蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 管 理

針對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，結(jié)合植物生長(zhǎng)特性，本文基于LabVIEW平臺(tái)建立了植物生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)于提高單位面積的耕地作物產(chǎn)物、實(shí)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(dǎo)意義。

隨著人民生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)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(dǎo)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(wèn)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(lài)于人工，針對(duì)此問(wèn)題本研究在植物工廠(chǎng)概念的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套植物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了植物工廠(chǎng)的自動(dòng)控制。

1 植物工廠(chǎng)影響因子分析

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

（1）溫度對(duì)植物的影響

溫度對(duì)植物的生長(zhǎng)有著至關(guān)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(dá)到最大生長(zhǎng)效率。一般植物生長(zhǎng)的最適溫度為20-30℃。

（2）濕度對(duì)植物的影響

植物工廠(chǎng)內(nèi)的濕度影響植物的蒸騰作用，空氣中的相對(duì)濕度過(guò)大，則會(huì)引起植物病害的發(fā)生。一般空氣相對(duì)濕度在20%到50%時(shí)能使植物長(zhǎng)勢(shì)良好。

（3）對(duì)植物的影響

作為光合作用的原料，能提高光合作用的效率?？諝庵械暮窟^(guò)高，會(huì)抑制光合作用，使植物“窒息”停止光合作用。一般植物進(jìn)行正常生理活動(dòng)的為1000ppm。

（4）光照強(qiáng)度對(duì)植物的影響

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

（5）營(yíng)養(yǎng)液對(duì)植物的影響

營(yíng)養(yǎng)液直接影響植物生長(zhǎng)的質(zhì)量，合理的營(yíng)養(yǎng)液溫度、最優(yōu)的酸堿度配比是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。對(duì)于植物在生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)長(zhǎng)勢(shì)弱化的現(xiàn)象，可以通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中某一元素的調(diào)整來(lái)改變植物的生長(zhǎng)趨勢(shì)。

2 植物工廠(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

如圖1所示，植物工廠(chǎng)系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機(jī)交互模塊、電源模塊、輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。傳感器模塊能夠?qū)χ参锕S(chǎng)內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)變送器將信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送控制器處理。通過(guò)控制器的分析決策，對(duì)輸出模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，使環(huán)境因素達(dá)到植物生長(zhǎng)的最優(yōu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種植環(huán)境的自動(dòng)化管理并通過(guò)WiFi模塊接入云平臺(tái)，基于Labview編程搭建一套對(duì)植物工廠(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，就能簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的控制方式。在植物工廠(chǎng)系統(tǒng)中，環(huán)境參數(shù)的時(shí)變性和復(fù)雜性使得其模型很難建立，應(yīng)用模糊控制可以方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。如圖2所示，本系統(tǒng)把溫度、濕度、光照強(qiáng)度、營(yíng)養(yǎng)液濃度作為模糊控制的輸入端，將濃度作為輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)濃度的精準(zhǔn)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(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再根據(jù)模糊控制模型對(duì)植物工廠(chǎng)內(nèi)的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。

補(bǔ)光模塊采用RGBW多色光LED光源實(shí)現(xiàn)可控光譜的補(bǔ)光方案，通過(guò)控制多色LED燈珠的紅綠藍(lán)白單元的驅(qū)動(dòng)電流，在植物生長(zhǎng)的不同階段調(diào)整補(bǔ)光光譜，促進(jìn)植物生長(zhǎng)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(zhǎng)周期植物的需求量和特定的生長(zhǎng)環(huán)境因素，在不同時(shí)段內(nèi)設(shè)置土壤水分張力的上限和下限，當(dāng)土壤處于張力下限時(shí)，控制器控制水泵出水，從而實(shí)現(xiàn)定量不定時(shí)灌溉管理。

3 基于LABVIEW的上位機(jī)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的深入研究，在實(shí)驗(yàn)室中模擬出了一個(gè)小型的植物生長(zhǎng)系統(tǒng)，圖3為電腦端軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，搭建了植物生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)。

圖3 電腦端軟件設(shè)計(jì)

總結(jié)與展望：本文基于Labview設(shè)計(jì)了一套植物工廠(chǎng)的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于植物工廠(chǎng)智能控制，實(shí)現(xiàn)植物工廠(chǎng)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(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；同時(shí)，可以建立植物數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)缺乏農(nóng)業(yè)知識(shí)的使用者提供便利。