無土栽培營養(yǎng)液自動(dòng)控制系統(tǒng)的最佳方案設(shè)計(jì)

■=J最無土栽培營養(yǎng)液自動(dòng)控制系統(tǒng)的最佳方案設(shè)計(jì)摘要：分析了無土栽培養(yǎng)液配比設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，給出設(shè)計(jì)要求表，并確定功能參數(shù)，進(jìn)行功能分析后，建立功能結(jié)構(gòu)，采用形態(tài)學(xué)矩陣法求解出多種方案，經(jīng)加權(quán)評價(jià)后確定最佳自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.關(guān)鍵詞：無土栽培；自動(dòng)控制；方案設(shè)計(jì)；營養(yǎng)液；形態(tài)學(xué)矩陣引言無土栽培是不用土壤栽培植物的一門新興農(nóng)業(yè)高新技術(shù)，它的出現(xiàn)和應(yīng)用使農(nóng)業(yè)種植、特別是非保護(hù)地栽培達(dá)到了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的目標(biāo)，因此受到世界各國，特別是發(fā)達(dá)國家的高度重視01.但無土栽培畢競是農(nóng)業(yè)科技發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物.它的應(yīng)用應(yīng)具備必要的設(shè)備和技術(shù)條件.在我國此項(xiàng)技術(shù)起步較晚，但隨著改革開放和農(nóng)業(yè)種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，無土栽培這一高新技術(shù)也日益受到重視，許多高校和科學(xué)院所相繼開展了這一技術(shù)的研究，但許多關(guān)鍵技術(shù)尚未很的解決.其中營養(yǎng)液的自動(dòng)配液及供液灌溉技術(shù)作為無土栽培技術(shù)的關(guān)鍵需深入研究山.研制適合于我國國情的營養(yǎng)液調(diào)配及供液控制設(shè)備，將是推動(dòng)無土栽培技術(shù)推廣的關(guān)鍵.它的實(shí)現(xiàn)對提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的效益有非常重要的影響.本文首先根據(jù)無土栽培養(yǎng)液配比設(shè)備（自動(dòng)施肥機(jī)）的設(shè)計(jì)要求，建立設(shè)計(jì)要求表，確立總功能，進(jìn)行功能分析后，建立功能結(jié)構(gòu)，采用形態(tài)學(xué)矩陣法求解出多方案，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評價(jià)后確立最佳自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案.設(shè)計(jì)要求及功能結(jié)構(gòu)分析1設(shè)計(jì)要求明細(xì)表無土栽培養(yǎng)液自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)給定的母液（A和B）、酸（堿）及水自動(dòng)配制成含農(nóng)作物所需的營養(yǎng)成分的營養(yǎng)液.同時(shí)應(yīng)滿足農(nóng)作物不同生長階段適時(shí)調(diào)整營養(yǎng)液成分、供給量及供給時(shí)間，從而達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的….如圖l所示，營養(yǎng)液是由母液A、母液B、酸（堿）以及水按一定比例配制而成.其成分的控制參數(shù)是電導(dǎo)率（Ec）和pH值….其中電導(dǎo)率的大小表征溶液的離子濃度.pH值的大小反映溶液的酸堿度.供液控制參數(shù)為時(shí)間，與環(huán)境溫度、濕度及光合作用等具體情況有關(guān).根據(jù)營養(yǎng)液成分控制參數(shù)（Ec、pHJ的控制精度和作物供液時(shí)間要求，參考國外同類設(shè)備的技術(shù)情況.新型自動(dòng)施肥機(jī)的具體設(shè)計(jì)要求如表1.

國1營養(yǎng)裱配液供液票求示意圖圖l營養(yǎng)液配渡供藏要求示意圈表1自動(dòng)施肥機(jī)設(shè)計(jì)要求表設(shè)計(jì).?日名稱t出動(dòng)施肥機(jī)必讓要求精度要求1必詁要求O可配出符合要求ECJ=0.02TH^cm2）可配出符臺要求PH必10.0231按規(guī)定時(shí)間膜慨曲環(huán)埴瑞定4）工作可卑.性能穩(wěn)定驅(qū)?好21>ft許制造員用三4萬元2）主要零件壽命5年33操作高度1.3-】3m4}5m內(nèi)噪聲￡3Cdfc5）￡裝股維修方哽必良3希#1）設(shè)備造價(jià)低、性詭好2J外現(xiàn)置型美F占地面積小小4）可霍JS霍時(shí)配波及毫眠必2功能分析及總功能將以上設(shè)計(jì)要求進(jìn)一步抽象，分析設(shè)計(jì)對象的功能需求，確定出該設(shè)備的總

自動(dòng)配液*摘壓能?標(biāo)淮*配液功能為自動(dòng)配制成符合濃度（Ec）和pH值要求的營養(yǎng)液，并按要求進(jìn)行灌溉.用黑箱理論描述如圖2所示.其中母液A自動(dòng)配液*摘壓能?標(biāo)淮*配液電能 ■母液A,B ?控制信號 圖2自動(dòng)疆肥機(jī)的技術(shù)系境與界境1功能結(jié)構(gòu)建立功能結(jié)構(gòu)的建立是把總功能分解為子功能的過程，即加寬或細(xì)化黑箱的過程.將總功能分解為若干子功能，子功能間的關(guān)系即形成功能結(jié)構(gòu).此系統(tǒng)中由驅(qū)動(dòng)元件提供能量給執(zhí)行元件，并由系統(tǒng)器件控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的轉(zhuǎn)換，信號流通過能量流來控制物料流以實(shí)現(xiàn)按一定比例配液.自動(dòng)施肥機(jī)的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示.陽j陽j自讖掩肥帆的功酣單構(gòu)2方案設(shè)計(jì)將功能結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變異.改變各子功能的組合次序或連接方式，并匹配于適合的物理元件就產(chǎn)生了具體設(shè)計(jì)方案.將各功能元分別匹配于可能的物理元件構(gòu)成一形態(tài)學(xué)矩陣6“（見表2）.1多方案產(chǎn)生總功能可姒分解為7個(gè)功能元，根據(jù)“發(fā)散”思維的原則尋求各功能元解，得到多種方案組合，共3X2X2X2X3x3X3=648種.根據(jù)設(shè)計(jì)要求對多個(gè)方案篩選，剔除與設(shè)計(jì)要求明顯不符的方案，如方案九-B-c。.D：.B.F：_G..?工控機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)功能卡及接口，不能直接控制B：時(shí)間繼電器，D：定量比泵國內(nèi)無成型產(chǎn)品，所以經(jīng)篩選最終得到以下3種有應(yīng)用價(jià)值的優(yōu)選方案-方案lA：.B：.c。.D。.E..F，.Q；方案2：A：.Brc：-D--bF：-G，；方案3：A一一B；。c：‘D，。E：。F1-G：^2自動(dòng)施肥機(jī)形態(tài)學(xué)矩陣功能冗劫催無解L * ， __A主栓單元工控機(jī)專用畢片機(jī)系籠PLCB控制單元固盛型電器時(shí)間墨電器C秘示南元液晶顯示數(shù)叫管顯示D執(zhí)行機(jī)樹電襁冏定量比至疏藕電俄苗電根憐愚舞褐子計(jì)FPH檢耕復(fù)合電根匿布場電極桁!?器祺成枕微電子岐-密耕件G潭劫才成機(jī)械電氣_推壓3最佳方案的確定方案評價(jià)是選取最佳方案的依據(jù).方案的評價(jià)方法有多種.如經(jīng)驗(yàn)評價(jià)法、數(shù)學(xué)分析法和試驗(yàn)評價(jià)法等.其中數(shù)學(xué)分析法應(yīng)用較廣.本設(shè)計(jì)采用數(shù)學(xué)分析法中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評價(jià)法，由目標(biāo)加權(quán)系數(shù)分配樹確定加權(quán)系數(shù)〃，方案評分采用lo分制，評分表如表3.圖4目標(biāo)加權(quán)系數(shù)分配尉

表七自動(dòng)施肥粗加權(quán)法評分表 工柞可靠成*M性坑干睥蛭占堪少卻杖系數(shù)湘為】時(shí)知力E劇目標(biāo)加帆仲。齡0,15OJfa.isO.L0dioF-=10片案1&*86?4W,t622A051.2O.'T0.4打*245a766&廣好5松0.75u105g心弟方案3*g1.67i.<T51.2126*7￡研=，55^H-0.侄祜l 技術(shù)禪的桶標(biāo)的評M 容技木評價(jià)指棟的in秘系麒，?S.-1：仁_、高甘慎（?i]o^）t陽一廳案的技術(shù)協(xié)嵋=￡責(zé)沖5況責(zé)，方案的技術(shù)價(jià)由上式計(jì)算而得，方案的各項(xiàng)評分值加權(quán)平均，所得技術(shù)價(jià)彬越高，說明該方案可計(jì)算出各方案的技術(shù)價(jià)形.由分析結(jié)果可知方案3技術(shù)價(jià)最古t因通過對各項(xiàng)目的評價(jià)，可計(jì)算出各方案的技術(shù)圖形由分忻可知此為最佳方案，從而可得到控制方案框圖（圖5）-4結(jié)論本文通過分析無土栽培營養(yǎng)液自控設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，建立了該設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)，并由形態(tài)學(xué)矩陣法求得多個(gè)方案解.利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評價(jià)得出最佳設(shè)計(jì)方案.在此方案中，通過營養(yǎng)液濃度、pH值檢測，并對采集的信號放大、轉(zhuǎn)換處理，由主控單元（工控機(jī)）實(shí)現(xiàn)控制決策，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各功能參數(shù)的控制.設(shè)計(jì)結(jié)果表明，按此方案設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)工作可靠，自動(dòng)化程度、生產(chǎn)率等方面都具有優(yōu)良的特性，較好的滿足了設(shè)計(jì)要求.托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托晉物聯(lián)網(wǎng)開創(chuàng)智慧農(nóng)業(yè).專業(yè)解決畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)、大田神植智能管理系統(tǒng)、花卉種植控制系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品安全溯源、溫室大棚智能控制等.卜網(wǎng)址：附時(shí).比叩餉.comwiw.agri50.corn^衣業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案皆詢，H255718723 0571-E19.5726086056609^托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個(gè)層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、 傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個(gè)園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、 終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。3、 視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長狀況。4、 預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、 溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作