基于RFID的大棚蔬菜自动喷灌系统研究.pdf

收稿日期 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null 基金项目 陕西省职业技术教育学会项目 nullnull蔬菜栽培学 null课 程助力乡村振兴的创新与实践研究 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 咸阳市科 技局 null秦岭北麓三种百合科野生蔬菜的引种驯化研究 null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 陈萍 nullnullnullnull null 女 陕西咸阳人 硕士 副教授 null 基于 FID 的大棚蔬菜自动喷灌系统研究 null 陈 萍 null 贺 妮 null 陈文平 null 张 秦 null 赵向林 null nullnull咸阳职业技术学院 陕西 咸阳 nullnullnullnullnullnull nullnull咸阳象山模具机械制造有限公司 陕西 咸阳 nullnullnullnullnullnull nullnull西北工业大学 西安 nullnullnullnullnullnull 摘 要 针对当前大棚蔬菜种植灌溉费时费力且方法单一的问题 以 nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制器为基础 提出基于 nullnullnullnull 的大棚蔬菜自动喷灌系统 实现多模式灌溉以及灌溉溶液浓度和酸碱度的精准控制 null仿真结果表明 设计使用 的 nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制相比于其他控制方式运行更加稳定且更快时间达到稳态 在溶液浓度调节时超调量仅为 nullnull nullnullnull 达到稳定时间分别较其他两种控制减少了 nullnull null 和 nullnull null 而在溶液 nullnull 值的调节上超调量为 nullnull nullnullnull 达到稳定 时间较其他两种控制分别减少了 nullnullnull null 和 nullnullnull null 在不同的灌溉方案下 本控制器表现出良好的性能 验证了本设计的 可行性和优越性 null 关键词 自动喷灌 nullnullnull 算法 模糊控制 水肥一体化 中图分类号 nullnullnullnullnull 文献标识码 null nullnullnull 编码 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 随着种植规模的增大 大棚蔬菜的灌溉问题随之浮 现 人工灌溉费时费力 于是自动灌溉系统应运而生 null 朱千锋采用模糊控制原理进行变频器调速控制 设计了 一款基于变频器控制的大棚灌溉系统 实现了自动灌溉 以及节水的目的 null 徐晓霞利用 nullnullnullnullnullnullnullnull 单片机的各 模块实现环境的温度湿度采集 通过对环境温湿度信号 作为激活信号 设计了一款基于单片机的自动灌溉系 统 null 黄天龙等引入物联网技术 将灌溉系统与各功能 模块相连 同时采用自动闭环双模控制算法 设计了一 款基于双模控制算法的智能灌溉系统 实现了精准灌 溉 节约了水资源 null null上述的研究在进行系统设计时并 未对不同的灌溉需求进行详细设计 因此 为进一步细 化和丰富大棚蔬菜自动灌溉技术 提出一款基于改进的 nullnullnullnull模糊 nullnullnull 控制的水肥一体化自动灌溉系统 并通过 仿真验证设计系统的可行性 null null 控制系统设计 图 null 所示为设计的水肥一体化控制系统架构图 null 设计的控制系统包含两个部分的设计 自动灌溉控制和 水肥混合控制 null nullnullnullnull 基于 nullnullnullnull 的大棚蔬菜自动喷灌系统研究 陈 萍 等 图 null 水肥一体化控制系统架构图 当作物仅需要灌溉时 系统仅有自动灌溉系统处于 运行状态 而当作物同时需要灌溉施肥时 自动灌溉模 块和水肥控制模块均处于运行状态 null 同时 图 null 中的主要传感器包括液体 nullnull 值传感器 和液体 nullnull 值传感器 null对于作物 最合适的水肥肥液的 电导率为 nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null故选用液体电导率 传感器 nullnull nullnullnullnull 酸碱度同样作为影响作物生成的因素 系统选用液体 nullnull 值传感器 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null 整体软件框架设计 控制系统的软件包含两个部分 nullnullnullnullnull 单片机控制 器软件设计以及组态串口屏人机交互软件设计 null总体 软件框架图如图 null 所示 null 图 null 控制系统软件设计框图 null 混肥自动灌溉控制器设计 水肥溶液的 nullnull 可融盐 浓度和酸碱度对于作物的 生长影响很大 应保证对应在溶液中的数值占比 nullnullnull null 而该部分也是本研究设计和控制的重点 null nullnull null 水肥电导率控制过程模型 要实现混肥自动灌溉控制 首先要理清楚控制的过 程 null一般情况下 水肥溶液的 nullnull 可溶盐 浓度与水肥 溶液电导率成正比 因此 在进行水肥溶液 nullnull 值的控制 时 可通过控制水肥电导率来实现 null设计将通过建立并 分析电导率的控制过程的动态模型实现电导率的精准 控制 null动态模型如图 null 所示 null同时电导率的控制过程 应满足 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 号肥液的浓度 inull null null null nullnullnullnullnull C S 流 入灌溉水的浓度 nullnullnullnullnull V t 混肥罐内的液体体 积 null Q fi t 吸入 i 号肥液的实际流量 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 出水肥溶液的总流量 null null nullnull C sf t 流出水肥溶液的 浓度 nullnullnullnullnull t null 时滞时间 nullnull 图 null 电导率控制过程动态模型 假设条件 Q sf t null Q s t nullnull null inullnull Q fi t null Q fnull nullQ fnull nullQ fnull nullQ f t null 将式 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 由于肥液浓度数值较大 则式 null 可简化为式 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 即为水肥溶液电导率控制过程的动态表达式 null还 可变形为 V t dE sf tnullt null dt nullnullE f Q fnullnullnull m t nullQ sf t E sf tnullt null nullE S null 由上述情况可知 水肥溶液电导率的控制过程复杂 波 动大 易起伏 不经过优化直接使用无法发挥预期作用 null nullnull null 水肥 nullnull 值控制过程模型 参考上节 可以通过建立一个动态模型对 nullnull 值的 控制过程进行分析 如图 null 所示 null当系统达到动态平衡 时 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 为流出水肥溶液中碱的浓度 nullnullnullnullnull Q a 为流入 酸液的流量 null null nullnull C sfa 为流出水肥溶液中酸的浓度 nullnullnullnull null Q f 为流入肥液的流量 null null nullnull Q s 为流入灌溉水的流量 null null nullnull C a 为流入酸液的浓度 nullnullnullnullnull Q sf 为流出水肥溶液 的总流量 null null nullnull C s 为流入灌溉水的浓度 nullnullnullnullnull C f 为流 入肥液的浓度 nullnullnullnullnull null 为混肥罐内的液体体积 null null null 为 时滞时间 nullnull nullnullnullnull null自动化与仪器仪表 nullnullnullnullnull 年第 null 期 总第 nullnullnull 期 图 null 酸碱度控制过程动态模型 nullnull 值滴定方程可列为式 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 控制过程的输出 变量 K b 弱碱的电离常数 null 式 null null 和式 nullnull 联合即为水肥溶液 nullnull 值控制 的数学模型 null 设置 null null null C sfa null null C sfb null nullnull 根据式 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 算法设计 nullnull nullnull null 模糊 nullnullnull 控制 模糊 nullnullnull 控制 nullnullnullnullnull nullnullnull 可有效结合两种算法的 优势 设计选用双输入模糊控制器 nullnull null 图 null 模糊控制系统结构图 nullnullnull 控制参数的调整公式为 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 为经过 nullnullnull 调节前系统的参数 null nullnull nullnull null nullnullnullnull模糊 nullnullnull 控制器设计 nullnullnull 控制器的参数优劣是决定其控制效果的关键因 素 而 粒 子 群 优 化 算 法 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 在函数的参数优化上有着一定优势 能够使得参数 无限接近于理想值 因此 本研究选择 nullnullnull 算法对 nullnullnull 控制器进行参数优化 null nullnull nullnull nullnull null nullnullnull 算法优化原理 粒子群优化算法 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 用粒子群寻优的方式模拟鸟群觅食 nullnullnullnullnull null粒子优化算 法会模仿鸟群实时调整优化系统的参数 具有操作简 单 容易实现的优点 null而 nullnullnull 算法存在易早熟 null易陷入 局部最优的缺点 nullnullnullnullnull 会给 nullnullnull 控制器的控制效果带来 影响 故应对其进行改进 null nullnull nullnull nullnull null nullnullnull 算法改进 null 惯性权重的优化 合理的惯性权重 w 值有利于克服 nullnullnull 算法易早熟 null 易陷入局部最优的缺点 本研究进行权重调节的方式为 基于适应度动态调节的权重法 惯性权重 w 公式为 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 随机粒子实时的目标函数值 f nullnullnull 粒子群 实时的平均目标值 f nullnullnull 粒子群最小目标值 w nullnullnull w 初始设定的最小值 w nullnullnull w 初始设定的最大值 null 图 null 标准 nullnullnull 算法流程 null 学习因子的优化 学习因子 c null 和 c null 在 nullnullnull 算法中分别代表了粒子个体最 优解以及全局最优解对粒子的影响大小 null在优化过程中 应保证前者减小后者增大 优化过程对应的公式为 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 表示当前迭代次数 null nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull模糊 nullnullnull 控制器设计 通过前文的分析 在模糊控制器的模糊正逆向化过 程中 选择 nullnullnull 算法进行优化 nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制器的 结构图如图 null 所示 null 图 null nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制器结构图 nullnullnullnull 基于 nullnullnullnull 的大棚蔬菜自动喷灌系统研究 陈 萍 等 设计针对 k e nullk ec nullk pnullu nullk inullu nullk dnullu null 个参数进行优化 综 合考虑对系统各方面的影响 寻优目标函数的建立以绝 对误差积分性能指标为参考 表达式为 J nullnullnullnull null null null null t e nullt nullnull 粒子群算法优化模糊 nullnullnull 控制流程图如图 null 所示 null 图 null nullnullnull null 模糊 nullnullnull 控制流程图 null 实验验证 nullnull null 仿真模型构建 通过参数的设定以及传递函数的确定 在 nullnullnullnullnullnull 软件中进行溶液 nullnull 值和 nullnull 值控制器的仿真图的构建 null 设定灌溉水 nullnull 值为 nullnull nullnull nullnullnullnullnull 水肥溶液体积 V nullnullnullnull null 混肥罐出口最大输出流量 Q f null nullnull null nullnullnull 电动球 阀全开时文丘里吸肥量 Q fnullnullnull null nullnull nullnullnull nullnullnull 滞后时间 null null nullnull null 肥料母液的浓度 E f null nullnull nullnullnullnullnullnull 根据水肥溶液浓 度控制模型建立传递函数为 G s null nullnull nullnull nullnull snullnull e nullnullnull s nullnull 基于上式在 nullnullnullnullnullnull 中建立设计的水肥溶液 nullnull 值 控制器仿真图 如图 null 所示 null 图 null 水肥溶液 nullnull 值控制器仿真模型图 实验中 选择浓度为 nullnull null nullnullnullnullnull 的稀盐酸进行 nullnull 值 调节 并设定酸液通道 Q fnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull Q f 为 nullnull null null nullnull nullnull 值为 nullnullnull 系统延迟时间为 nullnullnull通过水肥溶液 nullnull 值的 控制模型 获取对应的开环阶跃响应曲线 得到传递函 数为 G s null nullnull null nullnullnull nullsnullnull e nullnulls nullnull 结合传递函数 在 nullnullnullnullnullnull 中建立水肥溶液 nullnull 值 控制器仿真图 如图 nullnull 所示 null 图 nullnull 水肥溶液 nullnull 值控制器仿真模型图 nullnull null 仿真结果 为验证设计的算法的可行性和性能的优越 在 nullnullnullnullnullnull 中搭建模型进行仿真测试 null在水肥 nullnull 值的仿 真模型中 设置仿真时间为 nullnullnull null k p nullk i nullk d 分别为 nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull 同时将水肥溶液 nullnull 值的目标值设定为 null nullnullnullnullnullnull在不同的控制器下进行仿真 对比图如图 nullnull 所 示 对比表如表 null 所示 null 图 nullnull 水肥溶液 nullnull 值控制模型的仿真结果对比图 表 null 水肥溶液 nullnull 值控制模型的仿真结果对比表 控制方法 最大超调量 稳定时间 null 常规 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 同样对仿真时间以及 控制器初始参数进行设定 设定仿真时间为 null nullnullnull null k p null nullnullnull nullnull k i nullnullnull nullnull k d nullnullnullnullnull nullnull nullnull 值的控制目标设定为 nullnull 得到其对比图如图 nullnull 所示 对比表如表 null 所示 null 图 nullnull 水肥溶液 nullnull 值控制模型的仿真结果对比图 nullnullnullnull null自动化与仪器仪表 nullnullnullnullnull 年第 null 期 总第 nullnullnull 期 表 null 水肥溶液 nullnull 值控制模型的仿真结果对比表 控制方法 最大超调量 稳定时间 常规 nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull 模糊 nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull模糊 nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull 由上述的仿真结果可知 在水肥一体化控制的水肥 可溶盐溶液浓度和酸碱度的控制上 设计采用的粒子群 null 模糊 nullnullnull 算法 能够实现高精度 null高稳定控制 null nullnull null 系统搭建与测试 通过前文的分析可以得知 在实施灌溉时 灌溉输出流 量是影响灌溉过程的主要因素之一 null因此 本研究将在不 同的算法控制下进行不同灌溉输出流量的对比实验 以验 证本研究采取的 nullnullnull null 模糊 nullnullnull 算法的优越性同时 null设置 如表的 null 种灌溉方案 并对相应的参数进行设置 null 表 null 实验灌溉方案设计 灌溉 方案 浓度设定 值 nullnullnullnullnull 酸碱度 设定值 主支阀运 作个数 总输出流量 null null nullnull null nullnull null null null null null nullnull null null null nullnull null nullnull null null null nullnull 测试采用两种类型的控制算法对水肥溶液浓度和 酸碱度进行调控 null测试母液电导率 nullnull nullnullnullnullnull 酸液浓度 nullnull null nullnullnullnullnull 灌溉清水 nullnull 值为 nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull 值为 nullnullnull 将 nullnull 目标值设定为 nullnull null nullnullnullnullnull nullnull 目标值设定为 nullnullnull