棚室CO2 气肥机作用机理与应用研究
2021-03-15张林雁任守华
姚 闯，张林雁，任守华*
（1.黑龙江八一农垦大学 信息与电气工程学院，黑龙江 大庆163319；2.黑龙江八一农垦大学 人文学院，黑龙江 大庆163319）
1 概述
近年来，随着设施农业的逐步发展，欧美等国家争相采用环境控制技术，在育种、作物生长控制等领域将气体施肥技术进行了深入的研究，研制了基于自动控制的温室CO2控制系统[1，2]。目前国内大多采用人工操作的方式对棚室作物生长环境进行调控，自动化控制手段应用较少[3，4]。空气中的二氧化碳含量约330umol/mol，在设施农业中，温室大棚与外界环境之间处于隔离状态，因此在作物进行光合作用一段时间后，会造成棚室内CO2浓度降低，影响作物进行光合作用[5]。文献[6]表明，二氧化碳浓度的高低是直接影响水稻育秧生长发育的因素[6]。针对上述问题，提出了以ESP8266 芯片为核心，采用TELESKY 传感器采集CO2浓度，并将收集到的数据上传至上位机远程控制平台，进而通过硬件设备调控棚室CO2浓度的控制方案，实现温室内CO2浓度的智能控制的目的，通过实验寻求较为合理的棚室CO2浓度控制方案，为水稻育秧提供更加适宜的生长环境。
2 棚室气肥机的作用机理与应用研究
2.1 CO2 对水稻育秧生长的影响
大气CO2浓度增加会增加光合作用，降低叶分配指数、增加干物质生产和产量，大气CO2浓度增加会缩短粳稻生育期，加剧温室效应的主要来源是延长籼稻生育期二氧化碳浓度[7]。光合作用的原料是二氧化碳，植物的光合作用增强可以靠二氧化碳施肥，使光合作用效率提高。当二氧化碳浓度达到一定高度值，植物的光合作用效率不再随二氧化碳浓度升高而增强。
2.2 温室大棚中CO2 浓度检测
早晚温棚中的二氧化碳浓度变化是不同的：夜晚产出大量CO2。作物在晚上由于自身的生命机制进行呼吸作用、土壤中的大量微生物活动和有机质分解，会引起温棚内CO2浓度迅速上升；白天消耗CO2。作物在日出后由于阳光的照射使光合作用加强，又迅速消耗夜间存储的二氧化碳使其浓度下降，日出后的两个小时后，要打开温棚封闭装置进行通风换气，否则浓度将继续下降，最终导致叶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温棚作物产量，这也是温棚必须增施二氧化碳气体的主要原因[8]。
3 棚室气肥机系统整体设计方案
3.1 系统总体设计方案
该系统的微控制器核心是ESP8266 芯片，主要包含以下四部分：控制节点、数据采集节点、执行机构、上位机，系统总体结构如图1 所示。
图1 系统总体结构
首先，使用数据采集节点中的设备监测温室环境参数，把采集的光照，温度和CO2浓度通过LoRa 网络收集到的数据存储在远程控制平台，主要是智能控制器信号通过继电器对CO2发生器控制命令，触发CO2发生器机制。根据水稻育秧所需的最优CO2浓度，在远程控制平台的控制策略进行设置浓度值。
3.2 硬件系统设计
CO2对水稻育秧的影响因子包括温室内光照和温度[8]，在光照强度弱和温度低的状况下都会影响光合作用，使效率下降，在这样状态下增加CO2的比较浪费成本，因此要在光温一定条件下对CO2调控，要同时监测3 个环境因子：（1）温室内的光照；（2）温度；（3）此时CO2浓度。结合以上条件，本系统中采集数据节点的模块主要包括ESP8266 处理器、CO2传感器、温度传感器、光照传感器以及外围扩展模块。
3.2.1 ESP8266 模块及采集和存储模块
ESP8266WiFi 透传模块，主要特点是超低功耗。该模块与传感器通过LoRa 网络连接，采集数据上传服务器，获取设置上传数据间隔。时钟模块采用DS3231 芯片，主要功能：（1）计算采集间隔；（2）记录采集时间。25Q32 芯片作为数据存储模块，将未成功上传的传感器数据存储其中。采用锂电池充电管理芯片TP4056 对锂电池充电整体电路图结构如图2 所示：
图2 整体电路图结构
3.2.2 CO2传感器模块
本设备采集温室大棚二氧化碳浓度选择TELESK Y传感器。性能稳定安全，广泛应用于医疗、仓库、工业控制和科研等领域。如图3 所示。
图3 TELESKY 传感器
3.2.3 温度传感器模块和光照传感器模块
综合多种传感器进行温室环境监测对比及特性选定DTKTM-2011 测温模块用于连接多路数字式温度传感器，实现温度的采集、数据上传功能。光照传感器采用BH1750FVI 芯片设计开发，实现光照强度的采集、数据上传功能。
3.3 软件系统设计
3.3.1 上位机
本系统中的上位机主要是基于Python 编程语言开发的Web 系统的远程控制平台，通过代理服务器将采集的数据信息和控制节点的信号发送到远程控制平台系统。采集节点和控制节点二者之间的通信协议是一致的，基于遥测传输协议（MQTT 协议）。MQTT 应用两种消息模式：订阅模式/发布模式。在应用中，数据采集节点、控制节点和上位机的发布主题与订阅消息通过MQTT 协议与消息代理服务器作为桥梁进行连接。其功能如图4 所示。
图4 MQTT 协议
3.3.2 系统软件设计
系统软件主要是由Python 开发的CO2气肥智能控制系统，主要由环境数据采集模块、控制策略模块和设备控制模块三部分组成。环境数据采集模块主要存储传输的温度、CO2浓度和光照数据。设备控制模块的主要功能是把设备的状态具体的显示出来，并且可以进行手动切换和自动控制切换。控制策略按时间周期设定，主要包括定时控制和阀值控制。定时控制方法是设置启动时间、间隔周期和周期数来执行操作。阀值控制方法根据用户设置固定的CO2浓度值，根据浓度值的高低来满足开启和关闭条件。
系统开启条件：光照强度>R，空气温度>T，CO2浓度 图5 阀值主程序流图 图6 CO2 控制策略设置界面 系统检测水稻育秧生长状态如表1。 表1 不同CO2 浓度（同等光照强度和温度）的水稻育秧生长状态比较 本课题主要以ESP8266 为主控芯片，自主开发了一套温棚CO2控制系统，能够实现对温棚内环境参数的监测，并通过LoRa 技术和MQTT 协议实现以及客户端以及手机APP 显示信息，根据温棚内的环境信息反馈CO2浓度高低情况下打开和关闭系统，使CO2的利用率最大化，使水稻育秧在合理控制的CO2浓度下“健康茁壮”的生长。同时可以实现工厂化、智能化生产。
3.4 系统调试
4 结论
