棚室CO2 氣肥機作用機理與應用研究

姚 闖，張林雁，任守華*

（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，在育種、作物生長控制等領域?qū)怏w施肥技術進行了深入的研究，研制了基于自動控制的溫室CO2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)CO2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CO2濃度，并將收集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機遠程控制平臺，進而通過硬件設備調(diào)控棚室CO2濃度的控制方案，實現(xiàn)溫室內(nèi)CO2濃度的智能控制的目的，通過實驗尋求較為合理的棚室CO2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

2.1 CO2 對水稻育秧生長的影響

大氣CO2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CO2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CO2 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CO2。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)CO2濃度迅速上升；白天消耗CO2。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)整體設計方案

3.1 系統(tǒng)總體設計方案

該系統(tǒng)的微控制器核心是ESP8266 芯片，主要包含以下四部分：控制節(jié)點、數(shù)據(jù)采集節(jié)點、執(zhí)行機構、上位機，系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構

首先，使用數(shù)據(jù)采集節(jié)點中的設備監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)，把采集的光照，溫度和CO2濃度通過LoRa 網(wǎng)絡收集到的數(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CO2發(fā)生器控制命令，觸發(fā)CO2發(fā)生器機制。根據(jù)水稻育秧所需的最優(yōu)CO2濃度，在遠程控制平臺的控制策略進行設置濃度值。

3.2 硬件系統(tǒng)設計

CO2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CO2的比較浪費成本，因此要在光溫一定條件下對CO2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CO2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、CO2傳感器、溫度傳感器、光照傳感器以及外圍擴展模塊。

3.2.1 ESP8266 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)絡連接，采集數(shù)據(jù)上傳服務器，獲取設置上傳數(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)構如圖2 所示：

圖2 整體電路圖結(jié)構

3.2.2 CO2傳感器模塊

本設備采集溫室大棚二氧化碳濃度選擇TELESK Y傳感器。性能穩(wěn)定安全，廣泛應用于醫(yī)療、倉庫、工業(yè)控制和科研等領域。如圖3 所示。

圖3 TELESKY 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)議與消息代理服務器作為橋梁進行連接。其功能如圖4 所示。

圖4 MQTT 協(xié)議

3.3.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要是由Python 開發(fā)的CO2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?shù)臏囟取O2濃度和光照數(shù)據(jù)。設備控制模塊的主要功能是把設備的狀態(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定，主要包括定時控制和閥值控制。定時控制方法是設置啟動時間、間隔周期和周期數(shù)來執(zhí)行操作。閥值控制方法根據(jù)用戶設置固定的CO2濃度值，根據(jù)濃度值的高低來滿足開啟和關閉條件。

系統(tǒng)開啟條件：光照強度>R，空氣溫度>T，CO2濃度

圖5 閥值主程序流圖

圖6 CO2 控制策略設置界面

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。

表1 不同CO2 濃度（同等光照強度和溫度）的水稻育秧生長狀態(tài)比較

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CO2控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，并通過LoRa 技術和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CO2濃度高低情況下打開和關閉系統(tǒng)，使CO2的利用率最大化，使水稻育秧在合理控制的CO2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)。