设施蔬菜智慧生产中智能灌溉控制系统研究

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本文依托“天津市农业科技成果转化推广项目”、“天津市科技计划项目”和“天津市农业科学院青年科研人员创新研究与实验项目”。主要针对传统设施蔬菜种植中,由于灌溉技术落后导致的水资源利用系数低,灌溉精度差,灌溉效果不理想等问题。在分析设施农业灌溉现状的基础上,融合了无线通信技术、人工智能技术、数据库技术设计了一套设施蔬菜智能灌溉控制系统。该系统旨在提高设施蔬菜的灌溉技术,实现智能化的农田灌溉。在分析总结了国内外多种农田灌溉控制系统的基础上,结合设施蔬菜灌溉的需求后,提出了以土壤水势(soil water potential,SWP)为控制目标的灌溉系统设计方案,基于软硬件平台和模糊专家控制方法设计了智能灌溉控制系统,并提出了最佳控制目标的寻求方法。首先,设计了土壤水势分布式采集和监控系统,系统采用了电子式土壤水势测量仪,433 MHz无线数据传输单元实现数据传输,组成分布式采集网络的感知节点,实时将农田土壤水势数据传输至现场集控中心,现场集控中心包括有现场集控计算机和PLC等。现场集控计算机通过My SQL数据库将数据传输至云端,实现了root用户的远程监控。系统可以通过以太网口或智能远程控制终端GRM500,和现场执行控制机构PLC进行通信,实现相关操作。其次,提出了基于AHP(层次分析法)和熵权法的模糊综合评判法,实现最佳控制目标的寻优。以黄瓜这种典型蔬菜为例,为得到不同蔬菜的生长的最佳灌溉指标,进行了水分胁迫生长的探索研究。得到了不同水分梯度下黄瓜的耗水指标、生长指标、生理指标和品质指标,归纳出适合黄瓜生长的最佳土壤水势,为实现智慧灌溉作了基础性工作。再次,以土壤水势作为控制目标,采用模糊专家控制生成了系统的控制策略。并在大量的灌溉经验基础上结合专家的灌溉建议,以自然语言的形式表现在控制规则上。设计了知识库、综合数据库和知识获取机构,选择双输入单输出型模糊控制器作为推理机,即选取了实时土壤水势与理想水势差值(E)和差值变化率(EC)作为输入量,最佳灌溉时长(U)作为输出量,在Lab VIEW平台上设计实现。为验证模糊控制器的控制效果,与传统灌溉方式进行了田间对比试验,验证了该控制策略的合理性和可行性。为了提高系统的人机交互能力,现场集控中心采用Lab VIEW软件对管理平台进行开发,建立了Lab VIEW与My SQL数据库和PLC的通讯连接,并对PLC功能进行了设计。实际应用中控制系统数据采集及时准确,传输稳定,满足性能指标和设计要求,对不同类型的土壤都具有较强的适应性。
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