營養(yǎng)液是陽臺無土栽培蔬菜生長的重要環(huán)節(jié),當前蔬菜營養(yǎng)液控制技術較成熟的大型農(nóng)業(yè)施肥系統(tǒng),注重對被控對象營養(yǎng)液的研究,忽略光照強度、溫濕度、CO_2濃度和蔬菜品種等外部因素對系統(tǒng)的作用和擾動,存在參考輸入不能依據(jù)環(huán)境和蔬菜生長天數(shù)等因素變化動態(tài)調(diào)整、輸出易產(chǎn)生超調(diào)、響應時間不穩(wěn)定和易受外部環(huán)境因素擾動等問題,往往較難在城鎮(zhèn)居民小型陽臺蔬菜機中推廣應用。針對上述問題,本文設計一種陽臺蔬菜機營養(yǎng)液自適應控制系統(tǒng),由營養(yǎng)液預估和模型參考EC(Electric Conductivity)和pH(酸堿度)自適應解耦控制兩個子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)可根據(jù)溫濕度、光照強度和蔬菜品種等參數(shù)預估出最佳EC和pH值,并依據(jù)該預估值實現(xiàn)對營養(yǎng)液的自適應控制;設計蔬菜機人機交互界面,實現(xiàn)蔬菜系統(tǒng)參數(shù)同步顯示、語音播報以及手動添加營養(yǎng)液等功能。本文主要工作如下:(1)營養(yǎng)液控制系統(tǒng)方案設計。根據(jù)陽臺蔬菜種植機結構特點和需求分析,選用電極型EC和pH傳感器采集營養(yǎng)液的參數(shù)值,采用直流型蠕動泵、攪拌泵和循環(huán)泵作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構;利用光照強度、溫濕度和CO_2濃度傳感器采集陽臺環(huán)境參數(shù),在云服務器上實現(xiàn)對營養(yǎng)液的預估。(2)營養(yǎng)液控制系統(tǒng)硬件設計與測試。選擇STM32作為陽臺蔬菜機微控制器,設計蠕動泵驅(qū)動電路、EC和pH放大電路等各模塊接口電路;同時為了提升蔬菜機處理數(shù)據(jù)實時性、娛樂和人機交互性,給微控器移植FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)和emWIN圖形界面庫;最后通過綜合電路設計搭建系統(tǒng)硬件測試平臺,驗證了通信、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示等系統(tǒng)的可行性。(3)蔬菜營養(yǎng)液預估子系統(tǒng)設計。針對不同地域、蔬菜品種和陽臺環(huán)境下蔬菜最適營養(yǎng)液EC和pH差異較大和人工較難準確預估的問題,采用改進的Canopy-Kmeans聚類和SVM模型算法預估出蔬菜機營養(yǎng)液控制系統(tǒng)設定值;對陽臺蔬菜機實驗樣本數(shù)據(jù)集進行仿真驗證,營養(yǎng)液EC和pH的預估的最大誤差分別為4.17%和3.80%。(4)模型參考EC和pH解耦自適應控制子系統(tǒng)設計。針對營養(yǎng)液控制中EC和pH耦合、陽臺環(huán)境變化等外部因素使系統(tǒng)存在營養(yǎng)液數(shù)學模型參數(shù)波動、母液與水混合過程中系統(tǒng)易產(chǎn)生強非線性、時變性等問題,通過實驗法和物料守恒定律,首先建立母液AB與EC、母液C與pH等4種系統(tǒng)數(shù)學模型,并設計EC和pH對角解耦矩陣;依據(jù)系統(tǒng)最短響應時間(40s)、過程無超調(diào)等期望輸出,設計系統(tǒng)理想?yún)⒖寄Ｐ?應用模型參考自適應理論分別設計了系統(tǒng)EC和pH兩參量的自適應律和控制律;最后研究外部環(huán)境變化對系統(tǒng)的擾動過程,仿真驗證系統(tǒng)的跟隨特性、魯棒性和輸出特性。綜合實驗測試表明,該陽臺蔬菜機營養(yǎng)液自適應控制系統(tǒng)能夠依據(jù)地域、蔬菜種類和陽臺環(huán)境等參數(shù)預估出蔬菜機最適EC和pH,可在40s左右達到達穩(wěn)定狀態(tài),EC控制誤差±0.1mS/cm,pH控制誤差為±0.1,利于家庭陽臺蔬菜科學化種植。對推廣到中、大型無土栽培農(nóng)業(yè)設施中具有一定的參考價值。
【學位單位】：陜西科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP273;S63
【部分圖文】：

長產(chǎn)生一定的影響。在此背景下，當前針對水培陽臺蔬菜的營養(yǎng)液控動配制，忽略蔬菜在不同環(huán)境、不同生長階段下對營養(yǎng)液需求的差異周期較長。這就迫切需要設計一種營養(yǎng)液控制系統(tǒng)，可以針對陽臺環(huán)定性自動預估并自動調(diào)節(jié)蔬菜機的營養(yǎng)液，使蔬菜的生長保持最佳狀能家居的一種裝備，其整體運行過程需要對其運行參數(shù)等系統(tǒng)信息進音播報，同時也需具備供手動調(diào)節(jié)和控制的功能，故需要設計一種友口來滿足上述需求。 系統(tǒng)總體方案設計陽臺蔬菜機營養(yǎng)液控制系統(tǒng)主要是針對家用梯架式水培陽臺蔬菜機進蔬菜機一般處于城鎮(zhèn)樓房封閉或者開放式陽臺中，陽臺面積一般為 4于室內(nèi)環(huán)境中，可接收外界環(huán)境的光照等。本文研究的對象為梯架式如圖 2-1 所示，其由 PVC-U 管組合而成，水平管道直徑為 8 cm,分為 1 m，每層的管道長度為 0.9 m,每層管道可以種植 9 株蔬菜，每株蔬蔬菜機占地面積為 0.09 m2。

圖 2-3 營養(yǎng)液自適應控制系統(tǒng)組成示意圖omposition diagram of nutrient solution adaptiv統(tǒng)設計營養(yǎng)液控制系統(tǒng)提供營養(yǎng)液 EC 和 pH 值系統(tǒng)微控器采集陽臺光照強度、CO2濃顯示屏顯示，另一方面通過 WiFi 模塊，預估子系統(tǒng)，將結合陽臺蔬菜機環(huán)境參數(shù)養(yǎng)液進行綜合預估，給出當前環(huán)境和生長時傳回微控器，顯示在液晶顯示屏上和作

圖 2-3 營養(yǎng)液自適應控制系統(tǒng)組成示意圖mposition diagram of nutrient solution adaptive cont設計養(yǎng)液控制系統(tǒng)提供營養(yǎng)液 EC 和 pH 值的參系統(tǒng)微控器采集陽臺光照強度、CO2濃度和示屏顯示，另一方面通過 WiFi 模塊，將信估子系統(tǒng)，將結合陽臺蔬菜機環(huán)境參數(shù)、蔬液進行綜合預估，給出當前環(huán)境和生長狀態(tài)傳回微控器，顯示在液晶顯示屏上和作為營

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