蘇州大學機電工程學院 管 理

針對植物生長環(huán)境的復雜性，結(jié)合植物生長特性，本文基于LabVIEW平臺建立了植物生長環(huán)境檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對于提高單位面積的耕地作物產(chǎn)物、實行立體式的種植以及利用家庭庭院、室內(nèi)種植等具有重要指導意義。

隨著人民生活水平的提高，人們越來越注重蔬菜瓜果的品質(zhì)。一方面是工業(yè)化和城市化所導致的耕地面積減少，一方面又要保障菜籃子安全，讓人民吃上“放心菜”，這一全球糧食問題要求我們突破傳統(tǒng)的種植方式。目前，植物的栽培主要依賴于人工，針對此問題本研究在植物工廠概念的基礎上，設計出一套植物生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了植物工廠的自動控制。

1 植物工廠影響因子分析

植物工廠采用封閉式的立體結(jié)構(gòu)對植株進行栽培，不同的環(huán)境因素對植物生長的影響差別很大，下面對植物工廠中的環(huán)境因素進行分析。

（1）溫度對植物的影響

溫度對植物的生長有著至關重要的作用，植物的光合作用和呼吸作用要求溫度在合適的范圍內(nèi)才能達到最大生長效率。一般植物生長的最適溫度為20-30℃。

（2）濕度對植物的影響

植物工廠內(nèi)的濕度影響植物的蒸騰作用，空氣中的相對濕度過大，則會引起植物病害的發(fā)生。一般空氣相對濕度在20%到50%時能使植物長勢良好。

（3）對植物的影響

作為光合作用的原料，能提高光合作用的效率。空氣中的含量過高，會抑制光合作用，使植物“窒息”停止光合作用。一般植物進行正常生理活動的為1000ppm。

（4）光照強度對植物的影響

光照強度影響著植物生長速度及生長形態(tài)，植物的光合作用隨著光照強度的升高而增強，合理調(diào)控光照強度的大小，光照周期對植物生長具有重要意義。

（5）營養(yǎng)液對植物的影響

營養(yǎng)液直接影響植物生長的質(zhì)量，合理的營養(yǎng)液溫度、最優(yōu)的酸堿度配比是植物生長的基礎。對于植物在生長過程中出現(xiàn)長勢弱化的現(xiàn)象，可以通過對營養(yǎng)液中某一元素的調(diào)整來改變植物的生長趨勢。

2 植物工廠系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)功能設計

如圖1所示，植物工廠系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機交互模塊、電源模塊、輸出執(zhí)行機構(gòu)組成。傳感器模塊能夠?qū)χ参锕S內(nèi)的環(huán)境進行檢測，通過變送器將信號轉(zhuǎn)化為標準信號送控制器處理。通過控制器的分析決策，對輸出模塊進行調(diào)節(jié)，使環(huán)境因素達到植物生長的最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)對種植環(huán)境的自動化管理并通過WiFi模塊接入云平臺，基于Labview編程搭建一套對植物工廠的遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)功能圖

2.2 控制系統(tǒng)算法分析

模糊控制不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，就能簡單的設計出系統(tǒng)的控制方式。在植物工廠系統(tǒng)中，環(huán)境參數(shù)的時變性和復雜性使得其模型很難建立，應用模糊控制可以方便的對系統(tǒng)進行控制。如圖2所示，本系統(tǒng)把溫度、濕度、光照強度、營養(yǎng)液濃度作為模糊控制的輸入端，將濃度作為輸出，實現(xiàn)對濃度的精準控制。

圖2 模糊控制原理圖

2.3 控制系統(tǒng)工作方式

控制器的采樣周期為10s，采用卡爾曼濾波對采樣數(shù)據(jù)進行處理，再根據(jù)模糊控制模型對植物工廠內(nèi)的輸出執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)控。

補光模塊采用RGBW多色光LED光源實現(xiàn)可控光譜的補光方案，通過控制多色LED燈珠的紅綠藍白單元的驅(qū)動電流，在植物生長的不同階段調(diào)整補光光譜，促進植物生長或結(jié)果，提高單位產(chǎn)量。

灌溉控制器控制水分的失散，使土壤水分含量保持在合適有效范圍內(nèi)，農(nóng)作物的灌溉水量由植物蒸發(fā)散量和土壤水分散發(fā)量所決定。根據(jù)不同生長周期植物的需求量和特定的生長環(huán)境因素，在不同時段內(nèi)設置土壤水分張力的上限和下限，當土壤處于張力下限時，控制器控制水泵出水，從而實現(xiàn)定量不定時灌溉管理。

3 基于LABVIEW的上位機系統(tǒng)

通過對植物生長發(fā)育的深入研究，在實驗室中模擬出了一個小型的植物生長系統(tǒng)，圖3為電腦端軟件設計。本系統(tǒng)采用LabVIEW軟件設計和數(shù)據(jù)采集卡的硬件設計相結(jié)合，搭建了植物生長環(huán)境測量系統(tǒng)。

圖3 電腦端軟件設計

總結(jié)與展望：本文基于Labview設計了一套植物工廠的檢測系統(tǒng)，對于植物工廠智能控制，實現(xiàn)植物工廠普及具有重要意義。在控制方式上選擇模糊控制，智能化程度不高，可以引入神經(jīng)網(wǎng)絡對系統(tǒng)進行控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；同時，可以建立植物數(shù)據(jù)庫，對缺乏農(nóng)業(yè)知識的使用者提供便利。