阳台蔬菜机营养液自适应控制系统设计

发布时间：2020-08-31 15:24

　　 营养液是阳台无土栽培蔬菜生长的重要环节,当前蔬菜营养液控制技术较成熟的大型农业施肥系统,注重对被控对象营养液的研究,忽略光照强度、温湿度、CO_2浓度和蔬菜品种等外部因素对系统的作用和扰动,存在参考输入不能依据环境和蔬菜生长天数等因素变化动态调整、输出易产生超调、响应时间不稳定和易受外部环境因素扰动等问题,往往较难在城镇居民小型阳台蔬菜机中推广应用。针对上述问题,本文设计一种阳台蔬菜机营养液自适应控制系统,由营养液预估和模型参考EC(Electric Conductivity)和pH(酸碱度)自适应解耦控制两个子系统组成。系统可根据温湿度、光照强度和蔬菜品种等参数预估出最佳EC和pH值,并依据该预估值实现对营养液的自适应控制;设计蔬菜机人机交互界面,实现蔬菜系统参数同步显示、语音播报以及手动添加营养液等功能。本文主要工作如下:(1)营养液控制系统方案设计。根据阳台蔬菜种植机结构特点和需求分析,选用电极型EC和pH传感器采集营养液的参数值,采用直流型蠕动泵、搅拌泵和循环泵作为整个系统的执行机构;利用光照强度、温湿度和CO_2浓度传感器采集阳台环境参数,在云服务器上实现对营养液的预估。(2)营养液控制系统硬件设计与测试。选择STM32作为阳台蔬菜机微控制器,设计蠕动泵驱动电路、EC和pH放大电路等各模块接口电路;同时为了提升蔬菜机处理数据实时性、娱乐和人机交互性,给微控器移植FreeRTOS嵌入式操作系统和emWIN图形界面库;最后通过综合电路设计搭建系统硬件测试平台,验证了通信、数据采集和数据显示等系统的可行性。(3)蔬菜营养液预估子系统设计。针对不同地域、蔬菜品种和阳台环境下蔬菜最适营养液EC和pH差异较大和人工较难准确预估的问题,采用改进的Canopy-Kmeans聚类和SVM模型算法预估出蔬菜机营养液控制系统设定值;对阳台蔬菜机实验样本数据集进行仿真验证,营养液EC和pH的预估的最大误差分别为4.17%和3.80%。(4)模型参考EC和pH解耦自适应控制子系统设计。针对营养液控制中EC和pH耦合、阳台环境变化等外部因素使系统存在营养液数学模型参数波动、母液与水混合过程中系统易产生强非线性、时变性等问题,通过实验法和物料守恒定律,首先建立母液AB与EC、母液C与pH等4种系统数学模型,并设计EC和pH对角解耦矩阵;依据系统最短响应时间(40s)、过程无超调等期望输出,设计系统理想参考模型;应用模型参考自适应理论分别设计了系统EC和pH两参量的自适应律和控制律;最后研究外部环境变化对系统的扰动过程,仿真验证系统的跟随特性、鲁棒性和输出特性。综合实验测试表明,该阳台蔬菜机营养液自适应控制系统能够依据地域、蔬菜种类和阳台环境等参数预估出蔬菜机最适EC和pH,可在40s左右达到达稳定状态,EC控制误差±0.1mS/cm,pH控制误差为±0.1,利于家庭阳台蔬菜科学化种植。对推广到中、大型无土栽培农业设施中具有一定的参考价值。
【学位单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP273;S63
【部分图文】：

长产生一定的影响。在此背景下，当前针对水培阳台蔬菜的营养液控动配制，忽略蔬菜在不同环境、不同生长阶段下对营养液需求的差异周期较长。这就迫切需要设计一种营养液控制系统，可以针对阳台环定性自动预估并自动调节蔬菜机的营养液，使蔬菜的生长保持最佳状能家居的一种装备，其整体运行过程需要对其运行参数等系统信息进音播报，同时也需具备供手动调节和控制的功能，故需要设计一种友口来满足上述需求。 系统总体方案设计阳台蔬菜机营养液控制系统主要是针对家用梯架式水培阳台蔬菜机进蔬菜机一般处于城镇楼房封闭或者开放式阳台中，阳台面积一般为 4于室内环境中，可接收外界环境的光照等。本文研究的对象为梯架式如图 2-1 所示，其由 PVC-U 管组合而成，水平管道直径为 8 cm,分为 1 m，每层的管道长度为 0.9 m,每层管道可以种植 9 株蔬菜，每株蔬蔬菜机占地面积为 0.09 m2。

图 2-3 营养液自适应控制系统组成示意图omposition diagram of nutrient solution adaptiv统设计营养液控制系统提供营养液 EC 和 pH 值系统微控器采集阳台光照强度、CO2浓显示屏显示，另一方面通过 WiFi 模块，预估子系统，将结合阳台蔬菜机环境参数养液进行综合预估，给出当前环境和生长时传回微控器，显示在液晶显示屏上和作

图 2-3 营养液自适应控制系统组成示意图mposition diagram of nutrient solution adaptive cont设计养液控制系统提供营养液 EC 和 pH 值的参系统微控器采集阳台光照强度、CO2浓度和示屏显示，另一方面通过 WiFi 模块，将信估子系统，将结合阳台蔬菜机环境参数、蔬液进行综合预估，给出当前环境和生长状态传回微控器，显示在液晶显示屏上和作为营

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本文编号：2808988