的研究在進行系統(tǒng)設計時并 未對不同的灌溉需求進行詳細設計 因此 為進一步細 化和豐富大棚蔬菜自動灌溉技術 提出一款基于改進的 nullnullnullnull模糊 nullnullnull 控制的水肥一體化自動灌溉系統(tǒng) 并通過 仿真驗證設計系統(tǒng)的可行性 null null 控制系統(tǒng)設計 圖 null 所示為設計的水肥一體化控制系統(tǒng)架構圖 null 設計的控制系統(tǒng)包含兩個部分的設計 自動灌溉控制和 水肥混合控制 null nullnullnullnull 基于 nullnullnullnull 的大棚蔬菜自動噴灌系統(tǒng)研究 陳 萍 等 圖 null 水肥一體化控制系統(tǒng)架構圖 當作物僅需要灌溉時 系統(tǒng)僅有自動灌溉系統(tǒng)處于 運行狀態(tài) 而當作物同時需要灌溉施肥時 自動灌溉模 塊和水肥控制模塊均處于運行狀態(tài) null 同時 圖 null 中的主要傳感器包括液體 nullnull 值傳感器 和液體 nullnull 值傳感器 null對于作物 最合適的水肥肥液的 電導率為 nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null故選用液體電導率 傳感器 nullnull nullnullnullnull 酸堿度同樣作為影響作物生成的因素 系統(tǒng)選用液體 nullnull 值傳感器 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null 整體軟件框架設計 控制系統(tǒng)的軟件包含兩個部分 nullnullnullnullnull 單片機控制 器軟件設計以及組態(tài)串口屏人機交互軟件設計 null總體 軟件框架圖如圖 null 所示 null 圖 null 控制系統(tǒng)軟件設計框圖 null 混肥自動灌溉控制器設計 水肥溶液的 nullnull 可融鹽 濃度和酸堿度對于作物的 生長影響很大 應保證對應在溶液中的數值占比 nullnullnull null 而該部分也是本研究設計和控制的重點 null nullnull null 水肥電導率控制過程模型 要實現混肥自動灌溉控制 首先要理清楚控制的過 程 null一般情況下 水肥溶液的 nullnull 可溶鹽 濃度與水肥 溶液電導率成正比 因此 在進行水肥溶液 nullnull 值的控制 時 可通過控制水肥電導率來實現 null設計將通過建立并 分析電導率的控制過程的動態(tài)模型實現電導率的精準 控制 null動態(tài)模型如圖 null 所示 null同時電導率的控制過程 應滿足 d V t C sf tnullt null dt nullQ s t C s null null null tnullnull Q fi t C fi nullQ sf t C sf tnullt null null dV t dt nullQ S t nullnull null inullnull Q fi t nullQ sf t null 式中 C fi i 號肥液的濃度 inull null null null nullnullnullnullnull C S 流 入灌溉水的濃度 nullnullnullnullnull V t 混肥罐內的液體體 積 null Q fi t 吸入 i 號肥液的實際流量 i null null null null null null nullnull Q S t 流入灌溉水的流量 null null nullnull Q sf t 流 出水肥溶液的總流量 null null nullnull C sf t 流出水肥溶液的 濃度 nullnullnullnullnull t null 時滯時間 nullnull 圖 null 電導率控制過程動態(tài)模型 假設條件 Q sf t null Q s t nullnull null inullnull Q fi t null Q fnull nullQ fnull nullQ fnull nullQ f t null 將式 null null null 代入式 null 中整理可得式 null V t dC sf tnullt null dt nullQ sf t C sf tnullt null nullC s nullQ f t null null inullnull C fi null 由于肥液濃度數值較大 則式 null 可簡化為式 null V t dC sf tnullt null dt nullQ sf t C sf tnullt null nullC s null Q f t null null inullnull C fi nullnullC s null 式 null 即為水肥溶液電導率控制過程的動態(tài)表達式 null還 可變形為 V t dE sf tnullt null dt nullnullE f Q fnullnullnull m t nullQ sf t E sf tnullt null nullE S null 由上述情況可知 水肥溶液電導率的控制過程復雜 波 動大 易起伏 不經過優(yōu)化直接使用無法發(fā)揮預期作用 null nullnull null 水肥 nullnull 值控制過程模型 參考上節(jié) 可以通過建立一個動態(tài)模型對 nullnull 值的 控制過程進行分析 如圖 null 所示 null當系統(tǒng)達到動態(tài)平衡 時 可列出式 null 式 null 式 nullnull V t dC sfa tnullt null dt nullQ a t C a nullQ sf t C sfa tnullt null null V t dC sfa tnullt null dt nullQ s t C s nullQ f t C f nullQ sf t C sfa tnullt null null Q sf t nullQ s t nullQ f t nullQ a t nullnull 式中 C sfb 為流出水肥溶液中堿的濃度 nullnullnullnullnull Q a 為流入 酸液的流量 null null nullnull C sfa 為流出水肥溶液中酸的濃度 nullnullnullnull null Q f 為流入肥液的流量 null null nullnull Q s 為流入灌溉水的流量 null null nullnull C a 為流入酸液的濃度 nullnullnullnullnull Q sf 為流出水肥溶液 的總流量 null null nullnull C s 為流入灌溉水的濃度 nullnullnullnullnull C f 為流 入肥液的濃度 nullnullnullnullnull null 為混肥罐內的液體體積 null null null 為 時滯時間 nullnull nullnullnullnull null自動化與儀器儀表 nullnullnullnullnull 年第 null 期 總第 nullnullnull 期 圖 null 酸堿度控制過程動態(tài)模型 nullnull 值滴定方程可列為式 nullnull nullnull nullpH nullnullnull pHnullnullnull nullC sfa null null nullnullnullnull pK b nullpHnullnullnull nullnull nullnull 式中 pH nullnullnullnull H null pK b nullnullnullnullK b pH 控制過程的輸出 變量 K b 弱堿的電離常數 null 式 null null 和式 nullnull 聯合即為水肥溶液 nullnull 值控制 的數學模型 null 設置 null null null C sfa null null C sfb null nullnull 根據式 null null nullnull nullnull 可以求得式 nullnull C sfa nullnull Q a C a Q sf e Qsf V i null Q a C a Q sf C sfb nullnull Q f C f nullQ s C s Q sf e Qsf V i null Q f C f nullQ S C S Q sf nullnull nullnull null 算法設計 nullnull nullnull null 模糊 nullnullnull 控制 模糊 nullnullnull 控制 nullnullnullnullnull nullnullnull 可有效結合兩種算法的 優(yōu)勢 設計選用雙輸入模糊控制器 nullnull null 圖 null 模糊控制系統(tǒng)結構圖 nullnullnull 控制參數的調整公式為 k p nullk pnull null nullk p k i nullk inull null nullk i k d nullk dnull null nullk d nullnull 其中 k pnull nullk inull nullk dnull 為經過 nullnullnull 調節(jié)前系統(tǒng)的參數 null nullnull nullnull null nullnullnullnull模糊 nullnullnull 控制器設計 nullnullnull 控制器的參數優(yōu)劣是決定其控制效果的關鍵因 素 而 粒 子 群 優(yōu) 化 算 法 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 在函數的參數優(yōu)化上有著一定優(yōu)勢 能夠使得參數 無限接近于理想值 因此 本研究選擇 nullnullnull 算法對 nullnullnull 控制器進行參數優(yōu)化 null nullnull nullnull nullnull null nullnullnull 算法優(yōu)化原理 粒子群優(yōu)化算法 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 用粒子群尋優(yōu)的方式模擬鳥群覓食 nullnullnullnullnull null粒子優(yōu)化算 法會模仿鳥群實時調整優(yōu)化系統(tǒng)的參數 具有操作簡 單 容易實現的優(yōu)點 null而 nullnullnull 算法存在易早熟 null易陷入 局部最優(yōu)的缺點 nullnullnullnullnull 會給 nullnullnull 控制器的控制效果帶來 影響 故應對其進行改進 null nullnull nullnull nullnull null nullnullnull 算法改進 null 慣性權重的優(yōu)化 合理的慣性權重 w 值有利于克服 nullnullnull 算法易早熟 null 易陷入局部最優(yōu)的缺點 本研究進行權重調節(jié)的方式為 基于適應度動態(tài)調節(jié)的權重法 慣性權重 w 公式為 wnull w nullnullnull null w nullnullnull nullw nullnullnull null f i nullf nullnullnull f nullnullnull nullf nullnullnull f i nullf nullnullnull w nullnullnull f i nullf nullnullnull nullnull 式中 f i 隨機粒子實時的目標函數值 f nullnullnull 粒子群 實時的平均目標值 f nullnullnull 粒子群最小目標值 w nullnullnull w 初始設定的最小值 w nullnullnull w 初始設定的最大值 null 圖 null 標準 nullnullnull 算法流程 null 學習因子的優(yōu)化 學習因子 c null 和 c null 在 nullnullnull 算法中分別代表了粒子個體最 優(yōu)解以及全局最優(yōu)解對粒子的影響大小 null在優(yōu)化過程中 應保證前者減小后者增大 優(yōu)化過程對應的公式為 c null nullc nullnullnullnull null c nullnullnullnull nullc nullnullnullnull nullnullnull null null nullnull i i nullnullnull nullnull c null nullc nullnullnullnull null c nullnullnullnull nullc nullnullnullnull nullnullnull null null nullnull i i nullnullnull nullnull 式中 i 表示當前迭代次數 null nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull模糊 nullnullnull 控制器設計 通過前文的分析 在模糊控制器的模糊正逆向化過 程中 選擇 nullnullnull 算法進行優(yōu)化 nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制器的 結構圖如圖 null 所示 null 圖 null nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制器結構圖 nullnullnullnull 基于 nullnullnullnull 的大棚蔬菜自動噴灌系統(tǒng)研究 陳 萍 等 設計針對 k e nullk ec nullk pnullu nullk inullu nullk dnullu null 個參數進行優(yōu)化 綜 合考慮對系統(tǒng)各方面的影響 尋優(yōu)目標函數的建立以絕 對誤差積分性能指標為參考 表達式為 J nullnullnullnull null null null null t e nullt nullnull 粒子群算法優(yōu)化模糊 nullnullnull 控制流程圖如圖 null 所示 null 圖 null nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制流程圖 null 實驗驗證 nullnull null 仿真模型構建 通過參數的設定以及傳遞函數的確定 在 nullnullnullnullnullnull 軟件中進行溶液 nullnull 值和 nullnull 值控制器的仿真圖的構建 null 設定灌溉水 nullnull 值為 nullnull nullnull nullnullnullnullnull 水肥溶液體積 V nullnullnullnull null 混肥罐出口最大輸出流量 Q f null nullnull null nullnullnull 電動球 閥全開時文丘里吸肥量 Q fnullnullnull null nullnull nullnullnull nullnullnull 滯后時間 null null nullnull null 肥料母液的濃度 E f null nullnull nullnullnullnullnullnull 根據水肥溶液濃 度控制模型建立傳遞函數為 G s null nullnull nullnull nullnull snullnull e nullnullnull s nullnull 基于上式在 nullnullnullnullnullnull 中建立設計的水肥溶液 nullnull 值 控制器仿真圖 如圖 null 所示 null 圖 null 水肥溶液 nullnull 值控制器仿真模型圖 實驗中 選擇濃度為 nullnull null nullnullnullnullnull 的稀鹽酸進行 nullnull 值 調節(jié) 并設定酸液通道 Q fnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull Q f 為 nullnull null null nullnull nullnull 值為 nullnullnull 系統(tǒng)延遲時間為 nullnullnull通過水肥溶液 nullnull 值的 控制模型 獲取對應的開環(huán)階躍響應曲線 得到傳遞函 數為 G s null nullnull null nullnullnull nullsnullnull e nullnulls nullnull 結合傳遞函數 在 nullnullnullnullnullnull 中建立水肥溶液 nullnull 值 控制器仿真圖 如圖 nullnull 所示 null 圖 nullnull 水肥溶液 nullnull 值控制器仿真模型圖 nullnull null 仿真結果 為驗證設計的算法的可行性和性能的優(yōu)越 在 nullnullnullnullnullnull 中搭建模型進行仿真測試 null在水肥 nullnull 值的仿 真模型中 設置仿真時間為 nullnullnull null k p nullk i nullk d 分別為 nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull 同時將水肥溶液 nullnull 值的目標值設定為 null nullnullnullnullnullnull在不同的控制器下進行仿真 對比圖如圖 nullnull 所 示 對比表如表 null 所示 null 圖 nullnull 水肥溶液 nullnull 值控制模型的仿真結果對比圖 表 null 水肥溶液 nullnull 值控制模型的仿真結果對比表 控制方法 最大超調量 穩(wěn)定時間 null 常規(guī) nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull 模糊 nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull模糊 nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull 在水肥 nullnull 值的仿真模型中 同樣對仿真時間以及 控制器初始參數進行設定 設定仿真時間為 null nullnullnull null k p null nullnullnull nullnull k i nullnullnull nullnull k d nullnullnullnullnull nullnull nullnull 值的控制目標設定為 nullnull 得到其對比圖如圖 nullnull 所示 對比表如表 null 所示 null 圖 nullnull 水肥溶液 nullnull 值控制模型的仿真結果對比圖 nullnullnullnull null自動化與儀器儀表 nullnullnullnullnull 年第 null 期 總第 nullnullnull 期 表 null 水肥溶液 nullnull 值控制模型的仿真結果對比表 控制方法 最大超調量 穩(wěn)定時間 常規(guī) nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull 模糊 nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull模糊 nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull 由上述的仿真結果可知 在水肥一體化控制的水肥 可溶鹽溶液濃度和酸堿度的控制上 設計采用的粒子群 null 模糊 nullnullnull 算法 能夠實現高精度 null高穩(wěn)定控制 null nullnull null 系統(tǒng)搭建與測試 通過前文的分析可以得知 在實施灌溉時 灌溉輸出流 量是影響灌溉過程的主要因素之一 null因此 本研究將在不 同的算法控制下進行不同灌溉輸出流量的對比實驗 以驗 證本研究采取的 nullnullnull null 模糊 nullnullnull 算法的優(yōu)越性同時 null設置 如表的 null 種灌溉方案 并對相應的參數進行設置 null 表 null 實驗灌溉方案設計 灌溉 方案 濃度設定 值 nullnullnullnullnull 酸堿度 設定值 主支閥運 作個數 總輸出流量 null null nullnull null nullnull null null null null null nullnull null null null nullnull null nullnull null null null nullnull 測試采用兩種類型的控制算法對水肥溶液濃度和 酸堿度進行調控 null測試母液電導率 nullnull nullnullnullnullnull 酸液濃度 nullnull null nullnullnullnullnull 灌溉清水 nullnull 值為 nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull 值為 nullnullnull 將 nullnull 目標值設定為 nullnull null nullnullnullnullnull nullnull 目標值設定為 nullnullnull