基于LabVIEW和模糊控制的大棚氣體施肥控制系統(tǒng)的仿真研究

張泉 梁忠偉 劉曉初 金杰

摘要：CO2是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用的重要因素之一，直接影響農(nóng)作物的生長。因此，科學(xué)合理的增施措施勢在必行。本文針對蔬菜溫室大棚內(nèi)CO2氣肥增施量受多因子影響難以建立精準(zhǔn)控制模型的特點，以種植西紅柿為例，提出了一種充分利用農(nóng)作物不同環(huán)境下的大棚氣體施肥模糊控制系統(tǒng)。以溫度和光照強(qiáng)度為2大主要影響因子，利用LabVIEW中的模糊系統(tǒng)設(shè)計器建立模糊控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，精準(zhǔn)地實現(xiàn)了對大棚內(nèi)西紅柿生長的CO2氣肥增施控制。

關(guān)鍵詞：CO2氣肥;溫度;光照強(qiáng)度;模糊控制

近年來，隨著我國設(shè)施蔬菜迅速發(fā)展，CO2氣肥增施技術(shù)也不斷得到推廣和應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。CO2是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用的主要因素之一，在適宜的溫度和光照強(qiáng)度等外界環(huán)境下，將CO2和水轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，并釋放出O2。但大氣中CO2的濃度普遍低于植物生長所需的CO2濃度，而且溫室大棚種植，由于密閉環(huán)境和種植密度等原因，極易產(chǎn)生CO2不足[1] 。據(jù)測定，植物正常生長的CO2濃度為1130～2820mg/dm3，而密閉溫室大棚內(nèi)CO2濃度最低時不足380mg/dm3，較低的CO2濃度將嚴(yán)重地影響植物光合作用的進(jìn)行。

現(xiàn)代溫室大棚內(nèi)增施CO2氣肥普遍采用通風(fēng)換氣發(fā)、有機(jī)肥發(fā)酵法、固體CO2氣肥施放法或者化學(xué)反應(yīng)法等。阜蒙縣農(nóng)發(fā)局蔬菜服務(wù)總站提出吊帶式CO2氣肥大棚施肥使用技術(shù)。使用時用容器或塑料袋盛放，吊掛在植株上部，下午或傍晚取下，倒在棚內(nèi)適當(dāng)?shù)攸c并及時與土壤拌和[2]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，雖然簡單易用，但需要有豐富的種植經(jīng)驗的工作人員判斷使用量、使用時間和使用時期、不宜大范圍推廣使用。天津農(nóng)學(xué)院單慧勇副教授設(shè)計的溫室CO2氣肥補(bǔ)施控制系統(tǒng)采用 Arduino Mega2560 作為系統(tǒng)主控制器，通過采集溫室內(nèi)CO2濃度、光強(qiáng)溫度等環(huán)境參數(shù)，結(jié)合設(shè)定的CO2目標(biāo)濃度自動控制氣肥發(fā)生器的工作狀態(tài)[3]。此方法雖能增加溫室大棚內(nèi)CO2濃度，但未考慮到植物在不同生長時期，不同生長環(huán)境下農(nóng)作物對CO2濃度的不同需求，不能做到智能調(diào)控。

本系統(tǒng)采用CO2發(fā)生器鋼瓶，利用檸檬酸與碳酸氫鈉在常溫下反應(yīng)生成CO2（3NaHCO3+C6H8O7=C6H5O7Na3+3H2O+3CO2↑）經(jīng)恒壓減壓后輸送到大棚內(nèi)，原料價格低廉，容易獲得，反應(yīng)迅速，無需加熱、提純、過濾，無有害氣體產(chǎn)生，使用安全方便。為了進(jìn)一步實現(xiàn)大棚內(nèi)氣體的智能控制，開發(fā)了基于LabVIEW和模糊控制的大棚氣體施肥控制系統(tǒng)，利用LabVIEW中的模糊系統(tǒng)設(shè)計器，以溫度和光照強(qiáng)度為兩大主要影響因子作為輸入，采用重心法，輸出當(dāng)前環(huán)境下適宜的CO2濃度，具有測量顯示環(huán)境參數(shù)和連接到執(zhí)行設(shè)備實行自動控制的功能，既可以單獨用作大棚環(huán)境檢測控制， 也可以作為智能化大棚控制系統(tǒng)的一部分。常見蔬菜適宜的CO2施肥濃度（見表1[4]）。

1系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法

1.1設(shè)計原理

大棚氣體施肥控制系統(tǒng)首先經(jīng)人工手動選擇農(nóng)作物的品種及生長時期，通過溫度和光照強(qiáng)度傳感器檢測溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因素，由模糊決策決定氣肥增施與否及施加量，從而達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)CO2濃度的目的。模糊控制的原理框圖如圖1所示。

1.2系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境

LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱。虛擬儀器是在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)[5]。 其將傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)與現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，基礎(chǔ)仍是計算機(jī)系統(tǒng)，核心是軟件技術(shù)。其主要功能是通過軟件實現(xiàn)的。本文使用LabVIEW2015模糊邏輯控制工具包，不僅可以直接在圖形化界面下設(shè)計模糊控制器，還可利用各種函數(shù)庫，與傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連接，構(gòu)建所需的大棚氣肥控制系統(tǒng)，并進(jìn)行模糊控制器的仿真。

2模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1定義輸入輸出變量論域及隸屬函數(shù)

本大棚氣體施肥控制系統(tǒng)CO2增施量決定于傳感器采集的溫室大棚內(nèi)溫度和光照強(qiáng)度，因此模糊控制系統(tǒng)是以溫度和光照強(qiáng)度作為輸入，當(dāng)前環(huán)境下適宜農(nóng)作物生長的CO2濃度作為輸出的雙輸入、單輸出系統(tǒng)。

本系統(tǒng)以西紅柿種植為例，西紅柿在不同生長時期對溫度也有著比較嚴(yán)格的要求，初期開展秧苗栽培過程中需要降低溫度，出土前期5～6d，夜間溫度控制在11℃左右，白天溫度控制在23℃左右，以此來促進(jìn)秧苗的正常生長[6]。在正常條件下，同化作用最適溫度為20～25℃，根系生長最適土溫為20～22℃。提高土溫不僅能促進(jìn)根系發(fā)育，同時土壤中硝態(tài)氮含量顯著增加，生長發(fā)育加速，產(chǎn)量增高。選用的無線溫度傳感器測定范圍是-40～75℃，為與實際大棚內(nèi)的溫度相匹配，溫度區(qū)間選定為0～40℃，將之劃分為7級（見表2）。

西紅柿在不同生長期對光照的要求不同，發(fā)芽期不需要光照，幼苗期要求光照充足幼苗才能發(fā)育良好，光照不足會影響花芽分化，影響花授粉。結(jié)果期光照充足坐果多，膨果快，光照不足坐果少影響產(chǎn)量，光照太強(qiáng)持久則會對果實造成日灼病[7]。西紅柿是喜光作物，光飽和點為70klux，適宜光照強(qiáng)度為30～50klux。西紅柿是短日照植物，在由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長過程中基本要求短日照，但要求并不嚴(yán)格，有些品種在短日照下可提前現(xiàn)蕾開花，多數(shù)品種則在11～13h的日照下開花較早，植株生長健壯同樣考慮實際因素，選用光照強(qiáng)度傳感器的測定范圍是0～100klux，劃分為7級（見表3）。

模糊控制系統(tǒng)的輸出是CO2濃度值。物理論域U為[0，1000]，模糊論域N為[0，10]，比例因子：

ku=u/n=100（1）

輸出的模糊論域乘以比例因子ku即為實際的輸出量（當(dāng)前環(huán)境下適宜農(nóng)作物生長的CO2濃度值），劃分為7級（見表4）。本系統(tǒng)的輸入、輸出變量均采用三角形隸屬函數(shù)，由3個參數(shù)a，b，c確定三角形曲線的形狀，即：

f（x，a，b，c）=0x≤a

x-ab-aa≤x≤b

c-xc-bb≤x≤c

0x≥c（2）

式中，參數(shù)a和c確定三角形的“腳”，參數(shù)b確定三角形的“峰”。

2.2模糊規(guī)則控制和模糊控制表的建立

本文所設(shè)計的大棚農(nóng)作物生長所需CO2濃度模糊推理系統(tǒng)是雙輸入、單輸出系統(tǒng)。為了保證推理可靠準(zhǔn)確，把溫度劃分為7個語言變量，光照強(qiáng)度劃分為7個語言變量，輸出變量劃分為7個語言變量。因此該模糊推理系統(tǒng)共有49條。大棚氣體施肥控制系統(tǒng)仿真開始前，作如下定義：用tem代表大棚內(nèi)的溫度，用int代表光照強(qiáng)度，用con代表適宜CO2濃度。模糊規(guī)則的制定應(yīng)在農(nóng)業(yè)專家或有豐富的蔬菜大棚種植經(jīng)驗的農(nóng)民指導(dǎo)下進(jìn)行，從而保證規(guī)則的科學(xué)合理性。該系統(tǒng)的模糊規(guī)則制定如下：

Rule 1：IF tem is VL and int is VD THENcon is VS

Rule 2：IF tem is VL and int is LD THENcon is VS

Rule 3：IF tem is VL and int is RD THENcon is LS

……

Rule 48：IF tem is VH and int is LB THENcon is LS

Rule 49：IF tem is VH and int is VB THENcon is VS（見表5）。

2.3反模糊化

經(jīng)過模糊推理后，輸出的結(jié)果是一個模糊集合，需通過反模糊化將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值。常用的反模糊化方法有3種，包括最大隸屬度法，加權(quán)平均法，重心法。

2.3.1最大隸屬度法

簡單取所有規(guī)則推理結(jié)果模糊集合中隸屬度最大的元素作為輸出。

v0=maxμv（v）v∈V（3）

2.3.2加權(quán)平均法

v0=∑mi=1vi·ki∑mi=1ki（4）

2.3.3重心法

取模糊論域隸屬度函數(shù)與橫坐標(biāo)圍成面積的中心為模糊推理的輸出值。

v0=∫vvμv（v）dv∫vμv（v）dv（5）

式中，v0為輸出結(jié)果;V為輸出論域;v為輸出變量; μv（v）為隸屬度函數(shù);ki為各條模糊規(guī)則輸出的結(jié)果在總輸出中所占比重。

2.4模糊系統(tǒng)輸出

為了得到準(zhǔn)確的控制量，使模糊方法能夠完善平滑地表達(dá)輸出隸屬度函數(shù)的計算結(jié)果。本系統(tǒng)采用重心法輸出CO2濃度模糊論域的一個值。

經(jīng)模糊推理，本系統(tǒng)的輸出曲面如圖2所示。從圖2可以看出西紅柿生長過程中所需的CO2濃度與光照強(qiáng)度及溫度具有相關(guān)關(guān)系：在光照強(qiáng)度不變的情況下，西紅柿生長所需的CO2濃度隨著溫度的升高先增大后減小，反之亦然;隨著光照強(qiáng)度的增加及溫度的上升，植物的光合作用不斷加強(qiáng)，西紅柿苗生長所需的CO2濃度也在增加;不過當(dāng)CO2的濃度達(dá)到一定值的時候，植光合作用效率達(dá)到飽和，不再隨CO2濃度的增加而增加，若繼續(xù)增加CO2的濃度，反而會抑制植物的呼吸作用，使農(nóng)作物“窒息”而停止光合作用，造成作物減產(chǎn)，果實品質(zhì)降低，病蟲害增加等不良后果。可見，不同的農(nóng)作物不同的生長時期，不同的生長環(huán)境下都有一個適宜的CO2濃度范圍。

本文設(shè)計的大棚氣體施肥控制系統(tǒng)能根據(jù)傳感器測得的溫度及光照強(qiáng)度快速得到西紅柿生長所需的CO2濃度。例如：當(dāng)Tem=20℃，Int=50klux，推理得con=9.3357，乘以比例因子ku，即為當(dāng)前環(huán)境下西紅柿生長所需的適宜CO2濃度933.57mg/dm3。推理結(jié)果如圖3。

3結(jié)語

本文采用LabVIEW的軟件工具包模糊控制器（Fuzzy Controller）設(shè)計了作物在不同生長時期的大棚氣體施肥模糊控制系統(tǒng)，同時也考慮了溫度和光照強(qiáng)度2大影響農(nóng)作物光合作用的主要因子，克服了單因子決策誤差大的不足。

農(nóng)作物氣肥增施受作物品種、氣候和土壤等多種因素的影響，本系統(tǒng)基于溫度和光照強(qiáng)度構(gòu)建農(nóng)作物氣肥增施模型，先由傳感器檢測大棚內(nèi)的環(huán)境信息經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換傳到PLC，然后根據(jù)所建立的模糊規(guī)則推出作物此時所需的CO2濃度，進(jìn)而對CO2氣罐電磁閥執(zhí)行有效的控制。大棚氣體施肥模糊控制系統(tǒng)對解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面CO2過度排放等環(huán)境問題具有重大的現(xiàn)實意義。

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