水培营养液硝态氮浓度在线标测系统研究

针对目前氮素浓度检测技术中电极标定过程与离子检测过程分离,难以实现在线检测的问题,设计了一套基于双传感器冗余控制的水培营养液硝态氮浓度在线标测系统。系统的标定过程为利用丝杠滑块线性导轨完成电极清洗和标准液电压获取,并采用最小二乘法,辨识所采集电压与离子浓度对数之间标准曲线的参数。系统的检测过程为基于最大误差原理,采用双传感器冗余控制方法进行数据融合和标定决策,最终实现硝态氮浓度的连续在线检测。验证试验结果表明:双传感器冗余控制方法可靠,在线检测值与离子色谱法获得的实验室检测值平均相对误差仅为5.64%,平均绝对误差只有1.172×10-5,二者呈现极显著线性相关关系(P0.01)。综合分析得出,该系统能够实现营养液连续消耗情况下硝态氮浓度的在线检测,其结果与实验室检测值具有较好的一致性,解决了人工标定电极费时、费工的问题,提高了检测效率,为营养液的精细化管理提供了新的技术手段。     

营养液多参数在线检测技术研究

针对无土栽培中营养液成分检测的问题,设计一种营养液多组分检测系统。该系统主要由离子选择电极、信号调理电路、数据采集电路以及基于DelpHi开发的采集软件组成,能实时在线检测pH电极、钾离子电极、钙离子电极以及硝酸根电极四种电极的电压信号,并将其转化为pH值和相应离子浓度值。对相互不存在交叉敏感干扰的氢离子和硝酸根离子,采用函数拟合的方式直接将pH电极和硝酸根电极转化为pH值和相应的硝酸根浓度;对相互存在交叉敏感干扰的钾离子和钙离子,采用遗传算法优化的BP神经网络建立交叉敏感模型来决策出相应的钾离子浓度和钙离子浓度,并与传统的BP神经网络算法进行了对比。最后采用多参数检测仪的测量结果和该系统得到的数据进行了对比来验证系统的准确可行性。     

基于斜率-截距校正算法的番茄营养液ISE监测

利用斜率-截距校正算法(SBC)解决离子选择电极连续在线测量电势漂移问题,结合Nernst线性模型预测无土栽培番茄苗期至果期营养液NO3-N、K+、Ca2+含量变化。结果表明:SBC校正算法可有效减少离子选择电极(ISE)电势漂移,提高线性预测模型重复性,校正后ISE响应斜率漂移范围不超过0.4 m V/decade,截距漂移范围可控制在1 m V以内。SBC校正算法可提高Nernst线性模型预测精度,NO3-N、K+、Ca2+含量预测平均相对误差分别从校正前的43.31%、38.46%、93.83%降至校正后的5.99%、7.44%、27.96%。校正后ISE可实现番茄营养液在线连续监测,反映营养液中目标离子含量变化。番茄花期养分吸收较活跃,NO3-N、K+、Ca2+含量分别下降45.19%、36.46%和27.92%。     

基于线性CCD混药浓度在线检测装置性能试验研究

使用基于线性CCD传感器的混药浓度检测装置对混药的浓度进行在线检测,在喷雾流量为3.2 L/min时对该检测装置进行标定,给出每种标定浓度下,每个像素点随采样时间的灰度值图。选用灰度值数据变异系数小于5%的第32～120号像素点作为有效像素点,用有效灰度值表示浓度。将每种浓度的胭脂红溶液下采集的50组有效值数据平均值与标准浓度采用最小二乘法对数拟合,得到有效灰度值与浓度之间的曲线关系,其相关系数为0.978 5。使用标定后的装置检测标准浓度溶液,每种标准浓度下记录连续的5组实测浓度,5组实测浓度间的变异系数均小于1.38%,说明检测装置稳定性较高。每种浓度下实测的5组浓度值的平均值与标准浓度之间的偏差均不大于0.018 4 g/L,相对误差均不大于3.081%,优于使用平均灰度值表征浓度的检测方法。     

设施蔬菜工厂化繁育营养液供液自动控制系统研究

利用PLC、触摸屏和传感器技术设计设施蔬菜工厂化繁育营养液供液自动控制系统。通过该自动化控制系统实现对营养液EC浓度与pH值数据的在线自动采集与自动控制。针对营养液供液系统具有非线性、大时滞的复杂控制特点,为提高系统的稳定性与可靠性,设计一个"二输入一输出"模糊控制器,通过模糊智能决策实现对系统EC、pH进行智能化调控,应用表明其EC、pH营养液参数响应速度快,过渡时间短,稳定性好,能很好的满足蔬菜生产营养液控制要求。     

生菜气雾化栽培营养液供给控制系统研究

为了实现生菜气雾化栽培营养液供给的自动监测与智能控制,探究了基于植物工厂及模糊控制的营养液加液调节及喷雾控制方法和系统。在营养液调节控制中,根据pH和电导率EC检测值,结合加液实验结果、模糊控制和基于PLC的现场和远程集成控制,通过控制加液电磁阀实现HCl溶液、NaOH溶液、母液和NaCl溶液加入量的控制,从而控制营养液浓度和pH值在设定范围。针对喷雾控制,根据培养架内温湿度的检测值来自动调节气雾化栽培营养液供给的喷雾频率,包括生菜生长所需的营养液供给时长和空闲时间间隔,实现营养液供给的智能控制。本系统现已在浙江大学农业科技园生菜气雾栽培中运用,营养液加液调节及喷雾控制满足了实际应用需要。     

温室营养液控制仪设计

介绍了一种温室营养液测控仪设计方案。硬件系统以单片机为核心,外扩适量ROM,人机对话接口,传感器,A/D转换并实现了各离子的在线检测;软件采用模块化设计,分为主程序模块,数据采集处理子程序等。     

基于介电特性的联合收获机小麦含水率检测装置研究

谷物水分的快速测量对谷物准确测产、粮食快速收储、精准农业实施具有重要意义。针对联合收获机动态作业条件下小麦水分检测稳定性差、测量精度低等问题,基于小麦介电特性原理,设计一种联合收获机水分在线检测装置,提出一种动态连续取样、静态间歇测量的新方法,实现了联合收获机作业条件下,在线快速稳定检测小麦含水率。在线检测装置由机械动态取样部分、电机控制模块、传感器模块、数据采集模块、卫星定位模块和显示终端组成。其中传感器模块包括水分传感器、温度传感器和料位传感器。开展了静态验证试验和田间动态验证试验。试验结果表明,静态条件下,含水率在线检测误差在3%以内;在田间动态变化条件下,建立了基于介电常数和温度因子的水分检测模型,实测值和检测值相关系数达到0.92,在线检测误差小于5%。采用动态连续采样、静态间歇测量的方法显著提高了含水率在线检测的精度,为实现小麦精准生产提供了一种快速测量手段。     

温室营养液控制仪设计

介绍了一种温室营养液测控仪设计方案。硬件系统以单片机为核心，外护适量HOM，人机对话接口，传感器，A/D转换并实现了各离子的在线检测；软件采用模块化设计，分为主程序模块，数据采集处理子程序等。     

柔性电导率芯片设计与营养液监测试验研究

设计并制备了一种基于喷墨打印的纳米银/单壁碳纳米管柔性电导率传感芯片。通过交流阻抗法对传感芯片进行建模标定，系统测试了该传感芯片的响应时间、稳定性、重复性、弯折及封装影响等性能，并与商用EC电极进行了性能对比，验证了该柔性芯片在无土栽培生菜营养液EC在线监测中的可行性。试验结果表明，叉指柔性EC芯片的电导率测定范围为25.8～3 098μS/cm,标准电导率溶液的测定相对误差小于8.02%,芯片响应时间为10 s, 12 h测定数据漂移小于3.91μS/(cm·h),稳定性和重复性与商用EC电极相当，0°～90°范围内弯折、PDMS封装对其性能无影响。水培生菜EC监测中，柔性EC传感芯片可准确获取营养液EC波动，检测结果与商用EC电极的最大绝对误差小于46μS/cm,最大相对误差小于3.2%,两种传感器测量结果均方根误差为28.29μS/cm。自制柔性电导率传感芯片与商用EC电极的性能相近，具有微小且可弯折等独特农业应用优势。     

基于双标图差异分析的离子选择电极营养液建模研究

基于双标图法量化表征了山崎生菜、山崎草莓、山崎番茄、康奈尔生菜、康奈尔草莓5种营养液配方以及NO_3-N、PO_4-P、K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、NH_4-N、SO_4-S 7种养分元素间的差异性。研究表明,NO_3-N、K~+、Ca~(2+)在差异性及含量比例皆排在前3位,同时山崎系列营养液配方与康奈尔系列营养液配方各自具有高度相关性。通过分别建立统一的建模样本集合进行支持向量机(SVM)模型训练,实现了对NO_3-N、K~+、Ca~(2+)的准确测量,相比于未进行差异性分析为输入的SVM预测模型,在山崎配方环境下,平均相对误差分别从7.66%、11.88%、11.55%减小至6.41%、6.14%、10.20%;在康奈尔配方环境下,平均相对误差则分别降低了1.79、2.98、1.13个百分点。基于双标图营养液配方分析方法可为无土栽培营养液电极法监测提供参考。     

花生收获机械土壤阻力测试装置试验与设计

为便于对花生收获机械作业过程中所受的土壤阻力进行测试与研究,研制了由机械部分、传感器和信息采集与处理3部分组成的花生收获机械土壤阻力测试装置。测试装置由拖拉机牵引可快速连续测试土壤阻力,并能实时显示、即时存储。系统标定和实验室试验表明:系统运行稳定,平均测试精度达93.07%;在田间进行两因素三水平验证试验,测试装置运行平稳,准确地反映了所受土壤阻力情况。     

油菜籽真空干燥智能控制系统设计

为了提高油菜籽干燥过程的加工质量与效率,研制了一套由PLC(Programmable Logic Controller)、触摸屏、传感器等组成的油菜籽真空干燥机及其智能控制系统,完成了油菜籽温度PID控制、水分在线检测、风机控制等系统的设计,并在MCGS平台上完成了上位机设计,监控现场已完成了设备的安装与调试,投入实验室生产过程.实验结果表明,该系统可以有效完成油菜籽干燥过程在线监控,较大程度地提高了油菜籽干燥系统的自动化程度.     

基于极限学习机的土壤硝态氮预测模型研究

利用极限学习机模型解译高氯离子干扰下盐碱土中硝酸根离子选择电极响应信号,系统分析了漂移校正算法、能斯特及极限学习机模型对电极法硝态氮(NO~-_3-N)预测结果准确性的影响差异。结果表明,漂移校正算法可明显提高传感器标定方程的重复性和一致性,响应斜率及截距电位的波动范围分别缩小了3.67%和7.25%;极限学习机模型的最优隐含层节点数为14;基于极限学习机的电极法NO~-_3-N质量浓度预测模型可较好抑制盐碱土中氯离子干扰,与标准检测结果之间的最大绝对误差和均方根误差分别为6.36 mg/L和4.02 mg/L。相关研究结论可为电极法测土过程中的信号校正、数据处理模型和模型参数选取提供参考。     

在线实时混药喷雾系统设计与试验

在线混药喷施技术具有喷施效率高、用药精准、环境污染小等特点。针对在线混药系统混药比范围小和农药小流量检测难等问题,设计了一种在线实时混药喷雾系统,作业过程中直接将混药注入喷雾泵的入口端实现混药的在线喷雾。设计了一种螺旋蜂孔板式混药器,蜂孔板有左旋和右旋两种,且交替安装。设计了一种碟形混药箱,由混药器流出的水药混合液在混药箱中进一步混合。系统使用精量柱塞泵供药,将药液直接注入喷雾系统;采用基于STM32嵌入式控制器实时检测到的水箱和混药箱的液位信息,通过电磁开关阀控制水的流量;水和药在螺旋蜂孔板式混药器中混合,切向流入碟形混药箱,最终由喷雾泵抽取进行喷施。为实现精准控制,对水箱出口的流量计和底部的压力计进行标定,得到水箱水位和压力计输出电压的关系模型及压力传感器输出电压和流量计之间的变化关系,并对水流量的控制精度进行了试验;对精量柱塞泵的转速与控制信号的脉冲频率以及转速和流量进行了标定,得到了转速与控制信号脉冲频率的变化关系,并对精量柱塞泵的供药精度进行了试验。在精量柱塞泵的工作流量范围内,采用同时对水和药分别进行测量的方法对混药比进行了试验,得到了混药比误差变化曲线。采用毒死蜱作为试验药液,对在线混药系统进行了混药试验,采用岛津液相色谱仪对采样点进行了浓度检测,得到各采样点实际浓度值,并与人工充分混药效果进行了对比。试验表明：混药比为150∶1～1000∶1时,混药比误差最大为6.75%;水流量平均误差为1.35%,最大误差为7.15%;农药流量平均误差为2%,最大误差为3%;在毒死蜱混药试验中,药水混合液浓度平均误差为11.7%。     

微型水培人工气候箱环境监控系统设计

针对水培菜生长过程中对光照强度、环境温湿度及营养液的不同需求,设计了一种微型水培人工气候箱环境监控系统,可用于家庭园艺或餐厅农场。基于STM32F103ZET6控制器,设计了系统相关硬件电路及系统控制程序,主要包括外部环境检测模块、外部环境调节模块、营养液检测模块、营养液调节模块、LCD显示及按键模块及上位机显示界面。用户可实时监测微型人工气候箱中的光照强度、温湿度以及营养液的pH(酸碱度)值、EC(电导率)值、DO(溶解氧)值和主要养分离子浓度,相关执行机构工作,可将各环境参数自动调节至标准阈值内,由上位机界面显示各环境参数的变化情况。系统运行测试结果表明:系统能够在15min内完成对作物生长所需各项环境参数的调节,为作物生长提供稳定可靠的环境条件,同时可监测所得主要养分离子浓度的变化情况,为后续研究作物生长养分吸收规律和养分动态管理提供依据。     

基于FPGA的温室灌溉智能测控系统

介绍了一种多参数温室灌溉智能测控系统的纯硬件实现.系统以Spartan-3A DSP FPGA为核心,对营养液混合过程中的营养液电导率和营养液酸碱度两个最重要的参数进行实时在线测量与控制,提出采用模糊逻辑控制技术来实现系统的有效控制,给出了基于Xilinx FPGA/CPLD开发平台和MATLAB/Simulink仿真环境进行DSP功能实现的方法和设计流程.实验仿真表明,系统设计紧凑、可靠,能够达到良好的控制效果.     

PTC电阻式车用油位传感器控制系统研究

为了提高油位传感器的精确性,避免传统传感器的不足,根据传统的电阻油位传感器提出了在结构上采用PTC探针式电阻来获取油位,实时检测探针两端电压来分析并获取油位,并采用PID控制对数据进行修正。提出了基于压差的合理性范围检测油位评估检测系统并运用Simulink搭建系统的模型,在评估油位时出现不合理错误会报告给DSM系统,并重新测量。用系统标定实验和系统测量实验来验证系统的准确性。系统在一定程度上提高了测量的准确性并能够有效避开温度等其他因素的影响,经实验证明在标定后的检测系统精确性较高,最大相对误差不超过2.90%。     

水肥混合液浓度检测交叉敏感抑制的研究

离子选择电极实现了水肥混合液浓度的在线检测,而交叉敏感现象影响了检测的精度;支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)算法具有求解效率高和避免维数灾难的能力,并适用于小样本数据模型。在水肥混合液浓度检测中应用SVR方法能很好地抑制交叉敏感现象,精确预测待测离子的浓度,预测相对误差小于10%。     

不同营养液质量浓度对温室盆栽黄瓜生长与基质环境的影响

采用一种负水头供水控水盆栽装置供给营养液,以山崎黄瓜专用营养液配方标准质量浓度为基准,研究了4种营养液质量浓度对温室基质盆栽黄瓜生长发育及其基质内离子质量浓度变化的影响。试验结果表明,黄瓜的生长速率和产量随着营养液质量浓度的增加而增加,采用负水头灌溉装置供液方式的要优于常规灌溉方式,不同营养液质量浓度与供液方式对黄瓜营...