专利名称：基于模糊神经网络控制的植物生长营养液及溶解氧测控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于模糊神经网络控制的植物生长营养液及溶解氧测控系统，属于农业、林业及种植业实现无土栽培技术领域。
背景技术：
20世纪70年代以来，可控环境农业得到了广泛的研究与发展，以满足对各种农业产品的质量产量产地反季节环保与可持续发展等的要求。可控环境农业的一个主要的方向就是应用植物营养液实现植物的无土栽培。无土栽培具有保护环境、节约用水、克服连作障碍等特点。同时，还可以减轻病虫害对农作物的侵染，也防止了在土壤栽培中因施用人体排泄物带来的寄生虫卵，产品清洁卫生。
营养液栽培是控制环境植物生产中的重要方法，营养液为作物正常生长发育提供所需的各种营养元素，其中各种离子的浓度和供应量是保证作物健康生长的关键。
营养液中各组分、EC值、pH值和溶解氧浓度等变化十分复杂，难以建立精确的数学模型进行描述，传统控制策略难以获得满意的控制效果。
发明内容
本发明的目的是针对温室营养液及溶解氧调控过程中存在的问题，提供一种基于模糊神经网络控制的植物生长营养液及溶解氧测控系统，其采用模糊神经网络控制技术对营养液及溶解氧进行调控，设计模糊神经网络控制器将营养液及溶解氧的各参量控制在专家设定值水平，以满足控制环境植物生产中作物生长的需要。
基于自适应神经模糊推理系统的用于营养液调控的模糊神经网络控制器，对营养液中的组分(如NO3-、K+和Ca2+等)、EC值、pH值和溶解氧浓度等进行控制。模糊神经网络控制器由NO3-离子浓度模糊控制模块、pH值模糊控制模块、溶解氧浓度模糊控制模块组成，采用双输入、单输出的二维模糊控制器，输出端连接到营养液循环系统，通过串行口连接单片机，对营养液中的组分(如NO3-、K+和Ca2+等)、EC值、pH值和溶解氧浓度等进行控制。模糊神经网络控制模块根据输入的营养液参数数据，采用模糊控制算法对系统进行控制，输出相应的控制量，通过串行口将控制信号送入单片机，下位机系统根据接收的控制信号由驱动电路控制执行机构动作，完成对营养液的调控。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的 一种基于模糊神经网络控制的植物生长营养液及溶解氧测控系统，包括营养液循环系统、模糊神经网络控制器和微控制器。
所述营养液循环系统由栽培床、营养液池、供液管道和回流管道组成。
用于营养液调控的模糊神经网络控制器，由NO3-离子浓度模糊控制模块、pH值模糊控制模块、溶解氧浓度模糊控制模块组成，采用双输入、单输出的二维模糊控制器，输出端连接到营养液循环系统，通过串行口连接单片机，对营养液中的组分(如NO3-、K+和Ca2+等)、EC值、pH值和溶解氧浓度等进行控制。模糊神经网络控制模块根据输入的营养液参数数据，采用模糊控制算法对系统进行控制，输出相应的控制量，通过串行口将控制信号送入单片机，下位机根据接收的控制信号由驱动电路控制执行机构动作，完成对营养液的调控。
微控制器由上位机和下位机两部分组成，上位机采用普通的PC机，下位机采用单片机，上、下位机以RS-232实现串行通信。下位机采用单片机对营养液参数进行数据采集、处理，模糊神经网络控制模块根据输入的营养液参数数据，采用模糊控制算法对系统进行控制，输出相应的控制量，通过串行口将控制信号送入单片机，下位机根据接收的控制信号由驱动电路控制执行机构动作，完成对营养液的调控。上位机采用普通的PC机以RS-232实现串行通信，通过串行口将处理后的数据送入PC机，PC机接收数据并显示营养液各参数的变化情况。
本发明的基于模糊神经网络控制的植物生长营养液及溶解氧测控系统，采用模糊神经网络控制技术对营养液及溶解氧进行调控，设计模糊神经网络控制器将营养液及溶解氧的各参量进行控制，以满足控制环境植物生产中作物生长的需要。建立循环营养液多组分的在线检测与控制系统可以实时的获取营养液中各组分浓度的变化状况，可根据作物在各生长期间对营养成分的需求合理的调配营养液的配比。
图1为本发明的营养液控制系统结构图； 图2为本发明的溶解氧浓度控制仿真框图； 图3为本发明的溶解氧浓度控制子系统结构图； 图4为本发明的植物生长营养液及溶解氧测控系统硬件体系框图。
具体实施例方式 基于模糊神经网络控制的植物生长营养液及溶解氧测控系统，包括营养液循环系统、模糊神经网络控制器和微控制器。
所述营养液循环系统由栽培床、营养液池、供液管道和回流管道组成。
栽培床用于盛放营养液，给作物提供营养和水分，并为作物根系生长创造良好的根际环境。营养液池是贮存和供应栽培床营养液的容器，母液罐、酸液罐、碱液罐和清水罐中的溶液在电磁阀门的控制下流入营养液池。供液管道将贮液池的营养液输送到栽培床，由水泵、供液主管、支管、出水龙头与喷头组成。回流管道则将栽培床内的营养液回流至营养液池，从而形成一个循环系统。该系统可在市场上购买后与其他部件连接成一体就行。
由于营养液浓度中离子的浓度在循环过程中成比例衰减，可令营养液母液中被控离子浓度之间比例与营养液中的浓度之间比例相同，则控制一种离子的浓度就可以同步控制其余离子的浓度，这样足以满足控制环境植物生产中对营养液组分调控的要求，因此，在对营养液中组分的调控中采用对NO3-浓度进行控制，以达到对其余离子浓度进行调控的目的。
模糊神经网络控制器，由NO3-离子浓度模糊控制模块、pH值模糊控制模块、溶解氧浓度模糊控制模块组成，采用双输入、单输出的二维模糊控制器，输出端连接到营养液循环系统，通过串行口连接单片机，参数自调整模块实现量化因子和比例因子的调整，相应的作用于营养液组分浓度调控系统、pH值调控系统和溶解氧浓度调控系统的控制量(u)为模糊控制器的输出，以营养液中NO3-离子浓度、pH值和溶解氧浓度的实际检测值与设定值之间的偏差(e)和偏差的变化(ec)作为模糊神经网络控制器的输入； 在营养液的调控系统中采用的就是双输入单输出的二维模糊控制器，NO3-离子浓度模糊控制模块、pH值模糊控制模块和溶解氧浓度模糊控制模块，这三个模块的基本结构相似，只是输入输出量不同，现以溶解氧浓度模糊控制模块的设计为例，营养液中溶解氧浓度模糊控制器(DOFC)以溶解氧浓度的控制量(u)为输出量，以溶解氧浓度的实测值与设定值的偏差(e)和偏差变化(ec)为输入量，通过控制器的推理和决策，得到合适的控制量作用于被控对象，使营养液中的溶解氧保持在设定值。
微控制器由上位机和下位机两部分组成，上位机采用普通的PC机，下位机采用单片机，上、下位机以RS-232实现串行通信。下位机采用MCS-51系列单片机对营养液参数进行数据采集、处理，实现对执行机构的驱动。下位机的核心是一片AT89C51单片机，主要是完成采集各种数据及信息，经处理后送至上位机，同时它也是一种控制器，接收上位机下达的命令，对现场实施有关的控制。下位机采用汇编语言与C51混合编程的方法开发完成。上位机采用普通的PC机，在Windows XP操作平台上工作，PC机实现对营养液的统一管理和控制，其间以RS-232实现串行通信。
各传感器的信号经过阻抗变换和放大得到相应的电压信号，经过A/D转换送入微控制器，微控制器通过通信接口把采样信号送入上位PC机，由PC机根据智能控制算法产生控制信号并送入下位机，微控制器根据接收的控制信号由I/O端口输出，经驱动电路驱动执行机构动作，完成营养液中各种离子浓度、pH值和溶解氧浓度的控制。
由传感器及单片机数据采集处理系统完成营养液相关参数的采集、模/数转换和滤波等处理，通过串行口将处理后的数据送入PC机。上位PC机接收数据，实时显示营养液各参数的变化情况；综合管理数据系统实现营养液参数的存储、查询、统计等功能；模糊神经网络控制模块根据输入的营养液参数数据，采用模糊控制算法对系统进行控制，输出相应的控制量，通过串行口将控制信号送入单片机，下位机系统根据接收的控制信号由驱动电路控制执行机构动作，完成对营养液的调控。
权利要求
1.一种基于模糊神经网络控制的植物生长营养液及溶解氧测控系统，包括营养液循环系统、模糊神经网络控制器和微控制器，其特征在于
a、营养液循环系统由栽培床、营养液池、供液管道和回流管道组成；
b、模糊神经网络控制器，由NO3-离子浓度模糊控制模块、pH值模糊控制模块、溶解氧浓度模糊控制模块组成，采用双输入、单输出的二维模糊控制器，输出端连接到营养液循环系统，通过串行口连接单片机，参数自调整模块实现量化因子和比例因子的调整，相应的作用于营养液组分浓度调控系统、pH值调控系统和溶解氧浓度调控系统的控制量(u)为模糊控制器的输出，以营养液中NO3-离子浓度、pH值和溶解氧浓度的实际检测值与设定值之间的偏差(e)和偏差的变化(ec)作为模糊神经网络控制器的输入；
c、微控制器由上位机和下位机两部分组成，上位机采用普通的PC机，下位机采用单片机，上、下位机以RS-232实现串行通信。
全文摘要
本发明涉及一种基于模糊神经网络控制的植物生长营养液及溶解氧测控系统。包括营养液循环系统、模糊神经网络控制器和微控制器，针对营养液调控过程中存在的问题，采用模糊神经网络控制理论对植物生长所需的各种营养液进行智能控制，将营养液中的组分(如NO3-、K+和Ca2+等)、EC值、pH值和溶解氧浓度等参量控制在满足植物生长需要的设定值。
文档编号G05B13/02GK101303594SQ200810058519
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者戈振扬, 高国涛, 涛 王 申请人:昆明理工大学