基于無線傳感網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境二氧化碳精準調(diào)控系統(tǒng)

張海輝 邵志成 張佐經(jīng) 吳婷婷 王傳哲 辛萍萍

(西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100)

基于無線傳感網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境二氧化碳精準調(diào)控系統(tǒng)

張海輝 邵志成 張佐經(jīng) 吳婷婷 王傳哲 辛萍萍

(西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100)

設(shè)計了一套基于無線傳感網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境二氧化碳精準調(diào)控系統(tǒng)，包括主控節(jié)點、監(jiān)測節(jié)點及補施節(jié)點，通過ZigBee協(xié)議實現(xiàn)節(jié)點間信息交互。監(jiān)測節(jié)點實時獲取設(shè)施內(nèi)多點二氧化碳濃度、溫度、光照數(shù)據(jù)；主控節(jié)點根據(jù)作物各階段最適生長環(huán)境，結(jié)合溫度與光照閾值，動態(tài)計算二氧化碳濃度目標值與實時值之間的差值作為調(diào)控參數(shù)，采用反饋控制實現(xiàn)二氧化碳動態(tài)調(diào)控；為改善以往設(shè)施二氧化碳補施不均的普遍現(xiàn)象，設(shè)施中氣體擴散管道采取雙M型布置方式，設(shè)計開孔大小不同的二氧化碳擴散孔，由補施節(jié)點配合對流裝置控制各小區(qū)域的二氧化碳排放量，達到均勻和定量補施的目的。實地布置和試驗表明基于無線傳感網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)可實現(xiàn)穩(wěn)定可靠運行，以設(shè)施番茄為研究對象，在面積36.66 m2日光溫室內(nèi)補施目標值與實時值的相對誤差小于3.5%，在面積27.74 m2玻璃溫室內(nèi)驗證監(jiān)測節(jié)點間二氧化碳濃度變異系數(shù)小于2.93%，證明本系統(tǒng)可實現(xiàn)二氧化碳精準及均勻補充。

設(shè)施環(huán)境； 二氧化碳； 無線傳感網(wǎng)； 精準補施； 均勻補施

引言

二氧化碳是植物進行光合作用的必要物質(zhì)[1-2]，精準定量補施是保證植物高效利用降低高濃度二氧化碳對于植物光合富營養(yǎng)化影響的關(guān)鍵[3]。燃燒秸稈補施溫室二氧化碳“氣肥”雖能滿足植物進行光合作用的需求，但其費事費工，環(huán)境污染，不安全問題突出[4-5]；設(shè)施自動化或半自動化定量施肥，可以提高二氧化碳精準補施的工作效率，但無法滿足植物進行最優(yōu)光合作用所需二氧化碳的濃度，造成利用率低和資源浪費[6-7]。

國內(nèi)外已經(jīng)在設(shè)施環(huán)境二氧化碳監(jiān)測與調(diào)控方面開展了相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)應用研究，取得了很多成果[8-11]。在環(huán)境信息監(jiān)測方面，李少華等[12]開發(fā)的基于單片機控制的溫室二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計，能滿足二氧化碳無線智能化補施要求，但存在單點監(jiān)測與布線困難等問題；溫竹等[13]開發(fā)的基于JN5148的溫室二氧化碳濃度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了無線溫室內(nèi)二氧化碳濃度值的實時監(jiān)測，但未進行二氧化碳濃度的調(diào)控；張海輝等[14]研制的基于WSN的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)施二氧化碳濃度信息實現(xiàn)自動匯聚和無線傳輸。在設(shè)施環(huán)境二氧化碳精準調(diào)控方面，張漫等[15]研發(fā)的基于WSN的溫室二氧化碳氣肥優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)研究，實現(xiàn)溫室二氧化碳氣肥的精準管理，但未對監(jiān)測與控制實現(xiàn)無線分離；王東等[16]設(shè)計了溫室大棚二氧化碳濃度精準調(diào)控系統(tǒng)，完成了基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的二氧化碳濃度的精準控制，試驗結(jié)果表明系統(tǒng)具有監(jiān)測精度高、可靠性高等特點，但未開啟二氧化碳氣體均勻性補施研究。在設(shè)施二氧化碳均勻性補施方面，劉妍華等[17]運用Fluent軟件模擬仿真了增施二氧化碳氣肥對溫室流場影響的數(shù)值模擬及驗證，但未結(jié)合具體作物進行二氧化碳氣肥調(diào)控。王雙喜等[18]運用氣體射流理論，分析研究溫室內(nèi)補施二氧化碳濃度分布的均勻性，結(jié)果表明二氧化碳的變異系數(shù)保持小于3.1%，但補施過程未考慮植物所處溫度與光照條件下對光合作用的影響，且未考慮管道各個導氣孔流量之間的差異,造成二氧化碳補施相對不均。

本文以日光溫室試驗基地進行二氧化碳調(diào)控效果為研究對象，依據(jù)溫室空間的拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)建ZigBee無線自組網(wǎng)，通過監(jiān)測節(jié)點，主控節(jié)點及補施節(jié)點的無線互聯(lián)，根據(jù)溫室二氧化碳濃度、溫度及光照動態(tài)調(diào)控二氧化碳濃度。監(jiān)測節(jié)點探測設(shè)施環(huán)境二氧化碳濃度、溫度、光照強度；主控節(jié)點依據(jù)番茄所處生長階段所需的最優(yōu)二氧化碳濃度進行動態(tài)調(diào)控，基于流量反饋調(diào)控機制下發(fā)控制命令；補施節(jié)點設(shè)計基于流量監(jiān)測的氣體聯(lián)控模塊，以改善氣肥智能化補施水平，實現(xiàn)精準與按需施肥。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由主控節(jié)點、監(jiān)測節(jié)點及補施節(jié)點3部分組成，總體架構(gòu)如圖1所示。采用低功耗芯片CC2530F256作為中心處理單元，組網(wǎng)方式采用星型拓撲結(jié)構(gòu)。其中，主控節(jié)點擔任WSN中協(xié)調(diào)器的功能，負責建立網(wǎng)絡(luò)與添加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的路由器，負責加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能。補施節(jié)點也作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的路由器。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of system hardware

系統(tǒng)中，監(jiān)測節(jié)點負責設(shè)施環(huán)境信息的采集，該節(jié)點獲取設(shè)施環(huán)境溫度、光照強度及二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，通過調(diào)用射頻發(fā)送函數(shù)，無線傳輸環(huán)境參量至主控節(jié)點。

補施節(jié)點主要完成終端命令的執(zhí)行與調(diào)控信息的反饋，該路由節(jié)點獲取終端命令解析得控制指令，決定啟閉氣罐電磁閥與對流裝置，同時渦街流量計監(jiān)測流量值，反饋至主控節(jié)點維護系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

主控節(jié)點主要負責設(shè)施環(huán)境信息的交互與模型的處理。該節(jié)點通過具有人機交互的工控機進行模型處理，結(jié)合渦街流量計的的反饋信息，進而下發(fā)控制信號至補施節(jié)點。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用CC2530F256處理器進行監(jiān)測、補施及主控3類節(jié)點的硬件設(shè)計，利用射頻收發(fā)電路實現(xiàn)設(shè)備間的信息交互。

2.1 監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點硬件電路主要完成環(huán)境信息采集與無線上傳功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。硬件電路主要包括電源模塊、溫度采集模塊、二氧化碳濃度監(jiān)測模塊及光照測量模塊。

圖2 監(jiān)控節(jié)點電路圖Fig.2 Diagram of monitoring node circuit

監(jiān)測節(jié)點支持5 V與3.3 V供電；使用DS18B20溫度傳感器監(jiān)測設(shè)施環(huán)境溫度參數(shù)，二氧化碳傳感器使用英國GSS公司產(chǎn)的COZIR傳感器，COZIR支持串口通信功能，通過與單片機的TXD和RXD端口獲得濃度信息，光照測量模塊使用美國DAVIS公司產(chǎn)的6450 Pro光輻射傳感器，模塊支持A/D采樣，與單片機的模數(shù)端口連接。

2.2 補施節(jié)點設(shè)計

補施節(jié)點包括電源模塊、驅(qū)動模塊、氣罐電磁閥、對流裝置及渦街流量計，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。補施節(jié)點接收主控節(jié)點無線下達的控制信號，架設(shè)在控制終端的渦街流量計，上傳監(jiān)測的二氧化碳釋放量為主控節(jié)點的控制提供反饋信息，判斷啟閉氣罐電磁閥與對流裝置，從而實現(xiàn)二氧化碳精準定量補施。

圖3 補施節(jié)點電路圖Fig.3 Diagram of fertilizing node circuit

電源模塊為節(jié)點各個模塊提供電能，驅(qū)動模塊實現(xiàn)終端命令至末端執(zhí)行的轉(zhuǎn)換過程，氣罐電磁閥控制二氧化碳的出氣，決定整個補施空間內(nèi)的二氧化碳濃度含量，對流裝置加速氣體均勻擴散至整個流體空間。渦街流量計為補施提供反饋信息，決定二氧化碳氣罐釋放量。

2.3 主控節(jié)點設(shè)計

主控節(jié)點硬件電路主要包括電源模塊，無線模塊，串口通信模塊及工控機開發(fā)組件。中心處理節(jié)點為無線交互與模型處理提供硬件平臺。結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示，其中，無線模塊為信息交互提供硬件平臺，串口通信模塊負責單片機與工控機之間的信息交互，工控機開發(fā)組件擔任模型處理與狀態(tài)指示職責。

圖4 主控節(jié)點電路圖Fig.4 Diagram of master node circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)包括監(jiān)測節(jié)點、補施節(jié)點及主控節(jié)點3部分，全部采用標準C語言進行編程，對于系統(tǒng)移植與應用擴展具有極大的便利性。

3.1 監(jiān)測節(jié)點軟件開發(fā)

監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計主要功能包括加入?yún)f(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)，環(huán)境參量的采集與無線信息的發(fā)送。監(jiān)測節(jié)點程序中設(shè)定與協(xié)調(diào)器相同頻段的局域網(wǎng)號，通過查找同頻段的協(xié)調(diào)器，申請加入網(wǎng)絡(luò)，同時協(xié)調(diào)器隨機分配一個網(wǎng)絡(luò)地址給監(jiān)測節(jié)點。組網(wǎng)成功后，初始化系統(tǒng)參數(shù)，完成設(shè)施環(huán)境溫度、光照及二氧化碳濃度采集，調(diào)用射頻發(fā)送函數(shù)，實現(xiàn)環(huán)境參量的無線上傳，最終完成協(xié)調(diào)器接收設(shè)施環(huán)境信息，程序流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測節(jié)點軟件流程圖Fig.5 Flow chart of monitoring node software

3.2 補施節(jié)點軟件開發(fā)

圖6 補施節(jié)點軟件流程圖Fig.6 Flow chart of fertilizing node software

補施節(jié)點軟件設(shè)計包括加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，流量信息的上傳及無線接收控制信息，程序流程如圖6所示。加入?yún)f(xié)調(diào)器所組網(wǎng)絡(luò)，原理同監(jiān)控節(jié)點相同。初始化系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)RS485串口通信協(xié)議采集二氧化碳釋放量，上傳至主控節(jié)點提供反饋信息，射頻接收函數(shù)獲取主控節(jié)點發(fā)送的終端命令，并進行解析提取，確定啟閉氣罐電磁閥與對流扇，考慮長時間導氣孔開啟狀態(tài)下，氣體液化吸熱會導致罐體結(jié)冰，故通過特定空占比的方波控制信號補施二氧化碳，實現(xiàn)不間斷連續(xù)調(diào)控二氧化碳氣體。

3.3 主控節(jié)點軟件開發(fā)

主控節(jié)點包括基于ZigBee主控平臺與基于Linux工控機平臺的軟件開發(fā)，主控平臺通過搭建ZigBee無線自組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)設(shè)定方向無線傳播。工控機平臺通過模型處理下發(fā)控制信號。

3.3.1 工控機平臺軟件設(shè)計

工控機作為整個系統(tǒng)的大腦中樞，處理主控平臺上傳的無線信息。工控機通電后，初始化系統(tǒng)時間、工控機界面等系統(tǒng)操作，工控機平臺通過RS232串口通信協(xié)議獲取設(shè)施環(huán)境內(nèi)溫度、光照、二氧化碳濃度及氣體釋放流量，根據(jù)植物在特定生長期所需的最優(yōu)二氧化碳濃度，以及植物所需溫度與光照環(huán)境條件下，結(jié)合流量計的反饋信息，下發(fā)終端控制命令。系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 工控機開發(fā)平臺界面Fig.7 Interface of development platform

調(diào)控系統(tǒng)補施方式設(shè)有最優(yōu)模式，該模式針對設(shè)施環(huán)境作物單一的情況，通過番茄在特定生長期所需的二氧化碳濃度的差異性，與植物所處設(shè)施環(huán)境中二氧化碳濃度進行橫向?qū)Ρ龋Y(jié)合設(shè)施環(huán)境所處溫度與光照限定條件下，配合流量反饋信息，判斷設(shè)備工作模式。

3.3.2 主控平臺軟件設(shè)計

主控平臺軟件設(shè)計主要包括創(chuàng)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的匯集與下發(fā)及串口數(shù)據(jù)通信。創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)主要完成構(gòu)建特定頻率的網(wǎng)絡(luò)及允許同頻段的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入；數(shù)據(jù)的匯集與下發(fā)主要實現(xiàn)信息按照程序設(shè)定方向?qū)崿F(xiàn)定向流動；串口數(shù)據(jù)通信主要實現(xiàn)主控平臺與工控機平臺之間的有線互聯(lián)，軟件流程如圖8所示。

圖8 主控節(jié)點軟件流程圖Fig.8 Flow chart of master node software

主控平臺上電以后，協(xié)調(diào)器選擇空閑信道，以特定頻率組建網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用射頻接收函數(shù)獲取監(jiān)測節(jié)點環(huán)境參量與補施節(jié)點反饋信息，再調(diào)用串口寫函數(shù)，向工控機發(fā)送環(huán)境參數(shù)與二氧化碳排放量，同時，主控節(jié)點調(diào)用串口讀函數(shù)，等待獲得工控機串口發(fā)送來的終端命令，命令以廣播的方式無線下發(fā)。

4 調(diào)控原理分析

相關(guān)研究表明[19-22]，不同生長期番茄所需二氧化碳最優(yōu)濃度具有差異性，苗期約為700 μmol/mol，果期約為1 300 μmol/mol，且發(fā)現(xiàn)在不適宜的溫度與光照環(huán)境下補施二氧化碳，不僅造成資源浪費，且植株在高濃度二氧化碳環(huán)境下，所處低溫或高溫以及無光或強光下，都會極大的抑制光合作用。通過查詢相關(guān)文獻可知，番茄的最適光照與溫度分別為250～380 W/m2與18～30℃，其中最佳溫度在26～30℃之間。

系統(tǒng)以最優(yōu)濃度與實時濃度的差值為調(diào)控參數(shù)。氣罐所需排放二氧化碳總流量為

(1)

式中Qtotal——氣罐二氧化碳總流量Cn——目標二氧化碳濃度C——實時二氧化碳濃度Voffset——系統(tǒng)補施空間Cout——氣罐出氣孔處二氧化碳濃度t——補施時間

考慮到調(diào)控過程二氧化碳的無規(guī)則擴散，通過搭建如圖9所示的雙M型氣體導輸管道，設(shè)計各出氣孔瞬時流量相同，實現(xiàn)均勻性補施。氣罐總流量與各出氣孔瞬時流量定量關(guān)系式為

Qtotal=nQ

(2)

式中Q——各個出氣孔的瞬時流量n——導輸管道開孔個數(shù)

圖9 二氧化碳氣體管道部署圖Fig.9 Layout of carbon dioxide gas pipe line1.二氧化碳氣罐 2.主管道 3.支路管道 4.導氣噴孔 5.電磁閥 6.對流扇

為實現(xiàn)各出氣孔的瞬時流量相同，系統(tǒng)設(shè)計不同的開孔大小。根據(jù)流體力學知識，氣罐距導氣孔較近處，流量較大，距導氣孔較遠處，流量較小，且對稱位置流量相同。根據(jù)伯努利原理，保持各個噴氣孔流量相同，從而可得噴孔面積與噴空深度之間的定量關(guān)系式為

(3)

其中

(4)

式中R——噴孔半徑C——伯努利常數(shù)ρ——流體密度g——重力加速度h——噴孔距氣罐出氣孔的相對高度p——噴口處的壓力

5 試驗驗證

5.1 設(shè)備部署

2016年1月，調(diào)控系統(tǒng)部署于陜西省閻良區(qū)武屯鎮(zhèn)西北農(nóng)林科技大學閻良蔬菜試驗示范站2號棚。整個溫室外形呈圓弧柱狀結(jié)構(gòu)，溫室配有卷簾機，上通風與下通風等氣體對流設(shè)備，在補施過程中，考慮氣體無規(guī)則擴散，通過搭建塑料隔膜，進行二氧化碳智能調(diào)控對比試驗區(qū)的效果驗證。試驗部署于整個溫室(50 m×7.8 m)中間(4.8 m×7.8 m)區(qū)域。

主控節(jié)點擔任開啟自動化設(shè)備的任務(wù)，通常放置于試驗場所外側(cè)，防止人為干擾影響調(diào)控效果；二氧化碳監(jiān)測設(shè)備放置于溫室正中間位置，該點反映整個區(qū)域內(nèi)二氧化碳的平均濃度；補施節(jié)點放置于試驗區(qū)域外部，氣體通過導氣管道引流進入試驗區(qū)域?？紤]植株高度，葉片進行光合作用場所及二氧化碳比空氣相對分子質(zhì)量大等因素，本系統(tǒng)部署二氧化碳導氣管道距地面垂直高度為2 m，保證導氣管道位于植株上側(cè)空間。根據(jù)均勻性擴散試驗確定管道之間的水平間隔為L0=0.6 m，氣罐出氣孔之間的水平距離L1=0.6 m，二氧化碳濃度變異系數(shù)降低至允許誤差以內(nèi)。

5.2 調(diào)控參數(shù)確定

根據(jù)設(shè)施植物所處具體環(huán)境的限定，結(jié)合植物最適調(diào)控范圍，確定最優(yōu)二氧化碳調(diào)控閾值，溫室內(nèi)番茄處于苗期，最優(yōu)二氧化碳濃度設(shè)為1 300 μmol/mol。圖10所示為溫室光照與溫度的變化曲線。設(shè)施環(huán)境內(nèi)的光照大體經(jīng)歷先上升后下降的過程，在中午時分達最大值。設(shè)施環(huán)境內(nèi)的溫度總體變化不大，作物生長環(huán)境處于日光溫室內(nèi)，溫度既受外界環(huán)境的影響，又受溫室自身保溫作用的影響。結(jié)合植物所處的光合環(huán)境，設(shè)定補施二氧化碳最優(yōu)調(diào)控環(huán)境，設(shè)計溫度閾值在12～15℃之間，光照閾值在15～100 W/m2之間進行氣肥調(diào)控效果驗證。

在冬季，大約在10:00—16:00打開卷簾機與上通風設(shè)備，下通風設(shè)備一般不工作，且考慮溫室二氧化碳補施最長時間不宜超過4 h，因此設(shè)備工作的最適補施時間設(shè)置在10:00—14:00區(qū)間段內(nèi)。

圖10 溫度與光照變化曲線Fig.10 Variation curves of temperature and light intensity

5.3 調(diào)控效果驗證

二氧化碳調(diào)控效果通過搭建設(shè)施環(huán)境智能補施設(shè)備實現(xiàn)作物補施氣肥的目的。從2016年1月27日起開始進行二氧化碳調(diào)控試驗，測試設(shè)施環(huán)境內(nèi)二氧化碳最優(yōu)濃度與實時濃度以及系統(tǒng)最終調(diào)控結(jié)果值。驗證試驗前在試驗區(qū)域與對比區(qū)域增設(shè)塑料薄膜進行空間隔檔，同時在試驗起始前打開上下通風裝置，使空間內(nèi)二氧化碳保持相對一致后進行密閉處理。

經(jīng)過60 d二氧化碳濃度監(jiān)測與調(diào)控效果驗證，證明系統(tǒng)可穩(wěn)定運行。其中，2016年3月9日溫室二氧化碳濃度變化曲線如圖11所示。

圖11 二氧化碳變化曲線Fig.11 Variation curves of carbon dioxide

由圖10與圖11可得，在未補施的二氧化碳調(diào)控設(shè)施環(huán)境內(nèi)，溫度與光照未成為制約光合作用的限定性因素，但二氧化碳濃度在光合時段的急劇下降(Cunsup)，造成二氧化碳成為制約光合作用的關(guān)鍵性因素。

在設(shè)施補施環(huán)境中，溫度與光照處于相對適宜條件下，通過精準補施設(shè)備彌補設(shè)施環(huán)境缺乏的二氧化碳，極大的提高光合作用效率，試驗表明補施過程中最優(yōu)目標值(Cbest)與實際值(Csup)的相對誤差小于3.5%，證明該系統(tǒng)可實現(xiàn)精準與高效補施。

5.4 補施均勻性驗證

二氧化碳擴散均勻性驗證試驗在西北農(nóng)林科技大學南校玻璃溫室(7.3 m×3.8 m)進行，呈長方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)種植番茄，試驗空間密閉性較好，外界因素對試驗影響較小，試驗場所適合驗證氣體擴散均勻性效果。試驗材料包括：二氧化碳調(diào)控裝備一套、氣罐一個、導氣管道一套和對流裝置6個。按照圖9所示拓撲結(jié)構(gòu)布置二氧化碳導氣管道，分別在試驗場地中間(middle)、前端(front)及后端(behind)3個點布置同一水平面上的二氧化碳均勻性擴散結(jié)構(gòu)。3個監(jiān)測設(shè)備放置高度距地面0.4 m高度，試驗起始前待3個監(jiān)測節(jié)點二氧化碳濃度保持相對穩(wěn)定后開始試驗，試驗效果如圖12所示。

圖12 氣體擴散示意圖Fig.12 Diagram of gas diffusion

按照圖12離散點擬合3條離散曲線，各個相關(guān)系數(shù)分別為0.983、0.990、0.992，擬合曲線為

(5)

式中yfront、ymiddle、ybehind——前端、中間、后端的二氧化碳濃度

xfront、xmiddle、xbehind——前端、中間、后端的二氧化碳濃度上升所需時間

各監(jiān)測節(jié)點的二氧化碳補施速率均與所處時間無關(guān)，3個監(jiān)測節(jié)點間的二氧化碳濃度的變異系數(shù)小于2.93%，保證二氧化碳濃度補償保持相對勻速上升趨勢，植物逐漸適應相對高濃度二氧化碳光合環(huán)境。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計的二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)，達到了設(shè)施環(huán)境參量的無線監(jiān)測與遠程調(diào)控設(shè)施二氧化碳濃度的功能，且整個系統(tǒng)無線傳輸穩(wěn)定，運行正常。

(2)以設(shè)施番茄為應用對象，在面積36.66 m2日光溫室內(nèi)，在10:00—14:00調(diào)控時間段內(nèi)，保持補施目標值與實時值的相對誤差小于3.5%，證明該系統(tǒng)具有良好的調(diào)控精度。

(3)在補施系統(tǒng)中設(shè)計雙M型擴散管道，保證調(diào)控空間內(nèi)二氧化碳濃度保持相對一致，在面積27.74 m2玻璃溫室內(nèi)，保持變異系數(shù)低于2.93%，證明該系統(tǒng)可實現(xiàn)均勻、定量補施。

(4)針對溫度與光照變化平緩的情況下，根據(jù)設(shè)定番茄不同生長期所需的二氧化碳濃度差異進行優(yōu)化補償，并以此進行二氧化碳調(diào)控。但當處于溫度與光照變化比較劇烈的情況下，僅根據(jù)特定生長期的閾值不能達到理想的調(diào)控效果，后續(xù)將進一步集成融合多因子的優(yōu)化調(diào)控模型，根據(jù)實時環(huán)境溫度與光照強度確定作物所需最優(yōu)二氧化碳濃度，以此實現(xiàn)智能化調(diào)控。

(5)假設(shè)作物的生理代謝對設(shè)施空間二氧化碳濃度的變化比較緩慢，僅根據(jù)某時刻固定濃度值判別系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)存在不足，后續(xù)將考慮作物的光合作用與呼吸作用導致設(shè)施空間二氧化碳濃度變化，造成系統(tǒng)控制相對滯后的問題，通過分析特定環(huán)境下的作物呼吸與釋放二氧化碳量，實時精準定量確定二氧化碳濃度調(diào)控參數(shù)，從而實現(xiàn)精細化調(diào)控。

1 潘璐,崔世茂,宋陽,等.長期加富CO2條件下溫室黃瓜光合作用對高溫的應答機理[J]. 北方園藝, 2015(16):1-6. PAN Lu, CUI Shimao, SONG Yang, et al. High temperature response mechanism of photosynthesis of grafting cucumber in greenhouse under long-term elevated CO2[J]. Northern Horticulture,2015(16):1-6.(in Chinese)

2 SILVA C S, SEIDER W D, LIOR N, et al. Exergy efficiency of plant photosynthesis[J].Chemical Engineering Science, 2015,130: 151-171.

3 張志明. CO2施肥對番茄果實品質(zhì)的影響[D]. 杭州：浙江大學，2012. ZHANG Zhiming. Effect of carbon dioxide enrichment on tomato fruit quality[D]. Hangzhou: Zhejiang University,2012. (in Chinese)

4 楊秋蓮,徐全輝.秸稈生物反應堆對溫室氣溫和二氧化碳濃度的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2011,39(10):5971-5972. YANG Qiulian, XU Quanhui.Effect of straw bioreactor landfill on temperature and CO2concentration in greenhouse[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2011,39(10):5971-5972.(in Chinese)

5 郭華,韓大鵬.秸稈還田新方法——燃燒生成CO2增施技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2012(16):82.

6 趙鵬,單慧勇,戚自雄,等. 溫室二氧化碳氣肥補施控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014,52(10):7-9. ZHAO Peng, SHAN Huiyong, QI Zixiong, et al. Design of greenhouse CO2regulation system [J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2014,52(10):7-9.(in Chinese)

7 楊敬偉,楊景發(fā),楊雅彬,等.設(shè)施農(nóng)業(yè)專用二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2014,36(6):127-130,137. YANG Jingwei, YANG Jingfa, YANG Yabin, et al.A design of dedicated carbon dioxide monitor system in facility agriculture [J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2014,36(6):127-130,137. (in Chinese)

8 JOSE Boaventura Cunha. Real-time adaptive control for greenhouse heating, cooling and CO2enrichment[C]∥Computers in Agriculture and Natural Resources-Proceedings of the 4th World Congress，2006:116-121.

9 JIANG Yiqiong，SHA Sha，ZHANG Man, et al. Development of a wireless sensor network for CO2concentration precision control in Greenhouse[C]∥2014 ASABE Annual International Meeting，2014:2361-2367.

10 張榮標,項美晶,李萍萍,等.基于信息融合的溫室CO2調(diào)控量決策方法[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2009,40(6):175-178. ZHANG Rongbiao, XIANG Meijing, LI Pingping, et al.Decision-making on greenhouse CO2control quantity based on information fusion[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(6):175-178.(in Chinese)

11 紀建偉,趙海龍,李征明,等.基于STM32的溫室CO2濃度自動調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計[J].浙江農(nóng)業(yè)學報,2015,27(5):860-864. JI Jianwei, ZHAO Hailong, LI Zhengming, et al.Design on automatic control system of CO2concentration in greenhouse based on STM32 [J].Acta Agriculturae Zhejiangensis,2015,27(5):860-864.(in Chinese)

12 李少華,謝守勇,陳翀,等.基于單片機控制的溫室二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2013,35(6):178-181. LI Shaohua,XIE Shouyong, CHEN Chong, et al.Design of carbon dioxide control system based on MCU for greenhouse[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2013,35(6):178-181.(in Chinese)

13 溫竹,李士軍,張文軍,等.基于JN5148的溫室CO2濃度監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國農(nóng)機化學報,2014,35(2):259-262,270. WEN Zhu,LI Shijun,ZHANG Wenjun, et al. CO2concentration monitoring system of greenhouses based on JN5148 [J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2014,35(2):259-262,270.(in Chinese)

14 岳青,張海輝,盧博友.基于WSN的溫室環(huán)境監(jiān)測節(jié)點設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2010,38(30):17219-17221,17254. YUE Qing, ZHANG Haihui, LU Boyou. Design of monitoring nodes of greenhouse environment based on WSN [J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2010,38(30):17219-17221,17254.(in Chinese)

15 蔣毅瓊,張漫,李婷,等.基于WSN的日光溫室CO2濃度監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國農(nóng)業(yè)大學學報,2014,19(4):166-171. JIANG Yiqiong, ZHANG Man, LI Ting, et al.Development of a CO2concentration monitoring and controlling system in solar greenhouse based on WSN[J].Journal of China Agricultural University,2014,19(4):166-171.(in Chinese)16 王東,張海輝,馮建合,等. 溫室大棚CO2濃度精準調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)機化研究,2012,34(3):114-118. WANG Dong, ZHANG Haihui, FENG Jianhe, et al. Design and realization of carbon dioxide precision control system for greenhouse[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2012,34(3):114-118.(in Chinese)

17 劉妍華,曾志雄,郭嘉明,等.增施CO2氣肥對溫室流場影響的數(shù)值模擬及驗證[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2015,31(12):194-199. LIU Yanhua, ZENG Zhixiong, GUO Jiaming, et al. Numerical simulation and experimental verification of effect of CO2enrichment on flow field of greenhouse[J]. Transactions of the CSAE, 2015,31(12):194-199. (in Chinese)

18 王雙喜,高昌珍,楊存棟,等.溫室CO2氣體濃度環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2002,18(3):84-86. WANG Shuangxi, GAO Changzhen, YANG Cundong, et al. Auto-controling system of CO2concentration in modernized greenhouse[J].Transactions of the CSAE,2002,18(3):84-86.(in Chinese)

19 熊珺,曲英華,范冰琳,等.不同CO2濃度下番茄苗期及果期的光合特性[J].北方園藝,2015(9):6-9. XIONG Jun,QU Yinghua,FAN Binglin, et al. Effect of different CO2on tomato photosynthesis in seedling and fruiting stage[J].Northern Horticulture,2015(9):6-9.(in Chinese)

20 李天來,顏阿丹,羅新蘭,等.日光溫室番茄單葉凈光合速率模型的溫度修正[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(9):274-279. LI Tianlai, YAN Adan, LUO Xinlan, et al. Temperature modified model for single-leaf net photosynthetic rate of greenhouse tomato[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(9): 274-279. (in Chinese)

21 胡瑾,何東健,任靜,等.基于遺傳算法的番茄幼苗光合作用優(yōu)化調(diào)控模型[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(17):220-227. HU Jin, HE Dongjian, REN Jing, et al. Optimal regulation model of tomato seedlings’ photosynthesis based on genetic algorithm[J]. Transactions of the CSAE, 2014,30(17):220-227. (in Chinese)

22 趙冠艷,朱世東,李東林,等.CO2加富處理甜瓜幼苗光合特性的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2005,21(增刊2):103-105. ZHAO Guanyan, ZHU Shidong, LI Donglin, et al. Photosynthetic characteristics of CO2enrichment in melon seedlings [J]. Transactions of the CSAE,2005,21(Supp.2):103-105. (in Chinese)

Regulation System of CO2in Facilities Based on Wireless Sensor Network

ZHANG Haihui SHAO Zhicheng ZHANG Zuojing WU Tingting WANG Chuanzhe XIN Pingping

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Carbon dioxide is the necessary material for plant photosynthesis, and building favorable carbon dioxide environment in facilities is essential for crop growth. The design of an environment carbon dioxide precision control system based on wireless sensor network (WSN) was introduced, which was composed of master node, monitoring node and fertilizing node. Information interaction among nodes were achieved with ZigBee protocol, which was a general protocol for wireless sensor network. Monitoring node was used to monitor real-time carbon dioxide concentration, temperature and light intensity in facilities environment. With a feedback control, master nodes achieved dynamic adjustment of carbon dioxide based on different growing seasons for various plants in facilities and combining optimum thresholds of temperature and lights. To improve the disadvantage of uneven carbon dioxide implementation, double M type conductive pipe was deployed in facilities. Meanwhile, different hole sizes on the pipe were designed for acquiring the same instantaneous flow. In collaboration with convection device, fertilizing node controlled the carbon dioxide emissions through gas tank passing and breaking, and guaranteed the uniformity of carbon dioxide implementation. The results show that the relative error between the target and the real-time value is less than 3.5% in solar greenhouse with area of 36.66 m2. The designed experiment result shows that the variation coefficient of carbon dioxide concentration among monitoring nodes is less than 2.93% in glasshouse with area of 27.74 m2, which proves that the system can realize precise and uniform fertilizing of carbon dioxide.

envionment of facilities; carbon dioxide; wireless sensor network; precise fertilizing; uniform fertilizing

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.041

2016-06-21

2016-09-18

國家自然科學基金項目(31671587)和楊凌示范區(qū)產(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新重大項目(2016CXY-19)

張海輝(1977—)，男，教授，博士生導師，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù)研究，E-mail： zhanghh@nwsuaf.edu.cn

TP391; S625.5+1

A

1000-1298(2017)03-0325-07