棚室CO2 氣肥機(jī)作用機(jī)理與應(yīng)用研究

姚 闖，張林雁，任守華*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 人文學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

1 概述

近年來(lái)，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的逐步發(fā)展，歐美等國(guó)家爭(zhēng)相采用環(huán)境控制技術(shù)，在育種、作物生長(zhǎng)控制等領(lǐng)域?qū)怏w施肥技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，研制了基于自動(dòng)控制的溫室CO2控制系統(tǒng)[1，2]。目前國(guó)內(nèi)大多采用人工操作的方式對(duì)棚室作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，自動(dòng)化控制手段應(yīng)用較少[3，4]。空氣中的二氧化碳含量約330umol/mol，在設(shè)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(jìn)行光合作用一段時(shí)間后，會(huì)造成棚室內(nèi)CO2濃度降低，影響作物進(jìn)行光合作用[5]。文獻(xiàn)[6]表明，二氧化碳濃度的高低是直接影響水稻育秧生長(zhǎng)發(fā)育的因素[6]。針對(duì)上述問(wèn)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(jī)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，進(jìn)而通過(guò)硬件設(shè)備調(diào)控棚室CO2濃度的控制方案，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)CO2濃度的智能控制的目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)環(huán)境。

2 棚室氣肥機(jī)的作用機(jī)理與應(yīng)用研究

2.1 CO2 對(duì)水稻育秧生長(zhǎng)的影響

大氣CO2濃度增加會(huì)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(huì)縮短粳稻生育期，加劇溫室效應(yīng)的主要來(lái)源是延長(zhǎng)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(qiáng)可以靠二氧化碳施肥，使光合作用效率提高。當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)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(qiáng)。

2.2 溫室大棚中CO2 濃度檢測(cè)

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(jī)制進(jìn)行呼吸作用、土壤中的大量微生物活動(dòng)和有機(jī)質(zhì)分解，會(huì)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(yáng)光的照射使光合作用加強(qiáng)，又迅速消耗夜間存儲(chǔ)的二氧化碳使其濃度下降，日出后的兩個(gè)小時(shí)后，要打開(kāi)溫棚封閉裝置進(jìn)行通風(fēng)換氣，否則濃度將繼續(xù)下降，最終導(dǎo)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?xì)怏w的主要原因[8]。

3 棚室氣肥機(jī)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(diǎn)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、上位機(jī)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

首先，使用數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中的設(shè)備監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境參數(shù)，把采集的光照，溫度和CO2濃度通過(guò)LoRa 網(wǎng)絡(luò)收集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，主要是智能控制器信號(hào)通過(guò)繼電器對(duì)CO2發(fā)生器控制命令，觸發(fā)CO2發(fā)生器機(jī)制。根據(jù)水稻育秧所需的最優(yōu)CO2濃度，在遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的控制策略進(jìn)行設(shè)置濃度值。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CO2對(duì)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(qiáng)度弱和溫度低的狀況下都會(huì)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(fèi)成本，因此要在光溫一定條件下對(duì)CO2調(diào)控，要同時(shí)監(jiān)測(cè)3 個(gè)環(huán)境因子：（1）溫室內(nèi)的光照；（2）溫度；（3）此時(shí)CO2濃度。結(jié)合以上條件，本系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)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(kuò)展模塊。

3.2.1 ESP8266 模塊及采集和存儲(chǔ)模塊

ESP8266WiFi 透?jìng)髂K，主要特點(diǎn)是超低功耗。該模塊與傳感器通過(guò)LoRa 網(wǎng)絡(luò)連接，采集數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，獲取設(shè)置上傳數(shù)據(jù)間隔。時(shí)鐘模塊采用DS3231 芯片，主要功能：（1）計(jì)算采集間隔；（2）記錄采集時(shí)間。25Q32 芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將未成功上傳的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)其中。采用鋰電池充電管理芯片TP4056 對(duì)鋰電池充電整體電路圖結(jié)構(gòu)如圖2 所示：

圖2 整體電路圖結(jié)構(gòu)

3.2.2 CO2傳感器模塊

本設(shè)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(yīng)用于醫(yī)療、倉(cāng)庫(kù)、工業(yè)控制和科研等領(lǐng)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(jìn)行溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)比及特性選定DTKTM-2011 測(cè)溫模塊用于連接多路數(shù)字式溫度傳感器，實(shí)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(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的采集、數(shù)據(jù)上傳功能。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 上位機(jī)

本系統(tǒng)中的上位機(jī)主要是基于Python 編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的Web 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，通過(guò)代理服務(wù)器將采集的數(shù)據(jù)信息和控制節(jié)點(diǎn)的信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制平臺(tái)系統(tǒng)。采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)二者之間的通信協(xié)議是一致的，基于遙測(cè)傳輸協(xié)議（MQTT 協(xié)議）。MQTT 應(yīng)用兩種消息模式：訂閱模式/發(fā)布模式。在應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的發(fā)布主題與訂閱消息通過(guò)MQTT 協(xié)議與消息代理服務(wù)器作為橋梁進(jìn)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要是由Python 開(kāi)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(shè)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(chǔ)傳輸?shù)臏囟?、CO2濃度和光照數(shù)據(jù)。設(shè)備控制模塊的主要功能是把設(shè)備的狀態(tài)具體的顯示出來(lái)，并且可以進(jìn)行手動(dòng)切換和自動(dòng)控制切換?？刂撇呗园磿r(shí)間周期設(shè)定，主要包括定時(shí)控制和閥值控制。定時(shí)控制方法是設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間、間隔周期和周期數(shù)來(lái)執(zhí)行操作。閥值控制方法根據(jù)用戶設(shè)置固定的CO2濃度值，根據(jù)濃度值的高低來(lái)滿足開(kāi)啟和關(guān)閉條件。

系統(tǒng)開(kāi)啟條件：光照強(qiáng)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(shè)置界面

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)檢測(cè)水稻育秧生長(zhǎng)狀態(tài)如表1。

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

4 結(jié)論

本課題主要以ESP8266 為主控芯片，自主開(kāi)發(fā)了一套溫棚CO2控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)LoRa 技術(shù)和MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)以及客戶端以及手機(jī)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(kāi)和關(guān)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(zhǎng)。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)工廠化、智能化生產(chǎn)。