一种基于模糊控制的微藻养殖自适应控制器的制作方法

该发明专利涉及微藻养殖技术领域，尤其是指一种基于模糊控制的微藻养殖自适应控制器。

背景技术：

社会经济的发展导致对能源的需求越来越大，而煤炭石油等传统能源极易造成大气污染。许多种类的微藻能够高效将光能、H₂O和CO₂转换成油脂以有机物的形式储存在细胞内，是一种潜力巨大的乙醇、丁醇、生物柴油等生物能源的制备原料。因此发展微藻养殖技术，对于解决目前的环境、资源和能源危机具有重要意义。

目前在微藻的人工养殖中，主要通过提供额外的光照、CO₂以及控制生长温度来提高微藻的产量。其中，人工光源是对太阳光的补充，以前多采用荧光灯和钠灯，随着半导体照明技术的发展，LED因其光谱能量集中、高能效、绿色环保等优点，成为新的发展趋势。LED可以方便的选择适合微藻生长的光谱波段，获得比较纯正的单色光或复合光谱，发光强度和光质易于调控，具有占用空间小，热辐射小等优点，包括微藻养殖照明在内的农业照明已成为LED照明发展的新领域。

人工补光效率、CO₂浓度和温度高低对微藻养殖效率的提高至关重要。比如小球藻在红蓝混光8∶5-8∶1时利于蛋白质和总脂的积累(唐青青等，环境科学2014)；660nm附近红光更有利于螺旋藻的生长(李永强等，激光生物学报2014)；纤细角毛藻在657nm、527nm、437nm三色RGB混合光谱下生长速率较大(苗洪利，光学学报2010)；不同波长对于小球藻和等鞭金藻生长的饱和光强不同，而且在饱和光强以下生长速率随着光强的增大而增大(毛安君，光谱学与光谱分析2008)；促进小球藻生长的最佳CO₂浓度在1％-2.5％之间，浓度太高会引起水体酸化，导致藻细胞密度降低(王曰杰，中国环境科学2015)；纤维藻和小球藻的适宜生长温度为23.5°和31.4°。综上所述，需要根据微藻的种类、生长时段、环境光照、水体参数等多参数联动随时调整微藻养殖系统的工作状态，而这通过繁琐的人工操作既容易出错，也难以实现。

因此，需要一种自动化程度高、可控性好和效率高的微藻养殖控制系统，以解决上述在实际操作中遇到的问题。

技术实现要素：

本发明专利的目的在于解决现有技术存在的上述不足之处，提供一种基于模糊控制的微藻养殖自适应控制器，可以为微藻养殖提供LED补光、CO₂浓度和温度三个参量的自适应控制，同时在养殖过程中自动进行营养液的补充，从而减少能量消耗，提高人工微藻养殖的效率，获得更好的经济效益。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种基于模糊控制的微藻养殖自适应控制器，其特征在于：由监控单元和控制单元组成。

所述的监控单元包括信息采集模块、监控端微处理器、低功耗电源和天线，所述的信息采集模块包括光照强度传感器、CO₂传感器和温度传感器，用以采集微藻培养池/光生物反应器中的环境数据，所获得的数据信号传给监控端微处理器，并通过天线无线传输给控制单元，低功耗电源为整个监控单元提供电能。

所述的控制单元包括控制端微处理器、模糊控制器、光强调节模块、CO₂浓度调节模块、温度调节模块、营养液调节模块、电源模块和天线，所述的控制端微处理器接收到无线传输的环境数据，作为输入变量送入模糊控制器进行模糊推理并生成控制策略，控制端微处理器根据模糊控制器生成的控制策略产生相应的驱动信号，实现微藻培养池/光生物反应器的光照强度调节、CO₂浓度调节和温度调节，控制端微处理器同时依据微藻生长时段通过营养液调节模块不定时的进行营养液的补充，管理员可与控制端微处理器进行有线或无线连接，对系统进行在线的查询和必要的人工监控，所述的电源模块为整个控制单元提供电能。

所述的光照强度传感器、CO₂传感器和温度传感器的输出端通过I/O接口与监控端微处理器相连，所述的光照强度传感器光谱响应为400～700nm。

所述的模糊控制器对采集的光照强度、CO₂浓度和温度信息进行模糊化，根据预存储的数据库和规则库进行模糊推理并去模糊化，其最终形成的控制策略为控制端微处理器提供参考。

所述的模糊控制器中数据库和规则库是基于以往设计经验、实验测试数据和理论分析结果建立的，根据微藻的种类和生长时段采取不同的控制规则，可以实现微藻养殖的产量/消耗比最大化。

所述的光强调节模块由集成PWM驱动电路的红、蓝双色LED灯板组成，根据控制端微处理器给出的控制信号，输出PWM信号实现不同光色配比和光照强度的调节。

所述的CO₂浓度调节模块由控制电磁阀和CO₂气瓶组成，实现CO₂浓度的控制。

所述的温度调节模块由半导体温控器构成，可以施加正反向电流加热或制冷，实现微藻培养池/光生物反应器中温度的控制。

所述的营养液调节模块包括一个进液电磁阀和出液电磁阀，控制端微处理器控制两个电磁阀打开，同时对泵发送驱动信号，实现营养液的循环。

所述的监控端微处理器和控制端微处理器均采用嵌入式处理器。

所述的控制单元所产生的所有控制信号可由控制端微处理器根据模糊控制器输出所形成的控制策略或预先设置的营养液调节程序给出，也可通过无线/有线的方式接收来自管理员的人工控制信号。

本发明具有以下有益效果：

1、微藻培养池/光生物反应器中光照、CO₂浓度、温度等环境信息动态变化，难以预先建立准确的模型，通过模糊控制，可以实现系统的自适应控制，而且提高了系统的调节精度。

2、智能的自适应调节方式可以适时控制人工补光、CO₂浓度调节、温度控制和补充营养液，不但提高了微藻的产量，也节约了养殖系统的运营成本。

3、管理员能够远程对微藻培养池/光生物反应器的状况进行监视和调整，减少了管理工作量，提高了管理效率。

附图说明

图1为一种基于模糊控制的微藻养殖自适应控制器监控单元结构示意图。

图2为一种基于模糊控制的微藻养殖自适应控制器控制单元结构示意图。。

图3为模糊控制器模糊控制原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行说明。

如图1监控单元结构示意图所示，包括监控端微处理器、信息采集模块、低功耗电源和天线。信息采集模块包含光照强度传感器、CO₂传感器和温度传感器三个传感器，主要作用是采集微藻培养过程中微藻池/光生物反应器的光照强度、CO₂浓度和温度等影响微藻生长因素的环境参量，并将这些环境参量数据通过I/O接口送入监控端微处理器。环境参量数据最后通过ZigBee、蓝牙或WIFI等无线方式传送到控制端进行处理。其中光照度传感器的光谱响应范围为400～700nm。

如图2控制单元结构示意图所示，包括控制端微处理器、模糊控制器、光强调节模块、CO₂浓度调节模块、温度调节模块、营养液调节模块、电源模块和天线。控制单元可根据监控单元无线传输的环境参量数据实时调整微藻培养池/光生物反应器的光照、CO₂浓度和温度数值，并完成微藻培养营养液的自动添加。上述光强调节、CO₂浓度调节、温度调节和营养液调节四个模块的工作可以由控制端微处理器依据模糊控制器生成控制策略和事先编好的程序处理，也可以由管理员通过有线或无线方式进行人工干预。

光强调节模块接收来自控制端微处理器的PWM驱动信号，驱动红、蓝两色LED灯发光。红、蓝两色LED灯波长选择最适应微藻生长的光谱成分，分别为650nm附近和450nm附近。PWM驱动信号的占空比不同，则可输出不同光色配比和光照强度的组合光线。CO₂浓度调节模块由CO₂气瓶出气口的电磁阀控制，控制端微处理器向电磁阀发出控制信号，电磁阀开启或关闭，可以为微藻提供碳源补充。温度控制由半导体温控器实现，施加正向或反向电流，半导体温控器会发热或制冷，改变电流有效值的大小可以得到合适的加热或制冷效果。营养液调节模块由泵和进、出液电磁阀组成，当电磁阀打开，控制端微处理器对泵发出驱动信号，可以控制营养液的供给。

应当指出的是，上述信息采集模块中的三种传感器和控制单元的四种调节模块在本微藻养殖自适应控制系统中的数量并不一定是唯一的，可以根据微藻培养池/光生物反应器的大小设置多处，且它们之间的比例亦可多样化。

图3所示模糊控制器的模糊控制主要针对光强、CO₂浓度和温度三个环境参量。模糊控制器将数据模糊化，并用相应的模糊集合、隶属度函数表示。依据以往设计经验、微藻生长机理和实验测试数据建立的模糊控制规则和数据库，对微藻生长所需的三个环境参量进行模糊推理。为提高模糊判断的效率，可以将模糊规则制成数据表格，采用查表的方式进行处理。数据表格包含了实验数据、专家经验等内容，根据微藻的种类和生长时段采取不同控制规则，该表经仿真优化后存入微处理器中，实际应用中通过读取表中的数据进行控制输出。模糊推理则采用max-min合成法，根据模糊量由模糊规则完成模糊推理并求解模糊关系方程，求出模糊输出。模糊推理得到的控制量经去模糊化后变成实际可用的控制输出送入控制端微处理器，然后分别驱动光强调节模块、CO₂浓度调节模块和温度调节模块中的PWM驱动电路、电磁阀和半导体温控器，实现光强、CO₂浓度和温度的调节。营养液的调节独立于光强、CO₂浓度和温度的调节，不同微藻在不同生长时段对营养液的需求不同，可根据控制端微处理器预置的程序完成营养液的自动添加。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围之内。