无土栽培营养液自动控制系统的最佳方案设计

无土栽培营养液自动控制系统的最佳方案设计摘要：分析了无土栽培养液配比设备的设计要求，给出设计要求表，并确定功能参数，进行功能分析后，建立功能结构，采用形态学矩阵法求解出多种方案，经加权评价后确定最佳自动控制系统设计方案．

关键词：无土栽培；自动控制；方案设计；营养液；形态学矩阵

引言

无土栽培是不用土壤栽培植物的一门新兴农业高新技术，它的出现和应用使农业种植、特别是非保护地栽培达到了高产、优质、高效的目标，因此受到世界各国，特别是发达国家的高度重视01．但无土栽培毕竞是农业科技发展到一定阶段的产物．它的应用应具备必要的设备和技术条件．在我国此项技术起步较晚，但随着改革开放和农业种植业结构的调整，无土栽培这一高新技术也日益受到重视，许多高校和科学院所相继开展了这一技术的研究，但许多关键技术尚未很的解决．其中营养液的自动配液及供液灌溉技术作为无土栽培技术的关键需深入研究m．研制适合于我国国情的营养液调配及供液控制设备，将是推动无土栽培技术推广的关键．它的实现对提高设施农业的效益有非常重要的影响．本文首先根据无土栽培养液配比设备(自动施肥机)的设计要求，建立设计要求表，确立总功能，进行功能分析后，建立功能结构，采用形态学矩阵法求解出多方案，经技术经济综合评价后确立最佳自动控制设计方案．

设计要求及功能结构分析

1．1设计要求明细表

无土栽培养液自动控制系统设计，应根据给定的母液(A和B)、酸(碱)及水自动配制成含农作物所需的营养成分的营养液．同时应满足农作物不同生长阶段适时调整营养液成分、供给量及供给时间，从而达到优质高产的目的…．如图l 所示，营养液是由母液A、母液B、酸(碱)以及水按一定比例配制而成．其成分的控制参数是电导率(Ec)和pH值…．其中电导率的大小表征溶液的离子浓度．pH 值的大小反映溶液的酸碱度．供液控制参数为时间，与环境温度、湿度及光合作用等具体情况有关．根据营养液成分控制参数(Ec、pHJ的控制精度和作物供液时间要求，参考国外同类设备的技术情况．新型自动施肥机的具体设计要求如表1．

图l营养液配渡供藏要求示意圈

1．2功能分析及总功能

将以上设计要求进一步抽象，分析设计对象的功能需求，确定出该设备的总

功能为自动配制成符合浓度(Ec)和pH值要求的营养液，并按要求进行灌溉．用黑箱理论描述如图2所示．其中母液A、母液B、酸(或碱)、水、按一定比例配制成(经黑箱后)标准营养液为物料流；电能及液压能为能量流；配制营养液过程中的各种控制信号、反馈信号以及供液过程中的控制信号组成信号流．

1功能结构建立

功能结构的建立是把总功能分解为子功能的过程，即加宽或细化黑箱的过程．将总功能分解为若干子功能，子功能间的关系即形成功能结构．此系统中由驱动元件提供能量给执行元件，并由系统器件控制执行机构实现系统功能的转换，信号流通过能量流来控制物料流以实现按一定比例配液．自动施肥机的功能结构如图3所示．

2方案设计

将功能结构进一步变异．改变各子功能的组合次序或连接方式，并匹配于适合的物理元件就产生了具体设计方案．将各功能元分别匹配于可能的物理元件构成一形态学矩阵6“(见表2)．

2．1多方案产生

总功能可姒分解为7个功能元，根据“发散”思维的原则寻求各功能元解，

得到多种方案组合，共3×2×2×2×3x3×3=648种．根据设计要求对多个方案筛选，剔除与设计要求明显不符的方案，如方案九-B：．c。．D：．B．F：_G．．～工控机具有标准功能卡及接口，不能直接控制B：时间继电器，D：定量比泵国内无成型产品，所以经筛选最终得到以下3种有应用价值的优选方案-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：

3最佳方案的确定

方案评价是选取最佳方案的依据．方案的评价方法有多种．如经验评价法、数学分析法和试验评价法等．其中数学分析法应用较广．本设计采用数学分析法中的技术经济综合评价法，由目标加权系数分配树确定加权系数∥，方案评分采用lo分制，评分表如表3．

方案的技术价由上式计算而得，方案的各项评分值加权平均，所得技术价彬越高，说明该方案可计算出各方案的技术价形．由分析结果可知方案3技术价最古t因通过对各项目的评价，可计算出各方案的技术图形由分忻可知此为最佳方案，从而可得到控制方案框图(图5)·

4结论

本文通过分析无土栽培营养液自控设备的设计要求，建立了该设备的功能结构，并由形态学矩阵法求得多个方案解．利用技术经济综合评价得出最佳设计方案．在此方案中，通过营养液浓度、pH值检测，并对采集的信号放大、转换处理，由主控单元(工控机)实现控制决策，进而驱动各种执行机构，实现各功能参数的控制．设计结果表明，按此方案设计的控制系统工作可靠，自动化程度、生产率等方面都具有优良的特性，较好的满足了设计要求．

托普物联网简介

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！

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我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。

1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状