日光溫室CO2氣肥智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

牛曼麗 李新旭 李紅 張彥軍 雷喜紅

|摘要|為解決冬春季日光溫室CO2虧缺的問題，結(jié)合溫室特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套以STM32系列芯片為核心的CO2氣肥智能調(diào)控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和上位機(jī)4部分。該系統(tǒng)采用NB-IOT無線通信技術(shù)和MQTT協(xié)議，將溫度、光照及CO2濃度作為控制的綜合評判依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對CO2的監(jiān)測和智能調(diào)控。系統(tǒng)應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，具有較強(qiáng)可擴(kuò)展性和良好的應(yīng)用前景。

引言

CO2是作物光合作用的核心原料，是影響作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子之一。北方冬春季溫室蔬菜生產(chǎn)中，作物所需CO2長期處于虧缺狀態(tài)，影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。國內(nèi)外種植實(shí)踐證明，在作物生長最旺盛期間，合理地提高CO2濃度可提高20%以上的產(chǎn)量[3-6]。

發(fā)達(dá)國家如荷蘭、英國、日本等早在20世紀(jì)70～80年代，就開始大力推廣和應(yīng)用設(shè)施CO2施肥技術(shù)[7-8]，并設(shè)計(jì)研發(fā)了自動(dòng)化溫室CO2控制系統(tǒng)。荷蘭將天然氣鍋爐燃燒產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過冷卻、凈化后，通過控制系統(tǒng)和專用管道輸送進(jìn)溫室，實(shí)現(xiàn)了CO2的高效利用，溫室內(nèi)CO2濃度可以達(dá)到700 μmol/mol以上，滿足番茄生長需要[9]。日本通過模型控制溫室內(nèi)溫濕度、CO2濃度、光照等因子達(dá)到作物生長最優(yōu)光合環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了作物產(chǎn)量最大化[10]。國外的CO2調(diào)控設(shè)備一般應(yīng)用在規(guī)模較大的連棟溫室內(nèi)，成本昂貴，并且由于氣象環(huán)境差異較大，不適用于國內(nèi)日光溫室。目前，國內(nèi)普遍采用CO2吊袋肥、有機(jī)肥料發(fā)酵、秸稈反應(yīng)堆發(fā)酵、碳酸氫氨受熱分解等方式進(jìn)行氣肥補(bǔ)充[11-12]，需要人工進(jìn)行管理，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)控。

針對上述問題，本項(xiàng)目的研發(fā)基于液化CO2氣瓶的氣肥智能調(diào)控系統(tǒng)，以STM32芯片為核心，采用光照、溫度、CO2濃度傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IOT通信技術(shù)和MQTT通信協(xié)議上傳至上位機(jī)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，根據(jù)控制策略的設(shè)置，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，進(jìn)而控制CO2發(fā)生器的開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)CO2濃度的智能調(diào)控，為作物生長提供適宜的生長環(huán)境。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32系列微控制器為核心，包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和上位機(jī)4部分，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

首先，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測裝置對溫室內(nèi)光照、溫度和CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，把采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)上傳存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，當(dāng)溫度、光照和CO2濃度滿足平臺(tái)設(shè)置的控制策略時(shí)，對智能控制器發(fā)送控制信號，智能控制器通過繼電器對CO2發(fā)生器發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)對CO2發(fā)生器的自動(dòng)控制。由于不同作物所需的最優(yōu)CO2濃度不同，所以在遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的控制策略設(shè)置時(shí)，可以根據(jù)不同作物設(shè)置不同的控制策略。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

作物對CO2的需求是隨著溫室內(nèi)光照和溫度條件的變化而變化的[13]，當(dāng)光照較弱和溫度較低時(shí)，光合作用的效率下降，此時(shí)增施CO2的經(jīng)濟(jì)效益不高，因此對CO2的調(diào)控要結(jié)合光溫條件來調(diào)節(jié)，要同時(shí)監(jiān)測溫室內(nèi)的光照、溫度和CO2濃度3個(gè)環(huán)境因子。因此本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要包括CO2傳感器模塊、溫度傳感器模塊、光照傳感器模塊、STM32處理器及外圍擴(kuò)展模塊。

◆CO2傳感器模塊

CO2傳感器采用英國GSS第三代COZIR-Ambient傳感器（圖2）。其主要特點(diǎn)是超低功耗（3.5 mW）、采用串口輸出、高性能、響應(yīng)時(shí)間短（30 s）、精度高（±50 μmol/mol）、工作環(huán)境（-25～55℃，0～95% RH）、便于傳

感器校準(zhǔn)。測量范圍0～5000 μmol/mol，適合于應(yīng)用在農(nóng)業(yè)大棚領(lǐng)域，滿足智能溫室傳感器電池供電和無線信息傳輸?shù)男枰?/p>

◆溫度傳感器模塊

在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中選擇了多種傳感器進(jìn)行溫室環(huán)境監(jiān)測對比，綜合數(shù)據(jù)及特性選定HDC1080。HDC1080是一款由美國德州儀器研發(fā)的具有集成溫度傳感器的數(shù)字濕度傳感器，其能夠以超低功耗提供出色的測量精度，在高濕度環(huán)境下具有出色的穩(wěn)定性。HDC1080支持較大的工作電源電壓范圍，具有低功耗和高穩(wěn)定性優(yōu)勢。電源電壓范圍為2.7～5.5 V，I2C接口，溫度精度為±0.2℃，經(jīng)過出廠校準(zhǔn)。

◆光照傳感器模塊

光照傳感器基于BH1750FVI芯片設(shè)計(jì)開發(fā)，將BH1750FVI芯片以及外圍電路集成到一塊PCBA上，引出通訊引腳連接到主板上。BH1750FVI是一款由日本RHOM株式會(huì)社研發(fā)的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成芯片。BH1750FVI 的波長范圍為380～560 nm，測量總量程為0～65535 lx，I2C總線通信，通過50 Hz/60 Hz除光噪音功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測定，誤差變動(dòng)為±20%，運(yùn)行溫度為-40～85℃，其VCC接口需要接3.3 V左右電壓。

◆STM32處理器及外圍擴(kuò)展模塊

溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集比較頻繁，設(shè)備能耗高，針對此問題，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)整體上采用低功耗模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。主控采用低功耗STM32L051C8芯片，通過GPIO、UART、ADC、I2C等外設(shè)及外圍電路采集溫室信息。通信模塊為上海SIMCOM的NB-IOT模塊7020C，具有信號強(qiáng)度大、窄帶寬、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，并從服務(wù)器獲取設(shè)置信息，設(shè)置上傳數(shù)據(jù)間隔。

時(shí)鐘模塊采用高精度DS1302芯片，用于計(jì)算采集間隔、記錄采集時(shí)間（圖3）。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，采用16 M的Flash存儲(chǔ)器 GD25Q128C，用于存儲(chǔ)未成功上傳的傳感器數(shù)據(jù)（圖4）。

溫室內(nèi)采用有線電源供電會(huì)阻礙工人勞作，降低設(shè)備使用的靈活性，因此本設(shè)備采用太陽能供電，采用鋰電池充電管理芯片TP4057對鋰電池充電（圖5）。

控制節(jié)點(diǎn)

控制節(jié)點(diǎn)是日光溫室內(nèi)所用可控制設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的入口，控制節(jié)點(diǎn)的核心處理器以STM32F103C8作為主控芯片和外圍電路組成。STM32F103C8包括ARM處理器及其擴(kuò)展接口，通過外設(shè)UART接口控制通信模塊，發(fā)送控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。STM32F103C8具有64 KB可編程閃存和20 KB的RAM，呈現(xiàn)出性能高、資源豐富等優(yōu)勢。通信模塊為上海SIMCOM公司的SIM7020C模塊，主要用來獲取溫室內(nèi)CO2發(fā)生器開關(guān)狀態(tài)和平臺(tái)發(fā)出的控制信號，通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)上傳。

當(dāng)光照、溫度及CO2濃度滿足控制策略中的CO2發(fā)生器開啟條件時(shí)，power-control輸出高電平，則三極管Y1（SS8050）導(dǎo)通，從而使MOS管Q8（AO3401）導(dǎo)通，進(jìn)而將MOS管Q12（AO3400）導(dǎo)通，此時(shí)P4兩端即會(huì)產(chǎn)生12 V電壓，12 V電壓驅(qū)動(dòng)繼電器導(dǎo)通，繼電器導(dǎo)通導(dǎo)致接在繼電器兩個(gè)端子上的交流接觸器吸合，電磁閥打開，CO2氣罐開始工作?？刂齐娐啡鐖D6所示。

交流接觸器導(dǎo)通后會(huì)輸出一個(gè)閉合信號給我們的光耦檢測點(diǎn)P17，閉合信號導(dǎo)致光耦U10接通，CHECK處即可識別到信號，此時(shí)表示該電路控制的強(qiáng)電部分設(shè)備開始工作。光耦EL357N（B）（TA）-G使中央處理單元和執(zhí)行原件驅(qū)動(dòng)電路在電氣上完全隔離，從而避免了強(qiáng)電干擾或毀壞芯片，檢測部分電路見圖7。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)為CO2發(fā)生器，CO2發(fā)生器由若干個(gè)液化CO2氣瓶、若干減壓閥、連通管、電磁閥和離心風(fēng)機(jī)、輸氣管路組成，電磁閥位于連通管與輸送管路中央，離心風(fēng)機(jī)為氣體提供傳輸動(dòng)力。其中減壓閥長期處于開啟狀態(tài)，離心風(fēng)機(jī)為氣體傳輸提供動(dòng)力，開啟電磁閥后，離心風(fēng)機(jī)通過485總線開啟，通過設(shè)計(jì)的“M”型輸氣管道上的小氣孔將氣體均勻擴(kuò)散至設(shè)施空間中。由于CO2密度大于空氣，輸送管道架設(shè)位于作物冠層，以免氣體向下運(yùn)行作物不能及時(shí)補(bǔ)充到氣體。

上位機(jī)

本系統(tǒng)中的上位機(jī)主要是遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，基于Java語言開發(fā)的web系統(tǒng)，用來接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集的傳感器數(shù)據(jù)和控制節(jié)點(diǎn)的信號，并發(fā)送控制信號給控制節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議都是MQTT（Message Queue Telemetry Transport）協(xié)議，即遙測傳輸協(xié)議。

MQTT提供了訂閱/發(fā)布兩種消息模式，更為簡約、輕量，易于使用，特別適合于帶寬低、網(wǎng)絡(luò)延遲高、網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定等受限環(huán)境的消息分發(fā)。MQTT的完成由消息代理服務(wù)器和客戶端組成。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)使用 MQTT 協(xié)議與消息代理服務(wù)器相連接，發(fā)布和訂閱主題與消息。本系統(tǒng)中消息代理服務(wù)器端使用Mosquitto開源消息代理軟件來完成消息推送協(xié)議（圖8）。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要是CO2氣肥智能調(diào)控系統(tǒng)，采用Java開發(fā)，主要包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、控制策略模塊、設(shè)備控制模塊3部分。環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊主要時(shí)對傳輸來的溫度、CO2濃度、光照3個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢和顯示。設(shè)備控制模塊主要功能是設(shè)備狀態(tài)顯示、手動(dòng)與自動(dòng)控制的切換。

控制策略設(shè)置采用四時(shí)段分時(shí)設(shè)置，策略主要有時(shí)序控制、閾值控制。時(shí)序控制方法是根據(jù)設(shè)置開啟時(shí)長和間隔周期、循環(huán)次數(shù)來進(jìn)行施放;閾值控制方法根據(jù)用戶輸入設(shè)置CO2發(fā)生裝置的開啟和關(guān)閉條件;開啟條件為當(dāng)光照度大于R、空氣溫度大于T且CO2濃度小于C時(shí)開啟，流程圖見圖9，其中R的單位為lx，T的單位為℃，C的單位為μmol/mol，具體值都需要用戶進(jìn)行設(shè)置，可根據(jù)不同作物進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置界面見圖10。

運(yùn)行結(jié)果

系統(tǒng)于2018年12月～2019年3月在北京市昌平區(qū)特菜大觀園主栽番茄的37號日光溫室進(jìn)行了測試應(yīng)用。策略設(shè)置為白天當(dāng)空氣溫度大于20℃、光照度大于20000 lx、CO2濃度小于500 μmol/mol時(shí)，打開電磁閥;當(dāng)CO2濃度高于700 μmol/mol時(shí)，關(guān)閉電磁閥。

為作物補(bǔ)充系統(tǒng)設(shè)置每10 min采集一次CO2濃度數(shù)據(jù)，每天光溫滿足條件的情況下一般在10：00～14：00，這段時(shí)間是作物光合作用最旺盛的階段。文章選取了2018年12月30日為典型日，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價(jià)。如圖10～11所示，當(dāng)光照度達(dá)到20000 lx以上，光合作用速率加快，CO2消耗增多，降低到500 μmol/mol以下后電磁閥開啟，通過補(bǔ)施，一天中光合作用旺盛期的CO2平均濃度在575 μmol/mol，滿足了作物生長需要。

結(jié)論

該研究以STM32系列芯片為控制核心，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套CO2氣肥智能調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室內(nèi)溫度、光照和CO2濃度3個(gè)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，并通過NB-IOT技術(shù)和MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的通信，在溫光條件最適宜、CO2虧缺的情況下施放CO2，最大化提高了CO2的資源利用率，滿足了作物生長對CO2的需求。同時(shí)，該系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，可以擴(kuò)展應(yīng)用到連棟溫室中，對連棟溫室內(nèi)作物補(bǔ)充CO2，促進(jìn)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，實(shí)現(xiàn)工廠化、智能化生產(chǎn)。

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作者簡介：牛曼麗（1986-），女，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究、應(yīng)用與示范推廣工作。

*通信作者：李新旭（1984-），男，高級農(nóng)藝師，主要從事設(shè)施蔬菜栽培技術(shù)試驗(yàn)、示范和推廣工作。

[引用信息]牛曼麗，李新旭，李紅岺，等.日光溫室CO2氣肥智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（19）：53-57.