棚室CO2气肥机作用机理与应用研究.pdf

2021年 10期 科技创新与应用 TechnologyInnovationandApplication 应用科技 棚室 CO 2 气肥机作用机理与应用研究 姚 闯 1 张 林雁 2 任守华 1 1 黑龙 江 八 一 农垦 大 学 信息 与 电 气 工程 学院 黑龙 江 大 庆 163319 2 黑龙 江 八 一 农垦 大 学 人 文 学院 黑龙 江 大 庆 163319 1 概述 近 年 来 随着 设 施 农 业 的 逐 步 发 展 欧美 等国 家争 相 采用 环境 控 制技术 在 育 种 作物 生 长 控 制 等 领域将 气体 施 肥 技术进行 了 深 入 的 研究 研 制 了基 于自 动 控 制的 温 室 CO 2 控 制系统 1 2 目前 国 内大多 采用 人 工 操 作 的方 式 对 棚 室 作物 生 长 环境 进行 调 控 自 动 化 控 制 手 段 应 用 较 少 3 4 空 气 中的 二 氧 化 碳 含 量 约 330umol mol 在 设 施 农 业 中 温 室 大 棚 与 外 界环境 之间 处 于 隔 离 状 态 因 此 在 作 物 进行 光 合 作 用 一 段 时 间后 会 造 成 棚 室 内 CO 2 浓 度 降 低 影响作物 进行 光 合 作 用 5 文 献 6 表 明 二 氧 化 碳浓 度 的高 低 是 直 接 影响 水 稻育秧 生 长 发 育 的 因 素 6 针 对 上 述 问题 提 出 了 以 ESP8266芯片 为 核心 采用 TELESKY传 感 器 采集 CO 2 浓 度 并 将 收 集 到 的 数 据 上传 至 上 位 机远 程 控 制平 台 进 而 通 过 硬 件 设 备 调 控 棚 室 CO 2 浓 度的 控 制方 案 实 现温 室 内 CO 2 浓 度的 智 能 控 制的目的 通 过 实 验 寻 求 较 为 合 理 的 棚 室 CO 2 浓 度 控 制方 案 为水 稻育秧 提 供 更 加 适 宜 的 生 长 环境 2 棚室气肥机的作用机理 与 应用研究 2 1CO 2 对 水 稻育秧 生 长的 影响 大 气 CO 2 浓 度 增加 会 增加 光 合 作 用 降 低 叶 分 配 指 数 增加 干 物质 生产 和 产 量 大 气 CO 2 浓 度 增加 会 缩 短 粳 稻 生 育 期 加 剧 温 室 效 应 的主要 来 源 是 延 长 籼 稻 生 育 期 二 氧 化 碳浓 度 7 光 合 作 用的 原料 是 二 氧 化 碳 植 物 的 光 合 作 用 增 强 可 以 靠 二 氧 化 碳 施 肥 使 光 合 作 用 效 率 提 高 当 二 氧 化 碳浓 度 达 到 一 定 高度 值 植 物 的 光 合 作 用 效 率 不 再 随 二 氧 化 碳浓 度 升 高 而 增 强 2 2 温 室 大 棚 中 CO 2 浓 度 检 测 早晚 温 棚 中的 二 氧 化 碳浓 度 变 化是不 同 的 夜晚 产 出 大量 CO 2 作物 在 晚 上 由于自身 的 生 命 机 制进行 呼吸 作 用 土 壤 中的 大量 微 生 物 活 动 和有 机 质分解 会 引 起温 棚 内 CO 2 浓 度 迅 速 上 升 白 天 消 耗 CO 2 作物 在 日 出 后由 于 阳 光 的 照 射 使 光 合 作 用 加 强 又 迅 速 消 耗夜 间存 储 的 二 氧 化 碳 使 其 浓 度 下 降 日 出 后 的 两 个 小 时 后 要 打 开 温 棚 封闭 装 置 进行 通 风 换 气 否 则 浓 度 将 继续 下 降 最 终 导 致 叶 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 温 棚 作物 产 量 这 也 是 温 棚 必须 增 施 二 氧 化 碳 气体 的主要 原因 8 3 棚室气肥机系统 整体设计 方案 3 1 系统 总 体 设计 方 案 该 系统的 微 控 制 器 核心 是 ESP8266芯片 主要 包含 摘 要 针 对 温室 大 棚 中 CO 2 浓 度 对 水 稻育秧 的 影响 机 理 研 制并 开发 了 一 套 CO 2 气体 施 肥 机 控制系 统 上 位 机以 python 语言 开发 的 web系 统 可 实 时 显 示 环境 参 数 和 气肥 机 工 作 状 态 系 统 间 通过 LoRa网络 进 行 通 信 下 位 机以 ESP8266为 主 控 芯 片 采用 TELESKY传 感 器 采 集 CO 2 浓 度 实 现 二氧 化 碳浓 度 随 环境 参 数 的 变 化 而 进 行 自 动 调节 系 统 应 用 情况 显 示 该 系 统 运 行可 靠 具 有较 强 可扩展性 和 良好 的 应 用 前 景 关键词 CO 2 气肥 机 水 稻育秧 App 中图分类号 S224 2 文献标志码 A 文章编号 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 作者简介 姚闯 1993 男 硕士 研究 生 研究 方向 农 业 智 能 装 备 通讯 作者 任守华 1977 男 硕士 副教授 电 学 基础教 学 部主任 研究 方向 农 业 信息 化 182 科技创新与应用 TechnologyInnovationandApplication 应用科技 2021年 10期 以下 四 部 分 控 制 节 点 数 据 采集 节 点 执 行 机 构 上 位 机 系统 总 体 结构 如 图 1所 示 图 1系 统 总 体 结 构 首先 使 用 数 据 采集 节 点 中的 设 备 监测温 室 环境 参 数 把 采集的 光照 温 度和 CO 2 浓 度 通 过 LoRa网络 收 集 到 的 数 据存 储 在 远 程 控 制平 台 主要是 智 能 控 制 器 信 号 通 过 继 电 器 对 CO 2 发生器控 制 命令 触 发 CO 2 发生器 机 制 根 据 水 稻育秧 所 需 的 最 优 CO 2 浓 度 在 远 程 控 制平 台 的 控 制 策 略 进行 设置 浓 度 值 3 2 硬 件 系统 设计 CO 2 对 水 稻育秧 的 影响因 子 包括 温 室 内 光照 和 温 度 8 在 光照 强度 弱 和 温 度 低 的 状 况 下 都 会 影响 光 合 作 用 使效 率 下 降 在 这 样状 态 下 增加 CO 2 的 比较 浪费 成 本 因 此 要在 光 温 一 定 条 件 下对 CO 2 调 控 要 同时 监测 3个 环境 因 子 1 温 室 内 的 光照 2 温 度 3 此 时 CO 2 浓 度 结 合 以 上 条 件 本系统中采集 数 据 节 点 的 模块 主要 包括 ESP8266处 理 器 CO 2 传 感 器 温 度传 感 器 光照 传 感 器 以 及外 围 扩展 模 块 3 2 1ESP8266模块 及 采集和 存 储模块 ESP8266WiFi透 传 模块 主要 特 点 是 超 低 功 耗 该 模 块 与 传 感 器 通 过 LoRa网络 连 接 采集 数 据 上传 服 务 器 获 取 设置 上传 数 据间 隔 时 钟模块 采用 DS3231芯片 主 要 功 能 1 计 算 采集 间 隔 2 记录 采集 时 间 25Q32芯 片 作 为 数 据存 储模块 将 未 成 功 上传的传 感 器 数 据存 储 其 中 采用 锂 电 池 充 电管 理 芯片 TP4056对 锂 电 池 充 电 整 体 电路 图结构 如 图 2所 示 图 2 整体 电 路 图 结 构 3 2 2CO 2 传 感 器 模块 本 设 备 采集 温 室 大 棚 二 氧 化 碳浓 度 选择 TELESKY 传 感 器 性 能 稳 定 安 全 广泛 应 用 于 医疗 仓 库 工 业 控 制 和 科 研 等 领域 如 图 3所 示 图 3TELESKY传 感 器 3 2 3 温 度传 感 器 模块 和 光照 传 感 器 模块 综 合 多 种 传 感 器 进行 温 室 环境 监测 对 比及 特 性 选定 DTKTM 2011测温 模块 用 于 连 接 多 路 数 字 式 温 度传 感 器 实 现温 度的采集 数 据 上传 功 能 光照 传 感 器 采用 BH1750FVI芯片 设计 开 发 实 现 光照 强度的采集 数 据 上 传 功 能 3 3 软 件 系统 设计 3 3 1 上 位 机 本系统中的上 位 机 主要是 基 于 Python编 程 语 言 开 发 的 Web系统的 远 程 控 制平 台 通 过 代理 服 务 器 将 采集 的 数 据 信息 和 控 制 节 点 的 信 号 发 送 到 远 程 控 制平 台 系 统 采集 节 点 和 控 制 节 点 二 者 之间 的 通 信 协 议 是 一致 的 基 于 遥 测 传 输协 议 MQTT协 议 MQTT应 用 两种 消 息 模 式 订 阅 模 式 发 布 模 式 在 应 用中 数 据 采集 节 点 控 制 节 点 和上 位 机 的 发 布 主 题与 订 阅 消 息 通 过 MQTT协 议 与 消 息 代理 服 务 器 作 为 桥梁 进行 连 接 其 功 能 如 图 4所 示 图 4MQTT协议 3 3 2 系统 软 件 设计 系统 软 件 主要是 由 Python开 发 的 CO 2 气 肥智 能 控 制系统 主要 由 环境 数 据 采集 模块 控 制 策 略 模块 和 设 备 控 制 模块 三 部 分组成 环境 数 据 采集 模块 主要 存 储 传 输 的 温 度 CO 2 浓 度和 光照 数 据 设 备控 制 模块 的主要 功 能 是 把 设 备 的 状 态 具体 的 显 示 出 来 并 且 可 以 进行 手 动 切 换 和 自 动 控 制 切 换 控 制 策 略 按 时 间 周 期 设 定 主要 包括 定 时 控 制和 阀 值 控 制 定 时 控 制方法是 设置 启 动 时 间 间 183 2021年 10期 科技创新与应用 TechnologyInnovationandApplication 应用科技 隔 周 期和 周 期 数 来 执 行 操 作 阀 值 控 制方法根 据 用 户 设 置 固 定 的 CO 2 浓 度 值 根 据 浓 度 值 的高 低 来 满足 开 启 和 关 闭条 件 系统开 启 条 件 光照 强度 R 空 气 温 度 T CO 2 浓 度 C 流 程 图见图 5 设置 界 面 见图 6 图 5阀 值 主 程 序流 图 图 6CO 2 控制 策略 设 置 界 面 3 4 系统 调 试 系统 检 测 水 稻育秧 生 长 状 态 如表 1 4 结论 本 课 题 主要 以 ESP8266为主 控 芯片 自 主开 发 了一 套 温 棚 CO 2 控 制系统 能 够 实 现 对 温 棚 内 环境 参 数 的 监 测 并通 过 LoRa技术和 MQTT协 议 实 现 以 及 客户 端 以 及 手机 APP显 示 信息 根 据 温 棚 内 的 环境信息反 馈 CO 2 浓 度高 低情况 下 打 开和关 闭 系统 使 CO 2 的 利 用 率 最 大 化 使 水 稻育秧 在 合 理 控 制的 CO 2 浓 度 下 健康茁壮 的 生 长 同时 可 以实 现 工 厂 化 智 能化 生产 参考文献 1 BerkelNVan CO 2 enrichmentin the Netherlands J Act Hort 1984 162 197 205 2 马俊 贺 超兴 闫妍 等 普 通 土 壤栽培增 施 CO 2 和 有 机 土 栽 培 对 日 光 温室秋黄瓜 产 量和 品 质的 影响 J 中国 蔬菜 2012 22 47 53 3 朱庆松 刘 秀青 设施 蔬菜 CO 2 施 肥 技术 J 北 方 园 艺 2013 17 55 57 4 YongweiLi YingDing DaoliangLi etal Automaticcarbon dioxideenrichmentstrategiesinthegreenhouse Areview J biosystemsengineering 2018 171 101 119 5 梁惠媛 孙 新 温室 应 用 CO 2 气肥 机 的 好 处 J 农 业 机 械 化 与 电 气 化 2003 06 47 6 肖 进 为 温室 大 棚增 效 益 的 二氧 化 碳气肥 机 J 农 村百事 通 2000 11 18 7 杨 海 龙 蔡金洋 大 气 CO 2 浓 度 增 加 与 温 度 升 高 对 水 稻 生 育 影响 的模拟研究 进 展 J 南 方 农 业 2019 13 31 81 85 8 胡 瑾 田 紫薇 汪 健康 等 基 于离散 曲 率 的 温室 CO 2 优化 调 控 模型研究 J 农 业 机 械 学 报 2019 50 9 337 346 9 张 培 仁 传 感 器 原 理 检 测及 其 应 用 M 北京 清 华 大 学 出 版 社 2016 表 1不 同 CO 2 浓 度 同 等 光 照 强 度 和 温 度 的水 稻育秧 生 长 状 态 比较 184