家庭植物工厂环境因子调控系统设计.pdf

2018年 选用荷兰17马铃薯品种与辽杂37等6个早熟高粱品种 在营口市鲅鱼圈区熊岳镇进行复种 关键词 营口地区 马铃薯 高粱 复种 生育期 S 532 S 514 A 1671 0517 2020 05 0000 00 近年来 家庭植物工厂逐渐进入大众视野 在品种 营养液一定的情况下 栽培室内环境对果蔬生产效果起到 决定性作用 构建家庭植物工厂作物生产的最适环境条 件 将环境因子调控在最适宜作物生长的范围内 为家庭 植物工厂生产提供有力支撑 是获得高产优质果蔬的有力 保证 学者们借鉴人工光型植物工厂的设计经验 在家庭植 物工厂环境因子调控系统的设计方面开展了大量的研究工 作 多以单片机作为核心控制单元 以LED作为人工光 源 控制因子以光和温度为主 有的系统还包含湿度 CO2 等因子 控制方式逐渐由单机控制发展为基于物联网技术 的远程控制 目前 能源消耗较大 运行成本高仍是家庭 植物工厂存在的主要问题 关于家庭植物工厂控制模型的 研究还较为鲜见 1 4 在借鉴前人经验的基础上 结合家庭植物工厂生产的 农艺独特性 利用模糊控制技术 设计开发了家庭植物工 厂环境因子调控系统 实现对家庭植物工厂生产过程中影响 作物生长的环境温度 CO2浓度等环境因子实时调控 1 根据系统功能需求 设计系统总体结构如图1所示 系统由主控单元 信息采集单元及执行控制单元3部分构 成 主控单元是系统的核心 负责接收信息采集单元采集 数据 进行数据处理并根据控制策略对执行控制单元的各 种设备进行控制 信息采集单元由温湿度传感器 CO2浓度 传感器构成 负责采集栽培室内的环境因子数据 执行控 制单元包括LED灯 A B两组 风机和空调组成 通过 设备工作对栽培室内植物生长的温度 光照 CO2浓度等环 境因子进行调控 为植物的生长发育营造适宜的环境条件 1 系统采用MHW6070 1212 MR 6AD型触摸屏PLC一体 机作为系统控制器 兼容三菱FX2N系列 采用7寸触摸 屏 具有光耦隔离的12路开关量 6路4 20 mA模拟量信 号输入 支持10路开关量输出和2路0 10 V模拟量输出 具有485通讯口 支持 MODBU RTU通信协议 选用LT CG 12型分体式空气温湿度传感器 测量范围 空气温 度 40 80 空气湿度 0 100 RH 2路4 20 mA模拟量 信号输出 选用LT CG A0500型CO2浓度传感器 测量范 围0 2000 ppm 测量精度 4 1路4 20 mA模拟量信号输 出 传感器信号线直接接入控制器对应模拟输入口 控制 器通过0 10V模拟量信号输出端口 分别通过AQMD3610NS A 直流电机驱动器对风机转速进行控制及通过EECON QD变 频模块对空调压缩机的运行频率进行控制 2 2 1 1 1 fl 2 1 北京农业职业学院机电工程学院 北京 102208 2 淮北合鸣农业装备有限公司 安徽 淮北 235000 针对家庭植物工厂生产对环境条件的要求 开发了以空调与风机为执行设备的环境因子调控系统 设 计了多因素模糊控制策略 实现了环境温度 CO2浓度的综合调控 试验结果表明 系统运行状态下 环境温 度控制偏差小于 0 3 温度上升响应速度大于1 24 h CO2浓度调控偏差小于24 ppm 湿度上升响应速度 大于52 4 ppm h 所设计环境因子调控系统整体性能稳定可靠 能够满足家庭植物工厂生长所需环境要求 家庭植物工厂 环境调控 装置农业 模糊控制 S 317 A 1671 0517 2020 05 0007 04 2020 05 10 杨学坤 1981 男 山东潍坊人 硕士 副 研究员 从事设施农业装备研究 北京农业职业学院2019年度科研项目 XY YF 19 23 第22卷第5期 2020年9月 辽宁农业职业技术学院学报 Journal of Liaoning Agricultural Technical College Vol 22 No 5 Sep 2020 风机用以实现对栽培室内空气与外界空气换气 以满 足栽培室内温度 CO2浓度等环境因子需求 根据栽培室的 体积 换气频率 次 时 按照下列公式来选择 Q V n N 1 其中 Q表示单台风机风量 m 3 h N表示风机数量 台 V表示栽培室体积 m 3 n表示换气次数 次 时 系统换气次数n 20次 时 则总换气量为10 2 m 3 h 根 据公式 1 选用1台SJ4010HD2型轴流风机 功率为 1 2 W 风量为10 5 m 3 h 2 2LED 光是作物生长发育不可缺少的重要环境因子之一 LED光源光质可调 节能高效 稳定性强 响应时间快 无 污染 使用寿命长 成为家庭植物工厂的首选 在选择光源 时 从光强 光质两个维度进行考虑 一般来说 考虑到家 庭植物工厂的经济性 家庭植物工厂人工光系统的光合光子 通量 PPF 设计为350 mol m 2 s 左右 研究表明 家 庭植物工厂作物采用波长为620 680 nm红光和波长为400 500 nm的蓝光按照6 1和7 1进行配比的光源最适合其 生长 系统采用4只植物生长灯 T5 24W 长度为0 8 m 间距0 4 m 垂直方向距离叶片0 3 m 试验测得距离叶片 0 3 m处的光合光子通量 PPF 为367 5 mol m2 s 5 6 2 3 空调用以实现对栽培室内空气温度的调节 以满足作 物生长需求 压缩机根据栽培室体积 升温速度来选择空 调功率 按照热力学基本原理 系统总热负荷可以表示为 Q Q漏 Q内 2 其中 Q表示系统总热负荷 Q漏表示系统泄漏热负 荷 Q内表示系统内部热负荷 1 系统泄漏热负荷Q漏 系统泄漏热负荷Q漏又包括由于隔热层造成的泄漏热负 荷Q漏 隔和由于开门造成的泄漏热负荷Q漏 开两部分 隔热层造成的泄漏热负荷Q漏 隔可以表示为 3 其中 t1和t2表示空调风进出口温度 t3系统外温度 A 表示柜体外表面积 k1 k2表示柜体内外表面的换热系数 表示隔热层厚度 表示隔热层导热率 计算可得Q漏 隔 178 9 W 开门造成的泄漏热负荷Q漏 开可以表示为 Q漏 隔 V1 hn 3 6 4 其中 V表示栽培室体积 表示空气密度 h表示 进入栽培室内空气达到栽培室柜体温度是其降温降湿焓差 值 n表示开门次数 计算可得Q漏 开 18 0 W 综上可得 Q漏 Q漏 隔 Q漏 开 196 9 W 2 系统内部热负荷Q内 家庭植物工厂栽培室内的热负荷一般由LED灯管的热 负荷Q内 LED和风机的热负荷Q内 风机构成 LED灯管的热负荷Q内 LED可以表示为 Q内 LED nLED PLED 5 其中 nLED表示LED灯管数量 PLED表示单根LED灯管 功率 表示LED灯管位置对于热负荷的影响系数 计算 可得LED灯管的热负荷Q内 LED 48 0 W 风机的热负荷Q内 风机可以表示为 Q内 风机 n风机 P风机 6 其中 n风机表示风机数量 P风机表示单个风机功 率 计算可得风机的热负荷Q内 风机 7 2 W 综上可得 系统内部热负荷Q内 Q内 LED Q内 风机 55 2 W 根据1和2结果综合计算可得系统总热负荷Q 252 1 W 出于可靠性和稳定性考虑 增加10 的安全余量 即 系统的设计热负荷为277 3 W 系统选用GZY 200型空 调 核心采用取QD65型压缩机 功率360 W 制冷量为 600 W 可以满足系统要求 3 家庭植物工厂环境因子调控系统是一个非线性 多输 入多输出的复杂系统 7 系统采用模糊控制理论方法 建立 整套系统的模糊控制模型 采用非线性 时变控制 能够 较好地解决环境因子控制问题 8 包括温度和CO2浓度模糊 控制器 模糊控制系统结构如图2所示 9 10 2 为了保证系统稳定运行 将环境模糊控制系统设计成 由2个单输入单输出的温度模糊控制系统和CO2浓度模糊控 制器组成 温度模糊控制系统以栽培室内空气温度偏差e 为输入量 以空调控制为输出量 CO2浓度模糊控制器以栽 培室内CO2浓度为输入量 以风机开启模式作为系统输出 量 加入温度补偿系数D以解决风机与温度模糊控制之间 的矛盾 3 1 以栽培室内温度偏差e和温差变化率 e作为温度模糊 辽宁农业职业技术学院学报8 控制器的输入变量 设温度偏差e对应的模糊集为E 温度 偏差e在设定值的 2 2 范围以内为模糊控制区 范围 以外是确定控制区 模糊状态设计为5个 模糊集合定义为 E 极小 小 零 大 极大 即E NM N O P PM 表1 为温度偏e隶属度矢量值 温度控制器的输出量u为空调的控制模式 用5个模糊 状态表示分别对应空调开启模式 制冷全开 制冷半开 停 制热半开 制热全开 设输出量U的基本论域为 2 1 0 1 2 当输出量为负值时表示需要开启空调 制冷进行降温控制 为正值时表示需要开启空调制热进行 加热 为零时表示不调控 1 e 模糊语言 集E NM N O P PM 语言变量论域 2 1 0 0 0 0 1 0 0 5 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 5 0 2 0 0 0 0 1 3 2CO 2 currency1 以栽培室内CO2浓度与设定浓度偏差c作为CO2浓度模 糊控制器的输入变量 以风机开启模式U作为控制器的输 出变量 系统以500 ppm作为栽培室内CO2浓度的最低值 风机的开启模式分为停 半开 全开 分别用 0 1 2 来表示 设风机的3种工作模式对应的CO2浓度模糊控制 器输出量U的基本论域为 0 0 5 1 1 5 2 模糊语言 集合为 ZO PM PB CO2浓度模糊控制输出量的隶属 度值见表2 2 currency1 U 模糊语言 集U ZO PM PB 语言变量论域 0 1 0 0 0 5 0 5 0 0 1 0 0 5 1 1 5 0 1 0 2 0 0 1 4 为验证所设计家庭植物工厂环境因子调控系统控制性 能 在北京农业职业学院机电工程学院搭建了气雾栽培式 家庭植物工厂 2019年12月 2020年3月 在植物工厂内 进行了生菜和苜蓿草栽培试验 在实际生长过程中验证及 测试控制系统的工作效果 4 1 环境温度控制试验于2019年12月17日进行 当天天 气晴 室外最高气温4 最低气温 2 室内气温最高温 度24 3 最低温度16 3 栽培室内生菜处于幼苗期 温 度控制目标21 2 空调处于制冷状态 LED灯作为主要 热源可导致栽培室内温度升高 试验采集8 00 16 00的试 验数据 每15 min读取1次温度值 3 由图5可知 栽培室温度主要受空调控制 因LED灯 在试验期间始终处于开启状态导致栽培室温度持续升高趋 势 空调运行时 可使栽培室温度迅速降低 因为栽培室 温度的实际值比较靠近预设值 空调处于制冷半开状态 试验表明 栽培室温度调控平均响应速度大于1 24 h 控制偏差小于0 3 控制稳定性较好 4 2 CO 2 currency1 环境CO2浓度控制试验于2020年1月10日进行 室内 气温最高温度22 4 最低温度16 1 平均CO2浓度 558 1 ppm 栽培室内生菜处于发棵期 CO2浓度控制目标 500 ppm 风机处于全开状态 试验采集8 00 16 00的试 验数据 每15 min 读取1次CO2浓度值 4 CO 2 currency1 由图4可知 栽培室CO2浓度主要受风机控制 因LED 灯在试验期间始终处于开启状态 生菜始终处于光合作用 之中 风机停止运行时 CO2浓度始终处于下降状态 风机 开启后可在5 min内完成换气 栽培室CO2浓度与室内CO2 浓度基本持平 试验表明 栽培室CO2浓度平均响应速度 大于52 4 ppm h 控制偏差小于24 ppm 控制稳定性符合 要求 5 杨学坤等 家庭植物工厂环境因子调控系统设计 9 为了满足气雾栽培式家庭植物工厂作物生产需求 开 发了1套环境因子调控系统 设计了2套模糊控制模型 实 现了温度 CO2浓度2种核心环境因素的监测与控制 试验 结果表明 设计环境调控系统功能准确 性能稳定可靠 达到设计指标要求 1 范建 国内首例家庭版植物工厂在京诞生 N 科技日 报 2010 12 08 012 2 韩丹 刘华 卫勇 萨良兵 家庭式微植物工厂监控系统 设计 J 农业工程 2017 7 04 36 40 53 3 程峥 基于嵌入式和设备云平台的家庭植物工厂系统设 计 D 天津 天津工业大学 2019 4 张倩倩 气雾栽培式家庭植物工厂的设计及喷雾频率的 优化研究 D 杭州 浙江大学 2017 5 杨其长 魏灵玲 刘文科 植物工厂系统与实践 M 北 京 化学工业出社 2015 58 6 刘文科 杨其长 植物工厂LED照明应用的几点思考 J 照明工程学报 2015 26 04 98 102 7 戴剑锋 罗卫红 乔晓军 王成 基于模型的温室加温控 制目标优化系统研究 J 农业工程学报 2006 11 187 191 8 艾海波 基于嵌入式平台的微型植物工厂控制系统研究 D 太原 太原理工大学 2014 9 任延昭 模块化多因素关联控制智能温室设计研究 D 北京 中国农业大学 2018 10 谢秋菊 苏中滨 Ji Qin Ni 密闭式猪舍多环境因子调 控系统设计及调控策略 J 农业工程学报 2017 33 06 163 170 Design of environmental factor regulation system for home plant factory YANG Xuekun 1 HU Yaomei 1 ZHENG Shichao 2 1 School of Mechanical and Electrical Engineering Beijing Agricultural Vocational College Beijing 1002208 China 2 Huaibei Heming Agricultural Equipment Co LTD Huaibei 235000 China Abstract In order to meet the requirements of environmental conditions in the production of family plant plants a control system of environmental factors was developed with air conditioner and fan as the implementation equipment and a multi factor fuzzy control strategy was designed to realize the comprehensive control of environmental temperature and CO2 concentration The test results show that the deviation of environmental temperature control is less than 0 3 and the response rate of temperature rise is greater than 1 24 h The deviation of CO2 concentration control is less than 24ppm and the response rate of humidity rise is more than 52 4 ppm h The overall performance of the designed environmental factor regulation system is stable and reliable which can meet the environmental requirements for the growth of family plant plants Key words domestic plant factories environmental regulation plant agriculture fuzzy control 4 吕旭聪 翁星等 福建红曲中红曲菌的分离鉴定及菌株 特性研究 J 中国食品学报 2012 02 88 97 5 李钟庆 郭芳 红曲菌的形态与分类学 M 北京 中国轻 工业出版社 2003 108 6 俞斐 张根元 比色法测定几种常见药用食品中的胆固 醇含量 J 安徽医药 2004 8 3 217 220 7 肖连冬 王志强 降胆固醇红曲霉菌株的分离及其降解 性能研究 J 中国酿造 2015 34 5 74 77 Separation of Cholesterol lowering Monascus and Research of Cultural Conditions LI Hongmiao Liaoning Agricultural Technical College Yingkou 115009 China Abstract In this study four strains of Monascus were isolated from commercial Monascus and the strain M2 with the strongest ability of degrading cholesterol was screened by using chromogenic reagent of iron vitriol The results showed that the opti mum inoculum amount was 8 the optimum fermentation temperature was 30 C and the initial pH value of fermentation medi um was 4 6 Key words Monascus cholesterol inoculum amount temperature incipient pH currency1 6 辽宁农业职业技术学院学报10