一种智能雾化栽培系统及其控制方法与流程

本发明涉及属于智能雾化栽培领域，具体涉及一种智能雾化栽培系统及其控制方法。

背景技术：

在传统土壤栽培中，尤其是设施栽培下，由于作物连作导致土壤中土传病虫害的大量发生，盐分积聚，养分失衡等已成为农业可持续生产中的难题，而雾化栽培可根本上解决土壤连作障碍的问题。加上我国是一个农业大国，人多地少，耕地面积逐年减少同时，随着工业化，城市化进程的不断加快，退耕还林工程的实施，“人增地减”的矛盾将愈加严重。在传统的土壤栽培中，肥料平均利用率仅有30％-40％；而雾化栽培根据植物的生长特性，在相应智能控制下可大幅提高养分利用率，雾化栽培摆脱了土壤的约束，采用立柱式雾培，可提高土壤利用率。为了更好地实现雾化栽培，必须结合控制系统进行科学的栽培，在根系内部温湿度传感器、根系外部温湿度传感器、营养液ph传感器、液位传感器、光照强度传感器、根系内部二氧化碳传感器、根系外部二氧化碳传感器检测下，根据与相应植物的生长特性进行对比，合理地科学地进行调节植物生长环境，为了实现在线智能无土栽培，本发明提供了一种智能在线植株根系检测及雾化栽培系统，本发明不仅克服土壤栽培病害虫，水肥利用率低，占地面积大等缺点，而且在相应传感器采集控制下，实现在线检测植株根系生长状态，智能自动地进行控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种智能雾化栽培系统及其控制方法，以满足城市居民能在自家阳台上利用智能雾化栽培技术，经济有效地实现智能蔬菜雾化栽培。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种智能雾化栽培系统，其特征在于，包括栽培器、第一控制器、第二控制器，所述栽培器包括双层营养液池、培养皿和定植杯，所述营养液池上层为贮液室、下层为雾化室，所述贮液室和雾化室通过液位自动开关连接，所述雾化室通过主气管与培养皿相通，所述各个培养皿上面有日光灯，所述日光灯通过继电器与第一控制器相连，所述培养皿中设置有与第一控制器相连的光照强度传感器，所述培养皿中设置多个定植杯，主气管上连接多个延伸至定植杯中的弥雾管；所述雾化室内设置有喷头、液位传感器，所述喷头与第一控制器相连，所述液位传感器位于雾化室内的侧壁上、并通过一个继电器与第二控制器相连，雾化室内设置由电热丝、风扇构成的送雾器，所述风扇和电热丝分别通过一个继电器与第二控制器相连，所述第二控制器根据判断结果控制电热丝和风扇的工作；所述贮液室上设置进液管，所述进液管上设置有与第二控制器相连的液压电磁阀，所述液压电磁阀通过一个继电器与第二控制器相连，贮液室内设置有分别与第一控制器相连的ph传感器、投入式液位变送器；在定植杯外培养皿内设置了分别与第一控制器相连的根系外部温湿度传感器、根系外部二氧化碳传感器，所述定植杯根系处设置了分别与第一控制器相连的根系内部温湿度传感器、根系内部二氧化碳传感器，所述第一控制器与第二控制器之间采用无线通信连接；

所述第一控制器通过根系外部温湿度传感器、根系外部二氧化碳传感器采集植株外部环境的温度和湿度、二氧化碳含量，通过根系内部温湿度传感器、根系内部二氧化碳传感器采集培养皿植株根系生长环境的温度和湿度、二氧化碳含量，通过ph传感器采集营养液的ph值，通过液位传感器检测营养液的液位，通过光照强度传感器采集光照强度；与第一控制器相连的光照强度传感器实时检测光照强度，并将采集到的信息传送给第二控制器；

所述第二控制器用于根据收到的数据以及内置的评判对比算法向液压电磁阀发出工作指令，控制液压电磁阀工作状态，根据液位传感器采集的雾化室内的液位信号控制营养液的添加，同时通过根系内部及根系外部温湿度传感器、根系内部和根系外部的二氧化碳传感器采集的信息进行算法加权处理来量化植株光合作用强度，从而控制相应喷头雾化工作。

进一步地，所述栽培器中培养皿的数量为多个，多个培养皿上下层叠设置、且对称分布。

进一步地，所述培养皿间及培养皿与贮液室之间设置有相互贯通的回流管。

进一步地，所述喷头内部是由控制器上的io口分别控制4个雾化片，形成4个雾化强度等级。

所述的智能雾化栽培系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述第一控制器分别通过根系外部温湿度传感器、光照强度传感器、根系外部二氧化碳传感器、ph传感器、投入式液位变送器，一方面采集植株所处生长环境的温度和湿度、环境光强、环境二氧化碳浓度、营养液的液位和浓度，一方面通过根系内部温湿度传感器、根系内部二氧化碳传感器采集植株根系的温度和湿度、二氧化碳浓度并将采集到的信息传送给第二控制器；

所述第二控制器根据收到的数据以及内置的控制方法，根据液位传感器、ph传感器采集的雾化室内的液位信号向液压电磁阀发出工作指令，控制液压电磁阀工作状态，控制营养液的添加；根据根系内部温湿度传感器、根系内部二氧化碳传感器和根系外部温湿度传感器、根系外部二氧化碳传感器差值来表征植株光合作用的强弱，给出喷头、电热丝、风扇(19)、液压电磁阀、日光灯工作控制策略；

所述第二控制器的控制策略为：

根据光照强度数据与设定的时间拟合控制日光灯；具体的：

首先由定时器控制第一控制器和第二控制器的启动工作，光照强度传感器采集的信息与定时器的时间组成“与”运算控制规则日光灯的动作，即设置光照强度阈值函数为软件时钟阈值函数为则k1＝g1(x)&t1(x)；

根据根系内部温湿度传感器和根系外部温湿度传感器检测的根系内外的温度和湿度，建立多输入模糊控制模型来控制风扇的转速和电热丝，具体的：

根系外部温湿度传感器采集值作为给定值f(x0,y0)＝w1x0+w2y0，其中x0、y0分别为实时温度值、湿度值，w1、w2分别为温度、湿度系数权值；把根系内部温湿度传感器采集值作为获取值f(x1,y1)＝w1x1+w2x1，然后由获取值与给定值比较得到误差信号e1＝f(x1,y1)-f(x0,y0)，将误差信号e1进行模糊化，由误差e1模糊语言得出一个子集e1，将e1化分为e1＝{nb,ns,zo,ps,pb}，由经验得出u1与e1同步变化，

r1＝(nbe1×nbu1)∪(nse1×nsu1)∪(zoe1×zou1)∪(pse1×psu1)∪(pbe1×pbu1)，r1为模糊关系，模糊输出u1＝e1·r1；

根据根系内部二氧化碳传感器根系外部二氧化碳传感器检测的根系内外部的二氧化碳量，建立多输入模糊控制模型来控制喷头的雾化量，具体的：

根系外部二氧化碳传感器采集值作为给定值h(m0)＝km0+c，其中m0为实时二氧化值，k为量化植株生理活动状况系数，c为常数；把根系外部二氧化碳传感器采集值作为获取值h(m1)＝km1+c，然后由获取值与给定值比较得到误差信号e2＝h(m1)-h(m0)，将误差信号e2进行模糊化，由误差e2模糊语言得出一个子集e2，将e2化分为e2＝{nb,ns,zo,ps,pb}，由经验得出u2与e2同步变化，

r2＝(nbe2×nbu2)∪(nse2×nsu2)∪(zoe2×zou2)∪(pse2×psu2)∪(pbe2×pbu2)，r2为模糊关系，模糊输出u2＝e2·r2。

本发明的工作过程如下：密封的通明玻璃或塑料的立柱式栽培器，在第二控制器根据第一控制器的投入式液位变送器采集的信息自动地打开液压电磁阀向双层营养液池的贮液室添加营养液，由于雾化室内表面右侧一个液位传感器检测到雾化室的水位，液位自动开关打开，贮液室向雾化室加入一定高度的营养液，雾化室内底部的喷头开始工作，使营养液雾化，通过右侧电热丝和风扇的作用，使雾化的雾滴经过主气管，再经过主气管与培养皿连接的弥雾管进入培养皿，使植株在在定植杯的固定作用下充分吸收营养液，同时培养皿第一控制器上的根系外部温湿度传感器、根系外部二氧化碳传感器、主气管外表面数字光照强度传感器、定植杯根系处的根系内部温湿度传感器、根系内部二氧化碳传感器、贮液室内表面左侧ph传感器和投入式液位变送器，开始检测植株生长环境的温度、湿度、光强、二氧化碳浓度、营养液的ph、水位等参数和植株根系的温度、湿度、二氧化碳浓度，检测的信息通过第一控制器上的无线模块发送给第二控制器，采集的信号显示在第二控制器液晶显示器上，经过相应控制决策，发送相应的控制信息给第一控制器，控制相应的继电器动作，实现栽培器系统能自动打开风扇调节温湿度，打开后备光源进行光照，打开液压阀添加营养液，控制喷头喷雾，整个栽培系统在第一控制器和第二控制器相互传输信息间实现动态的调节。

本发明的智能雾化栽培系统采用立柱式栽培器，考虑更方便地输入营养液，检测营养的ph和水位，而不干扰喷头雾化，本栽培器采用双层营养液池，上层为贮液室，下层为雾化室，贮液室和雾化室通过液位自动开关连接，通过液位传感器的检测，在液位开关的控制下，自动调节雾化室的液位，避免喷头因雾化室的液位低或无液体而工作发热损坏。

考虑到尽可能在有限的空间内，栽培跟多的植株，方便栽培器安置和摆放，所以本发明的栽培箱采用空间立柱式结构，这样也可以让植株在生长期间避免相互干扰，更充分地吸收阳光。为了保证植株能够径向生长，培养皿采用定植杯。设计了相互贯通的回流管，不仅提高营养液的利用率，而且能使各个培养皿间的雾气处于循环状态，用于保证培养皿植株生长环境一致，更有利于采集信号的准确性和可靠性，便于智能控制。

本发明的智能雾化栽培系统采取采用第一控制器，第二控制器通过无线模块相互收发收据。是因为仅用一个控制器不仅导致整个控制器复杂，各种传感器，控制器接线不方便，不美观，有可能因接线问题，导致传感器、控制器不能正常工作，第一控制器采集及第二控制器处理不必局限在固定的位置，克服空间上的局限性。

本发明的智能雾化栽培系统通过根系内部温湿度传感器、根系内部二氧化碳传感器、根系外部温湿度传感器、根系外部二氧化碳传感器的实时差值进行多输入模糊控制，能够量化植株生理活动强弱，来控制喷头中雾化片工作的数量，同时调节风扇(19)的转速及电热丝通断的时间。

附图说明

图1为本发明所述智能雾化栽培系统结构图。

图2为本发明的第一控制器原理图。

图3为本发明的第二控制器原理图。

图4为本发明的整体控制策略流程图。

图5为a处的放大图。

图6为本发明的喷头分级雾化电路原理图。

图中：

1-喷头；2-雾化室；3-液位自动开关；4-营养液；5-ph传感器；6-贮液室；7-投入式液位变送器；8-根系内部二氧化碳传感器；9-根系外部二氧化碳传感器；10-根系外部温湿度传感器；11-根系内部温湿度传感器；12-弥雾管；13-日光灯；14-光照强度传感器；15-回流管；16-定植杯；17-主气管；18-液压电磁阀；19-风扇；20-电热丝；21-液位传感器；22-控制器；23-继电器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2、图3所示，本发明所述智能雾化栽培系统包括立柱式栽培器、第一控制器、第二控制器。所述栽培器包括双层营养液池、培养皿和定植杯16，所述营养液池上层为贮液室6、下层为雾化室2。所述雾化室2通过主气管17与培养皿相通，所述各个培养皿上面有日光灯13，所述日光灯13通过继电器与第一控制器相连，所述培养皿中设置有与第一控制器相连的光照强度传感器14。

所述培养皿中设置多个定植杯16，主气管17上连接多个延伸至定植杯16中的弥雾管12。培养皿经过弥雾管12输送雾滴给植株，每个植株固定在定植杯16上。各个培养皿底部由回流管15连接，让营养液4回流到贮液室6，使营养液4循环利用。所述雾化室2内设置有与第一控制器连接的喷头1、液位传感器21，所述喷头1与第一控制器相连，所述液位传感器21位于雾化室2内的侧壁上、并通过一个继电器与第二控制器相连。所述贮液室6和雾化室2通过液位自动开关3连接。雾化室2内设置由电热丝20、风扇19构成的送雾器，所述风扇19和电热丝20分别通过一个继电器与第二控制器相连，所述第二控制器根据判断结果控制电热丝20和风扇19的工作。所述贮液室6上设置进液管，所述进液管上设置有与第二控制器相连的液压电磁阀18，所述液压电磁阀18通过一个继电器与第二控制器相连，贮液室6内设置有分别与第一控制器相连的ph传感器5、投入式液位变送器7；在定植杯16外培养皿内设置了分别与第一控制器相连的根系外部温湿度传感器10、根系外部二氧化碳传感器9，所述定植杯16根系处设置了分别与第一控制器相连的根系内部温湿度传感器11、根系内部二氧化碳传感器8，如图5所示。两个控制器上有无线收发器模块，所述第一控制器与第二控制器之间采用无线通信连接；第二控制器还有液晶显示器。

在第二控制器根据第一控制器的投入式液位变送器7采集的信息自动地打开液压电磁阀18向双层营养液池的贮液室6添加营养液4，由于雾化室2内表面的液位传感器21检测到雾化室2的水位，液位自动开关3打开，贮液室6向雾化室2加入一定高度的营养液4，雾化室2内底部的喷头1开始工作，使营养液4雾化，通过右侧电热丝20和风扇19的作用，使雾化的雾滴经过主气管17，再经过主气管17与培养皿连接的弥雾管12进入培养皿，使植株在在定植杯16的固定作用下充分吸收营养液4，

同时培养皿第一控制器上的根系外部温湿度传感器10、根系外部二氧化碳传感器9、主气管17外表面数字光照强度传感器1414、定植杯16根系处的根系内部温湿度传感器11、根系内部二氧化碳传感器8、贮液室6内表面左侧ph传感器5和投入式液位变送器7，开始检测植株生长环境的温度、湿度、二氧化碳浓度、光强，营养液4的ph、水位等参数和植株根系的温度、湿度、二氧化碳浓度，检测的信息通过第一控制器上的无线模块发送给第二控制器，采集的信号显示在第二控制器液晶显示器上，经过相应控制决策，发送相应的控制信息给第一控制器，控制相应的继电器动作，实现栽培器系统能自动打开风扇19调节温湿度，打开后备光源进行光照，打开液压阀添加营养液4，控制喷头1喷雾，整个栽培系统在第一控制器和第二控制器相互传输信息间实现动态的调节。

所述的智能雾化栽培系统的控制方法，如图4所示，所述第一控制器分别通过根系外部温湿度传感器10、光照强度传感器14、根系外部二氧化碳传感器9、ph传感器5、投入式液位变送器7，一方面采集植株所处生长环境的温度和湿度、环境光强、环境二氧化碳浓度、营养液4的液位和浓度，一方面通过根系内部温湿度传感器11、根系内部二氧化碳传感器8采集植株根系的温度和湿度、二氧化碳浓度并将采集到的信息传送给第二控制器。

所述第二控制器根据收到的数据以及内置的控制方法，根据液位传感器21、ph传感器5采集的雾化室2内的液位信号向液压电磁阀18发出工作指令，控制液压电磁阀18工作状态，控制营养液4的添加；根据根系内部温湿度传感器11、根系内部二氧化碳传感器8和根系外部温湿度传感器10、根系外部二氧化碳传感器9差值来表征植株光合作用的强弱，给出喷头1、电热丝20、风扇19、液压电磁阀18、日光灯13工作控制策略。

所述第二控制器的控制策略为：

根据光照强度数据与设定的时间拟合控制日光灯13；具体的：

首先由定时器控制第一控制器和第二控制器的启动工作，光照强度传感器14采集的信息与定时器的时间组成“与”运算控制规则日光灯13的动作，即设置光照强度阈值函数为软件时钟阈值函数为则k1＝g1(x)&t1(x)。

根据根系内部温湿度传感器11和根系外部温湿度传感器10检测的根系内外的温度和湿度，建立多输入模糊控制模型来控制风扇19的转速和电热丝20，具体的：

根系外部温湿度传感器10采集值作为给定值f(x0,y0)＝w1x0+w2y0，其中x0、y0分别为实时温度值、湿度值，w1、w2分别为温度、湿度系数权值；把根系内部温湿度传感器11采集值作为获取值f(x1,y1)＝w1x1+w2x1，然后由获取值与给定值比较得到误差信号e1＝f(x1,y1)-f(x0,y0)，将误差信号e1进行模糊化，由误差e1模糊语言得出一个子集e1，将e1化分为e1＝{nb,ns,zo,ps,pb}，由经验得出u1与e1同步变化。

r1＝(nbe1×nbu1)∪(nse1×nsu1)∪(zoe1×zou1)∪(pse1×psu1)∪(pbe1×pbu1)，r1为模糊关系，模糊输出u1＝e1·r1。

根据根系内部二氧化碳传感器8根系外部二氧化碳传感器9检测的根系内外部的二氧化碳量，建立多输入模糊控制模型来控制喷头1的雾化量，具体的：

根系外部二氧化碳传感器9采集值作为给定值h(m0)＝km0+c，其中m0为实时二氧化值，k为量化植株生理活动状况系数，c为常数，把根系外部二氧化碳传感器9采集值作为获取值h(m1)＝km1+c，然后由获取值与给定值比较得到误差信号e2＝h(m1)-h(m0)，将误差信号e2进行模糊化，由误差e2模糊语言得出一个子集e2，将e2化分为e2＝{nb,ns,zo,ps,pb}，由经验得出u2与e2同步变化，

r2＝(nbe2×nbu2)∪(nse2×nsu2)∪(zoe2×zou2)∪(pse2×psu2)∪(pbe2×pbu2)，r2为模糊关系，模糊输出u2＝e2·r2。

所述喷头1内部是由控制器上的io口分别控制4个雾化片，形成4个雾化强度等级，如图6所示。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。