2021年 10期 科技創(chuàng)新與應用 TechnologyInnovationandApplication 應用科技 棚室 CO 2 氣肥機作用機理與應用研究 姚 闖 1 張 林雁 2 任守華 1 1 黑龍 江 八 一 農(nóng)墾 大 學 信息 與 電 氣 工程 學院 黑龍 江 大 慶 163319 2 黑龍 江 八 一 農(nóng)墾 大 學 人 文 學院 黑龍 江 大 慶 163319 1 概述 近 年 來 隨著 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 的 逐 步 發(fā) 展 歐美 等國 家爭 相 采用 環(huán)境 控 制技術(shù) 在 育 種 作物 生 長 控 制 等 領(lǐng)域?qū)?氣體 施 肥 技術(shù)進行 了 深 入 的 研究 研 制 了基 于自 動 控 制的 溫 室 CO 2 控 制系統(tǒng) 1 2 目前 國 內(nèi)大多 采用 人 工 操 作 的方 式 對 棚 室 作物 生 長 環(huán)境 進行 調(diào) 控 自 動 化 控 制 手 段 應 用 較 少 3 4 空 氣 中的 二 氧 化 碳 含 量 約 330umol mol 在 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 中 溫 室 大 棚 與 外 界環(huán)境 之間 處 于 隔 離 狀 態(tài) 因 此 在 作 物 進行 光 合 作 用 一 段 時 間后 會 造 成 棚 室 內(nèi) CO 2 濃 度 降 低 影響作物 進行 光 合 作 用 5 文 獻 6 表 明 二 氧 化 碳濃 度 的高 低 是 直 接 影響 水 稻育秧 生 長 發(fā) 育 的 因 素 6 針 對 上 述 問題 提 出 了 以 ESP8266芯片 為 核心 采用 TELESKY傳 感 器 采集 CO 2 濃 度 并 將 收 集 到 的 數(shù) 據(jù) 上傳 至 上 位 機遠 程 控 制平 臺 進 而 通 過 硬 件 設(shè) 備 調(diào) 控 棚 室 CO 2 濃 度的 控 制方 案 實 現(xiàn)溫 室 內(nèi) CO 2 濃 度的 智 能 控 制的目的 通 過 實 驗 尋 求 較 為 合 理 的 棚 室 CO 2 濃 度 控 制方 案 為水 稻育秧 提 供 更 加 適 宜 的 生 長 環(huán)境 2 棚室氣肥機的作用機理 與 應用研究 2 1CO 2 對 水 稻育秧 生 長的 影響 大 氣 CO 2 濃 度 增加 會 增加 光 合 作 用 降 低 葉 分 配 指 數(shù) 增加 干 物質(zhì) 生產(chǎn) 和 產(chǎn) 量 大 氣 CO 2 濃 度 增加 會 縮 短 粳 稻 生 育 期 加 劇 溫 室 效 應 的主要 來 源 是 延 長 秈 稻 生 育 期 二 氧 化 碳濃 度 7 光 合 作 用的 原料 是 二 氧 化 碳 植 物 的 光 合 作 用 增 強 可 以 靠 二 氧 化 碳 施 肥 使 光 合 作 用 效 率 提 高 當 二 氧 化 碳濃 度 達 到 一 定 高度 值 植 物 的 光 合 作 用 效 率 不 再 隨 二 氧 化 碳濃 度 升 高 而 增 強 2 2 溫 室 大 棚 中 CO 2 濃 度 檢 測 早晚 溫 棚 中的 二 氧 化 碳濃 度 變 化是不 同 的 夜晚 產(chǎn) 出 大量 CO 2 作物 在 晚 上 由于自身 的 生 命 機 制進行 呼吸 作 用 土 壤 中的 大量 微 生 物 活 動 和有 機 質(zhì)分解 會 引 起溫 棚 內(nèi) CO 2 濃 度 迅 速 上 升 白 天 消 耗 CO 2 作物 在 日 出 后由 于 陽 光 的 照 射 使 光 合 作 用 加 強 又 迅 速 消 耗夜 間存 儲 的 二 氧 化 碳 使 其 濃 度 下 降 日 出 后 的 兩 個 小 時 后 要 打 開 溫 棚 封閉 裝 置 進行 通 風 換 氣 否 則 濃 度 將 繼續(xù) 下 降 最 終 導 致 葉 片 的 光 合 作 用 基 本 停 止 因 此 合 理 利 用 人 工 二 氧 化 碳 可 以 提 高 溫 棚 作物 產(chǎn) 量 這 也 是 溫 棚 必須 增 施 二 氧 化 碳 氣體 的主要 原因 8 3 棚室氣肥機系統(tǒng) 整體設(shè)計 方案 3 1 系統(tǒng) 總 體 設(shè)計 方 案 該 系統(tǒng)的 微 控 制 器 核心 是 ESP8266芯片 主要 包含 摘 要 針 對 溫室 大 棚 中 CO 2 濃 度 對 水 稻育秧 的 影響 機 理 研 制并 開發(fā) 了 一 套 CO 2 氣體 施 肥 機 控制系 統(tǒng) 上 位 機以 python 語言 開發(fā) 的 web系 統(tǒng) 可 實 時 顯 示 環(huán)境 參 數(shù) 和 氣肥 機 工 作 狀 態(tài) 系 統(tǒng) 間 通過 LoRa網(wǎng)絡(luò) 進 行 通 信 下 位 機以 ESP8266為 主 控 芯 片 采用 TELESKY傳 感 器 采 集 CO 2 濃 度 實 現(xiàn) 二氧 化 碳濃 度 隨 環(huán)境 參 數(shù) 的 變 化 而 進 行 自 動 調(diào)節(jié) 系 統(tǒng) 應 用 情況 顯 示 該 系 統(tǒng) 運 行可 靠 具 有較 強 可擴展性 和 良好 的 應 用 前 景 關(guān)鍵詞 CO 2 氣肥 機 水 稻育秧 App 中圖分類號 S224 2 文獻標志碼 A 文章編號 2095 2945 2021 10 0182 03 Abstract AccordingtothemechanismoftheeffectofCO 2 concentrationonriceseedlingraisingingreenhouse acontrol systemofCO 2 gasfertilizermachinewasdevelopedanddeveloped Thewebsystemdevelopedbythehostcomputerwith pythonlanguagecandisplaytheenvironmentalparametersandtheworkingstatusofthemachineinrealtime andthesystems communicatewitheachotherthroughLoRanetwork ThelowercomputerusesESP8266asthemaincontrolchip uses TELESKYsensortocollectCO 2 concentration andrealizestheautomaticadjustmentofcarbondioxideconcentrationwiththe changeofenvironmentalparameters Theapplicationofthesystemshowsthatthesystemrunsreliably withstrongexpansibility andgoodapplicationprospect Keywords CO 2 airfertilizermachine riceseedlingraising App 作者簡介 姚闖 1993 男 碩士 研究 生 研究 方向 農(nóng) 業(yè) 智 能 裝 備 通訊 作者 任守華 1977 男 碩士 副教授 電 學 基礎(chǔ)教 學 部主任 研究 方向 農(nóng) 業(yè) 信息 化 182 科技創(chuàng)新與應用 TechnologyInnovationandApplication 應用科技 2021年 10期 以下 四 部 分 控 制 節(jié) 點 數(shù) 據(jù) 采集 節(jié) 點 執(zhí) 行 機 構(gòu) 上 位 機 系統(tǒng) 總 體 結(jié)構(gòu) 如 圖 1所 示 圖 1系 統(tǒng) 總 體 結(jié) 構(gòu) 首先 使 用 數(shù) 據(jù) 采集 節(jié) 點 中的 設(shè) 備 監(jiān)測溫 室 環(huán)境 參 數(shù) 把 采集的 光照 溫 度和 CO 2 濃 度 通 過 LoRa網(wǎng)絡(luò) 收 集 到 的 數(shù) 據(jù)存 儲 在 遠 程 控 制平 臺 主要是 智 能 控 制 器 信 號 通 過 繼 電 器 對 CO 2 發(fā)生器控 制 命令 觸 發(fā) CO 2 發(fā)生器 機 制 根 據(jù) 水 稻育秧 所 需 的 最 優(yōu) CO 2 濃 度 在 遠 程 控 制平 臺 的 控 制 策 略 進行 設(shè)置 濃 度 值 3 2 硬 件 系統(tǒng) 設(shè)計 CO 2 對 水 稻育秧 的 影響因 子 包括 溫 室 內(nèi) 光照 和 溫 度 8 在 光照 強度 弱 和 溫 度 低 的 狀 況 下 都 會 影響 光 合 作 用 使效 率 下 降 在 這 樣狀 態(tài) 下 增加 CO 2 的 比較 浪費 成 本 因 此 要在 光 溫 一 定 條 件 下對 CO 2 調(diào) 控 要 同時 監(jiān)測 3個 環(huán)境 因 子 1 溫 室 內(nèi) 的 光照 2 溫 度 3 此 時 CO 2 濃 度 結(jié) 合 以 上 條 件 本系統(tǒng)中采集 數(shù) 據(jù) 節(jié) 點 的 模塊 主要 包括 ESP8266處 理 器 CO 2 傳 感 器 溫 度傳 感 器 光照 傳 感 器 以 及外 圍 擴展 模 塊 3 2 1ESP8266模塊 及 采集和 存 儲模塊 ESP8266WiFi透 傳 模塊 主要 特 點 是 超 低 功 耗 該 模 塊 與 傳 感 器 通 過 LoRa網(wǎng)絡(luò) 連 接 采集 數(shù) 據(jù) 上傳 服 務(wù) 器 獲 取 設(shè)置 上傳 數(shù) 據(jù)間 隔 時 鐘模塊 采用 DS3231芯片 主 要 功 能 1 計 算 采集 間 隔 2 記錄 采集 時 間 25Q32芯 片 作 為 數(shù) 據(jù)存 儲模塊 將 未 成 功 上傳的傳 感 器 數(shù) 據(jù)存 儲 其 中 采用 鋰 電 池 充 電管 理 芯片 TP4056對 鋰 電 池 充 電 整 體 電路 圖結(jié)構(gòu) 如 圖 2所 示 圖 2 整體 電 路 圖 結(jié) 構(gòu) 3 2 2CO 2 傳 感 器 模塊 本 設(shè) 備 采集 溫 室 大 棚 二 氧 化 碳濃 度 選擇 TELESKY 傳 感 器 性 能 穩(wěn) 定 安 全 廣泛 應 用 于 醫(yī)療 倉 庫 工 業(yè) 控 制 和 科 研 等 領(lǐng)域 如 圖 3所 示 圖 3TELESKY傳 感 器 3 2 3 溫 度傳 感 器 模塊 和 光照 傳 感 器 模塊 綜 合 多 種 傳 感 器 進行 溫 室 環(huán)境 監(jiān)測 對 比及 特 性 選定 DTKTM 2011測溫 模塊 用 于 連 接 多 路 數(shù) 字 式 溫 度傳 感 器 實 現(xiàn)溫 度的采集 數(shù) 據(jù) 上傳 功 能 光照 傳 感 器 采用 BH1750FVI芯片 設(shè)計 開 發(fā) 實 現(xiàn) 光照 強度的采集 數(shù) 據(jù) 上 傳 功 能 3 3 軟 件 系統(tǒng) 設(shè)計 3 3 1 上 位 機 本系統(tǒng)中的上 位 機 主要是 基 于 Python編 程 語 言 開 發(fā) 的 Web系統(tǒng)的 遠 程 控 制平 臺 通 過 代理 服 務(wù) 器 將 采集 的 數(shù) 據(jù) 信息 和 控 制 節(jié) 點 的 信 號 發(fā) 送 到 遠 程 控 制平 臺 系 統(tǒng) 采集 節(jié) 點 和 控 制 節(jié) 點 二 者 之間 的 通 信 協(xié) 議 是 一致 的 基 于 遙 測 傳 輸協(xié) 議 MQTT協(xié) 議 MQTT應 用 兩種 消 息 模 式 訂 閱 模 式 發(fā) 布 模 式 在 應 用中 數(shù) 據(jù) 采集 節(jié) 點 控 制 節(jié) 點 和上 位 機 的 發(fā) 布 主 題與 訂 閱 消 息 通 過 MQTT協(xié) 議 與 消 息 代理 服 務(wù) 器 作 為 橋梁 進行 連 接 其 功 能 如 圖 4所 示 圖 4MQTT協(xié)議 3 3 2 系統(tǒng) 軟 件 設(shè)計 系統(tǒng) 軟 件 主要是 由 Python開 發(fā) 的 CO 2 氣 肥智 能 控 制系統(tǒng) 主要 由 環(huán)境 數(shù) 據(jù) 采集 模塊 控 制 策 略 模塊 和 設(shè) 備 控 制 模塊 三 部 分組成 環(huán)境 數(shù) 據(jù) 采集 模塊 主要 存 儲 傳 輸 的 溫 度 CO 2 濃 度和 光照 數(shù) 據(jù) 設(shè) 備控 制 模塊 的主要 功 能 是 把 設(shè) 備 的 狀 態(tài) 具體 的 顯 示 出 來 并 且 可 以 進行 手 動 切 換 和 自 動 控 制 切 換 控 制 策 略 按 時 間 周 期 設(shè) 定 主要 包括 定 時 控 制和 閥 值 控 制 定 時 控 制方法是 設(shè)置 啟 動 時 間 間 183 2021年 10期 科技創(chuàng)新與應用 TechnologyInnovationandApplication 應用科技 隔 周 期和 周 期 數(shù) 來 執(zhí) 行 操 作 閥 值 控 制方法根 據(jù) 用 戶 設(shè) 置 固 定 的 CO 2 濃 度 值 根 據(jù) 濃 度 值 的高 低 來 滿足 開 啟 和 關(guān) 閉條 件 系統(tǒng)開 啟 條 件 光照 強度 R 空 氣 溫 度 T CO 2 濃 度 C 流 程 圖見圖 5 設(shè)置 界 面 見圖 6 圖 5閥 值 主 程 序流 圖 圖 6CO 2 控制 策略 設(shè) 置 界 面 3 4 系統(tǒng) 調(diào) 試 系統(tǒng) 檢 測 水 稻育秧 生 長 狀 態(tài) 如表 1 4 結(jié)論 本 課 題 主要 以 ESP8266為主 控 芯片 自 主開 發(fā) 了一 套 溫 棚 CO 2 控 制系統(tǒng) 能 夠 實 現(xiàn) 對 溫 棚 內(nèi) 環(huán)境 參 數(shù) 的 監(jiān) 測 并通 過 LoRa技術(shù)和 MQTT協(xié) 議 實 現(xiàn) 以 及 客戶 端 以 及 手機 APP顯 示 信息 根 據(jù) 溫 棚 內(nèi) 的 環(huán)境信息反 饋 CO 2 濃 度高 低情況 下 打 開和關(guān) 閉 系統(tǒng) 使 CO 2 的 利 用 率 最 大 化 使 水 稻育秧 在 合 理 控 制的 CO 2 濃 度 下 健康茁壯 的 生 長 同時 可 以實 現(xiàn) 工 廠 化 智 能化 生產(chǎn) 參考文獻 1 BerkelNVan CO 2 enrichmentin the Netherlands J Act Hort 1984 162 197 205 2 馬俊 賀 超興 閆妍 等 普 通 土 壤栽培增 施 CO 2 和 有 機 土 栽 培 對 日 光 溫室秋黃瓜 產(chǎn) 量和 品 質(zhì)的 影響 J 中國 蔬菜 2012 22 47 53 3 朱慶松 劉 秀青 設(shè)施 蔬菜 CO 2 施 肥 技術(shù) J 北 方 園 藝 2013 17 55 57 4 YongweiLi YingDing DaoliangLi etal Automaticcarbon dioxideenrichmentstrategiesinthegreenhouse Areview J biosystemsengineering 2018 171 101 119 5 梁惠媛 孫 新 溫室 應 用 CO 2 氣肥 機 的 好 處 J 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 與 電 氣 化 2003 06 47 6 肖 進 為 溫室 大 棚增 效 益 的 二氧 化 碳氣肥 機 J 農(nóng) 村百事 通 2000 11 18 7 楊 海 龍 蔡金洋 大 氣 CO 2 濃 度 增 加 與 溫 度 升 高 對 水 稻 生 育 影響 的模擬研究 進 展 J 南 方 農(nóng) 業(yè) 2019 13 31 81 85 8 胡 瑾 田 紫薇 汪 健康 等 基 于離散 曲 率 的 溫室 CO 2 優(yōu)化 調(diào) 控 模型研究 J 農(nóng) 業(yè) 機 械 學 報 2019 50 9 337 346 9 張 培 仁 傳 感 器 原 理 檢 測及 其 應 用 M 北京 清 華 大 學 出 版 社 2016 表 1不 同 CO 2 濃 度 同 等 光 照 強 度 和 溫 度 的水 稻育秧 生 長 狀 態(tài) 比較 184