本研究所用施肥机的实物如图1所示, 结构图如图2所示。整个系统以混合罐为反应中心, 共有4个输入和1个输出。输入分别为营养液VA液、VB液、VC液和灌溉水, 输出为反应混合后的肥水, 由灌溉施肥泵加压送至植株根部。营养液VA液、VB液和VC液经由蠕动泵注入混合罐, 由蠕动泵的开启时间可得知各种营养液实际的注入量。检测通道由2组pH值、EC值传感器并联组成, 用于检测混合好的营养液的pH值、EC值。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 阳台蔬菜机实物图Fig.1 Physical map of balcony vegetables fertilizer applicator

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 施肥EC值、pH值调节过程示意图 1, 蠕动泵; 2, 补水开关; 3, 控制盒; 4, 搅拌泵; 5, 施肥泵; 6, EC值、pH值传感器; 7, 水培植物; 8, 带液位指示的浮球开关; 9, 混合罐Fig.2 Schematic diagram of EC value and pH adjustment 1, Peristalsis pump; 2, Water switch; 3, Control box; 4, Mixing pump; 5, Fertilizer pump; 6, EC value, pH value sensor; 7, Water culture plants; 8, Floating ball switch with level indicator; 9, Mixing tank

为了提高传感器测量的精度, 降低过程干扰对参数测量结果的影响, 将一组pH值、EC值传感器用于测量, 另一组pH值、EC值传感器用于校正。具体过程如下:在采样时刻分别采集进水和出水2个通道的传感器测量值, 对2个测量值求差, 若差值在正常范围内则判定该次有效, 并以2个测量值的平均值作为本次采集值, 否则产生报警信号。

基于云模型推理的施肥机pH和EC值解耦控制系统的硬件整体示意图如图3所示。STC芯片外围电路简单, 片上资源已经可以满足施肥机需求, 其低成本、低功耗的特点适合于本研究设计的自动施肥灌溉测控系统。采取STC15F2K60S2作为主控器, 与外围电路相连接, 采用HMI串口屏实现人机交互操作界面。用户只需接上电源, 按照界面提示选择种植的蔬菜一键种植即可。如果用户自己有种植经验, 也可以按照自己的意愿手动操作开启或关闭各类泵, 实现肥液pH值和EC值的手动调节。串口屏上可实时显示当前温度、光照度、pH值和EC值以及种植天数等信息, 供用户查看。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 施肥机硬件电路设计Fig.3 Hardware circuit design of fertilizer applicator

阳台蔬菜机。本文以某公司生产的阳台蔬菜机作为控制对象。蔬菜机上包含有肥水混合罐, 水体总容量约10 L, 用以混合营养液, 供给水培植物根部吸收。

蠕动泵, 选取kamoer微型水泵3 V直流电机, 流速为5.2 mL· min^-1, 用以将酸液和营养液缓慢加入混合灌中, 给植物提供适宜的生长环境和营养供给。

搅拌泵, 选取直流12 V供电, 0.5 m扬程功率为2 W的小型普通水泵, 主要功用是当营养液加入后开启搅拌泵, 使肥水充分搅拌混合, 防止结晶。

施肥泵, 选取直流12 V供电, 2 m扬程20 W大功率普通水泵, 肥水混合均匀后由施肥泵将肥水送至植物根部供给吸收, 实现肥水循环。

EC值传感器, 选用陆恒生物生产的工业在线电导率仪探头EC计电导率仪电极耐高温不锈钢传感器, 通过检测肥水中EC值来观测营养物质含量是否达到植物生长需求, 实现营养液的合理供给。

pH值传感器, 选用陆恒生物生产的标准BNC接口DJS-1C电极pH传感器, 检测肥水中的pH值是否适宜植物生长, 为水培植物成长构建适宜的环境。

水培植物, 通过对植物生长状况的记录, 与不采用该云模型的控制器培育的植物生长状况进行比照。

控制盒, 搭载云模型控制器解耦算法设计, 分析处理采集到的传感器数据, 控制植物生长肥水的pH值及EC值, 使植物生长在适宜的营养供给环境下。

云模型控制器主要由量化因子模块、云模型映射模块和驱动因子模块3部分组成。本系统中, 施肥机通过EC和pH传感器获得EC值和pH值, 将其与期望设定值的误差通过量化因子归一化处理后作为上述云模型映射器的定量输入, 将云模型推理规则映射输出的定量值通过驱动因子转化为蠕动泵的开启时间, 从而实现施肥机的肥水控制。

植物不同阶段对于营养物质需求不同, 加之温度、湿度、光照强度还有植物对水分吸收和蒸发散失水分等因素都对施肥过程有较大影响; 因此, 本研究应用正态云模型推理方法综合各类因素进行相关推理, 使营养成分维持在正常范围内。由于EC值与pH值之间存在耦合关系, 随着EC值的不断变化, pH值亦会随之发生波动, 这时仅仅依靠云模型推理是无法解决二者耦合关系的, 因此, 系统设计还需要考虑EC值与pH值间的耦合关系并进行解耦处理, 从而使EC值和pH值控制在规定值范围内。图4为pH值和EC值的云模型控制器解耦控制方框图。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 pH值和EC值云模型控制器解耦控制方框图Fig.4 Block diagram of decoupling control process of pH and EC cloud model controller

由于施肥过程中EC值和pH值的调节不仅相互影响, 还受众多不确定性因素的影响, 如:VA、VB、VC液必须等充分搅拌全部溶解才能加入第二种肥料, 否则过程中可能会发生溶液结晶、沉淀等, 从而导致一种营养液加入完成等待另一种营养液加入后的EC值和pH值并未按照设定值来变化; 植物本身对营养物质的吸收; 温度、湿度和光照等因素对溶液EC值和pH值的影响。故此, 本研究在推理系统中引入云模型的概念。云模型是一种定性概念与其定量表示之间的不确定性转换模型, 可同时反映所描述对象的模糊性和随机性。

本研究控制pH值和EC值的准则是调节量越接近设定值, 相关蠕动泵的开启时间越小。本研究的重点是处理pH和EC的解耦控制, 因此, 对于外界环境因素的影响在本研究中暂忽略不计, 即采用一维多规则云模型映射推理函数, 通过理论分析并结合对控制系统的研究, 建立施肥机pH值和EC值控制云模型系统的控制规则。规则中显示模糊语言值, 利用云模型将模糊语言值表达的定性知识转化为对象的定性知识。规则云模型推理过程:取L=5(L为规则数), 定义输入云模型集合、输出云模型集合。设pH调节值和EC调节值的输入云模型集合A论域为S=[-1, 1], 营养液和酸液的输出云模型集合B论域为W=[-1, 1]。

A1=“ 偏差负大” =(-1, 0.2, 0.001);

A2=“ 偏差负小” =(-0.5, 0.2, 0.001);

A3=“ 偏差为零” =(0, 0.2, 0.001);

A4=“ 偏差正小” =(0.5, 0.2, 0.001);

A5=“ 偏差正大” =(1, 0.2, 0.001)。

B1=“ 控制量负大” =(-1, 0.2, 0.001);

B2=“ 控制量负小” =(-0.5, 0.2, 0.001);

B3=“ 控制量为零” =(0, 0.2, 0.001);

B4=“ 控制量正小” =(0.5, 0.2, 0.001);

B5=“ 控制量正大” =(1, 0.2, 0.001)。

定义一维云模型推理规则, 表示如下:

If A=A_i, then B=B_i。

在一总容积为500 mL的纯净水溶液中分别添加营养液调节EC值和酸液调节pH值, 观察两者之间的变化关系, 实验环境温度为18.8 ℃, 数据记录见表1和表2。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 调节EC值对pH值的影响 Table 1 Effect of EC value adjustment on pH value 营养液滴入量 Addition of nutrient solution/mL EC/(mS· cm-1) pH 营养液滴入量 Addition of nutrient solution/mL EC/(mS· cm-1) pH 0 0.41 7.75 14 3.60 6.41 1 0.68 7.30 15 3.80 6.36 2 0.92 6.88 16 3.99 6.29 3 1.16 6.84 17 4.23 6.28 4 1.38 6.74 18 4.42 6.26 5 1.61 6.72 19 4.62 6.24 6 1.84 6.67 20 4.81 6.20 7 2.07 6.64 25 5.76 6.15 8 2.30 6.60 30 6.68 6.07 9 2.53 6.60 40 8.43 5.95 10 2.74 6.58 45 9.27 5.91 11 2.95 6.54 48 9.74 5.90 12 3.18 6.48 49 9.89 5.90 13 3.39 6.46 50 9.99 5.88

表1 调节EC值对pH值的影响 Table 1 Effect of EC value adjustment on pH value

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 调节pH值对EC值的影响 Table 2 Effect of pH value adjustment on EC value 营养液滴入量 Addition of nutrient solution/mL pH EC/(mS· cm-1) 营养液滴入量 Addition of nutrient solution/mL pH EC/(mS· cm-1) 0 7.44 0.45 12 2.71 1.16 1 7.3 0.46 13 2.65 1.27 2 7.06 0.46 14 2.60 1.41 3 6.70 0.49 15 2.54 1.55 4 6.46 0.50 16 2.51 1.68 5 6.21 0.52 17 2.46 1.81 6 6.02 0.53 18 2.42 1.98 7 5.59 0.54 19 2.38 2.10 8 3.56 0.62 20 2.33 2.24 9 3.09 0.74 25 2.25 2.96 10 2.90 0.88 30 2.17 3.67 11 2.79 1.01 40 2.04 5.02

表2 调节pH值对EC值的影响 Table 2 Effect of pH value adjustment on EC value

一般灌溉用水的EC值要求< 0.8 mS· cm^-1, 植物生长最理想的EC值通常在1.2~1.8 mS· cm^-1之间, 最高不宜超过2.5 mS· cm^-1。大多数花卉植物生长最适宜的pH值范围在5.5~6.5之间, 因为在这个范围内有效养分含量最高, 有利于植物吸收利用。采集使EC值从0~3 mS· cm^-1变化的营养液添加量, 以及相对应的pH值变化数据进行曲线拟合, 如图5所示。另采集不同酸液添加量下溶液pH值与EC值相应变化的数据进行曲线拟合, 如图6所示。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 营养液添加量对EC值和pH值的影响Fig.5 Effect of nutrient solution addition on EC and pH value

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 酸液添加量对pH值和EC值的影响Fig.6 Effect of acid addition on pH and EC value

由实验数据可知二者之间存在耦合关系:

Y₁₁=0.23X₁+0.45;

Y₁₂=-0.0037 X13+0.075 X12-0.49X₁+7.7;

Y₂₁=-0.031 X22-0.14X₂+7.5;

Y₂₂=0.00094 X23-0.0082 X22+0.029X₂+0.44;

Y₁=Y₁₁+Y₂₂;

Y₂=Y₁₂+Y₂₁。