温室CO2气肥增施控制器的设计

于镓，杨延荣，赵辉，单慧勇，郭俊旺，卫勇

温室CO2气肥增施控制器的设计

于镓1,2，杨延荣1,通信作者，赵辉1，单慧勇1，郭俊旺1，卫勇1

（1. 天津农学院 工程技术学院，天津 300392；2. 天津龙川洁净室运行管理有限公司，天津 300384）

为实现温室内CO2气肥的精准控制，设计基于开源系统Arduino Mega 2560的CO2气肥增施控制器。系统选择MH-Z14、BH1750、SHT10、DS18B20等传感器实现CO2浓度、光照强度、空气温度湿度、土壤温度等环境参数采集，采用2G容量SD卡实现测试数据海量存贮，LCD12864和4x4小键盘实现人机交互，通过遥控继电器输出控制气肥发生器。采用模糊控制算法根据预设参数控制气肥发生器的工作时长，实现温室内气肥环境的调控。设计完成的气肥增施控制器具备数据采集、数据存贮、参数设置、自动报警、24 h内极值数据查询、气肥发生器调控等功能；气肥调控模式包括手动设置反应时间、手动设置目标浓度自动跟踪、智能选择目标浓度自动跟踪三种模式。与课题组自制电加热气肥发生器联合测试表明，气肥增施控制器实现了预定设计功能。

温室；CO2气肥；模糊控制；Arduino Mega 2560

在封闭的设施温室生产中，增施CO2气肥是一种有效的增产提质技术。传统的气肥增施方法有化学反应法、有机肥发酵法、通风换气法、燃烧法等，均无法精准控制CO2的产气速率，从而无法实现设施内CO2浓度的精准实时调控[1-5]。鉴于此，以课题组自主研发的负压电加热型气肥发生器作为气源[6]，设计配套CO2气肥补施控制器，探索实现设施温室中CO2气肥浓度的精准调控。

1 控制器整体设计

1.1 控制器功能分析

设施温室内的温度、湿度、光照强度等都是影响作物光合作用和CO2吸收效率的关键因素。如光照不足时，光合作用效率低，此时CO2过度补充将导致CO2浓度过高，影响作物的正常呼吸代谢。因此，高效CO2调控需要实时监测温室内温度、湿度、光照强度等因素，并结合作物光合作用需求，决策CO2气肥的调控[7-8]。

（1）数据采集功能

可对温室内环境的温度、湿度、光照强度、CO2浓度、土壤温度、时间、当前发生器累计工作时间等参数进行采集[9]。采集频率可自主设定，默认为1次/min。

（2）数据处理功能

可实时监测显示所采集的物理参数、时间日期等；可设定各环境参数正常范围，当采集数据超过正常范围时，对应数据显示异常并启动报警；具备数据存贮功能，依据设置的固定时间间隔存储，默认3 min存储一次。

（3）参数设定功能

不同种类环境参数检测传感器的选择设定，以及时间调整设定、作物种类选择、生长周期选择等系统参数设置。

（4）控制输出决策

系统设计具有三种控制模式：手动模式下设定反应器工作时间；自动模式下设定目标浓度；智能控制模式下依据用户设定作物的种类、作物生长周期及采集的温室内环境参数等，由控制器内置模型自主决策，实时调整系统目标浓度，动态优化控制。

1.2 控制器总体方案设计

系统采用Arduino Mega 2560为主控制器，各功能模块组成如图1所示[10]。

2 硬件系统设计

2.1 传感器的选择

温湿度传感器采用SHT10温湿度传感器，湿度测量范围：0～100%，温度测量范围：-40.0～123.8 ℃；光照度选择BH1750数字型光照传感器，其量程为1～65 535 lx；CO2浓度传感器选用河南郑州炜盛电子科技有限公司的MH-Z14模块，测量范围为0～5 000 μmol/mol；土壤温度传感器采用美国达拉斯公司DS18B20，测温范围为-55～125 ℃，增量值为0.5 ℃，为了适应土壤温度测量，传感器外部用不锈钢护套进行防护处理[11]。

2.2 驱动控制模块设计

气肥发生器采用电加热碳酸氢铵的原理工 作[6]，在二代系统设计中，为便于布线，控制器与发生器之间通过无线通讯进行控制，实测温室内有遮挡情况下可靠通讯距离可达100 m，满足温室内的使用环境需求。

2.3 SD卡接口设计

系统采用2GB的SD卡存储数据，通过SPI接口与Arduino Mega 2560通讯。

2.4 时钟接口

时钟芯片采用DS1307，可提供年月日时分秒信息，内置闰年补偿。

2.5 报警模块设计

在系统工作状态异常时将有声音报警，如发生器反应时间已到最大反应时间而未采取措施，或者检测系统状态参数长时间异常而未采取措施等状态下，控制器发出声音报警。报警电路采用蜂鸣器报警模块。

3 系统人机界面设计

3.1 显示界面功能设计

主界面显示当前时间和环境参数值及系统运行状态，如控制模式、反应时间等；参数设定界面可设置温度、湿度、光强、CO2浓度报警值，手动、自动、智能控制模式及系统时间。显示主界面从上到下第一行显示控制模式、发生器工作状态，第二行显示当前CO2浓度和目标CO2浓度，第三行显示温湿度、光照强度，第四行显示发生器的工作时间和剩余反应时间，第五行显示时间日期。各个子页面分别显示详细的参数信息或参数设定信息。控制器界面如图2所示。由于信息量较大，从而选用LCD12864显示屏，采用SPI方式和控制器通讯。

3.2 键盘接口设计

选择使用4×4薄膜矩阵键盘，结合按钮输入，可方便输入各种参数进行设置，查看各种参数及报警信息。

系统设置三个模式切换按钮，控制发生器的启动/停止按钮、查看以及参数设定。按下“设定”按钮后，通过矩阵键盘可以设置当前界面的参数，再按矩阵键盘的“*”键可以翻页、设置其他参数，“#”键为确认输入键。按下“查看”按钮后，可以查看CO2浓度、土壤温度、光照强度、温度、湿度是否正常及各参数的历史极值等信息。按下“启动/停止”按钮，可以控制发生器的工作状态。

4 系统软件设计

4.1 系统总体流程图

软件系统设计采用模块化方式[12]，系统流程图如图3所示。

4.2 模糊控制器设计

4.2.1 模糊控制器基本结构

系统设计采用二维模糊控制器作为气肥发生器的控制器[13-15]，选择CO2浓度偏差和偏差的变化率作为模糊控制器的两个输入变量。浓度偏差（）为决策控制器判定的适宜CO2浓度CO2（）与系统实时采集的当前CO2浓度CO2（）之间的差，如式（1）所示。用当前CO2浓度偏差（）和前一个时刻CO2浓度采样值偏差（-1）作差，得到浓度偏差的偏差变化率（），如式（2）所示。

（）＝CO2（opt）－CO2（） （1）

（）＝（）－（-1） （2）

其中，—采样周期；（）时刻CO2浓度偏差；（）时刻CO2浓度偏差变化率。

模糊控制器结构如图4所示，对输入信息CO2浓度偏差和偏差的变化率分别模糊化，再由、和模糊控制规则根据推理合成规则进行模糊推理，得到模糊控制量，最后将该模糊控制量解模糊，从而得到控制量，施加于被控对象。

4.2.2 模糊控制器输入输出语言变量

考虑到温室CO2气肥调控的实际情况和控制精度，确定温室的CO2浓度偏差变化范围的基本论域为[-150 μmol/mol，150 μmol/mol]，偏差变化率的基本论域为[-20 μmol/（mol·min），20 μmol/（mol·min），以CO2发生器工作时间作为控制器的输出变量，其基本论域定为[0 min，30 min]。

4.2.3 输入输出模糊变量赋值

依据控制的实际要求，系统选择形状简单、计算量小、且与其它隶属度函数控制结果差别较小的三角形隶属函数，对输入变化量、和输出量进行赋值。

4.2.4 模糊决策控制规则

考虑到模糊控制器为双输入单输出模式，设计控制规则按照“if-and-then”形式编写。根据温室生产与科研人员长期积累的经验，模糊控制规则如表1所示。

表1 输出模糊变量U的模糊控制规则表

4.2.5 模糊控制规则量化表

由于模糊推理和反模糊推理计算量较大，在实际应用中一般采用离线计算法获得输出量的模糊控制规则输出量化表，再输入到计算机或控制器当中，减少计算机的工作运算负担。采用最大隶属度法解模糊策略，模糊控制规则量化表如表2所示。

设计控制器将模糊规则计算出的量化值乘以输出比例因子，作为发生器动作依据。

表2 输出量U的模糊控制规则量化表

5 系统测试

图5为冬季温室番茄系统工作前后温室中CO2浓度变化趋势情况。系统未工作时，随着光照强度逐渐加强，8:20后温室中CO2浓度迅速下降至300 μmol/mol左右，该浓度水平一直保持到16:30后才逐渐上升，表明温室内只通过通风来补充CO2已经不能满足作物的需求。气肥控制器工作在智能控制模式，采用内置作物光合模型，结合设施内温度与光照参数，进行有限CO2气肥资源优化决策，当检测到温室中CO2浓度下降到预设阈值后开始补施CO2，在补施过程中，温室内CO2浓度保持在600 μmol/mol以上；15:00后补施量逐渐下降，17:30后系统停止补施，设施内CO2浓度与未补施前基本持平。

6 结束语

为了实现对温室内CO2浓度的精准调控，设计以Arduino为控制核心的气肥精准补施控制器，实现对温室内主要环境信息：温度、湿度、光照强度、CO2浓度的采集和海量存储；适应不同控制需求，系统设计手动、自动、智能三种控制方式。与课题组自主研发电加热气肥发生器联合测试结果表明，该控制器可实现温室内CO2浓度的优化调节，更好地满足作物生长需求。

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Design of carbon dioxide gas fertilize control system for greenhouse

Yu Jia1,2, Yang Yanrong1,Corresponding Author, Zhao Hui1, Shan Huiyong1, Guo Junwang1, Wei Yong1

（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China; 2. Tianjin Longchuan Cleanroom Operations Management Co. Ltd., Tianjin 300384, China）

In order to realize the precise control of carbon dioxide gas fertilizer in the greenhouse, a carbon dioxide gas fertilizer application control system was designed, which was based on the open source system Arduino Mega 2560. The system selects MH-Z14, BH1750, SHT10, DS18B20 and other sensors to collect environmental parameters such as carbon dioxide concentration, light intensity, air temperature and humidity, soil temperature, etc., uses 2G capacity SD card to achieve mass storage of test data, LCD12864 and 4x4 keypads to achieve human machine interaction, through the remote control relay output to control the gas fertilizer generator. The fuzzy control algorithm was adopted to control the working hours of the gas fertilizer generator according to the present parameters to realize the control of the greenhouse gas fertilizer environment. The designed controller has the functions of data acquisition, data storage, parameter setting, automatic alarm, extreme data query in 24 hours, and gas fertilizer generator control. The gas fertilizer control mode includes three modes: manual setting of reaction time, manual setting of target concentration automatic tracking and intelligent selection of target concentration automatic tracking. The actual test of the electric heating gas fertilizer generator made by the project group shows that the air fertilizer application controller can realize the designed function.

greenhouse; carbon dioxide gas fertilizer; fuzzy control; Arduino Mega 2560

TP273.4；

A

1008-5394（2021）02-0067-05

10.19640/j.cnki.jtau.2021.02.014

2020-10-09

天津市企业优秀科技特派员项目（19JCTPJC56700）；天津市农业科技成果转化与推广项目（201703080）

于镓（1989—），男，助理工程师，硕士，主要从事电气自动化方面的研究。E-mail：yujia198908@foxmail.com。

杨延荣（1976—），女，讲师，硕士，主要从事机电一体化技术方面的研究。E-mail：tjshyyr@sina.com。

责任编辑：杨霞