張海輝 邵志成 張佐經(jīng) 吳婷婷 王傳哲 辛萍萍

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

基于無線傳感網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境二氧化碳精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)

張海輝 邵志成 張佐經(jīng) 吳婷婷 王傳哲 辛萍萍

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境二氧化碳精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)，包括主控節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)及補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間信息交互。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)獲取設(shè)施內(nèi)多點(diǎn)二氧化碳濃度、溫度、光照數(shù)據(jù)；主控節(jié)點(diǎn)根據(jù)作物各階段最適生長環(huán)境，結(jié)合溫度與光照閾值，動(dòng)態(tài)計(jì)算二氧化碳濃度目標(biāo)值與實(shí)時(shí)值之間的差值作為調(diào)控參數(shù)，采用反饋控制實(shí)現(xiàn)二氧化碳動(dòng)態(tài)調(diào)控；為改善以往設(shè)施二氧化碳補(bǔ)施不均的普遍現(xiàn)象，設(shè)施中氣體擴(kuò)散管道采取雙M型布置方式，設(shè)計(jì)開孔大小不同的二氧化碳擴(kuò)散孔，由補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)配合對(duì)流裝置控制各小區(qū)域的二氧化碳排放量，達(dá)到均勻和定量補(bǔ)施的目的。實(shí)地布置和試驗(yàn)表明基于無線傳感網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，以設(shè)施番茄為研究對(duì)象，在面積36.66 m2日光溫室內(nèi)補(bǔ)施目標(biāo)值與實(shí)時(shí)值的相對(duì)誤差小于3.5%，在面積27.74 m2玻璃溫室內(nèi)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間二氧化碳濃度變異系數(shù)小于2.93%，證明本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二氧化碳精準(zhǔn)及均勻補(bǔ)充。

設(shè)施環(huán)境； 二氧化碳； 無線傳感網(wǎng)； 精準(zhǔn)補(bǔ)施； 均勻補(bǔ)施

引言

二氧化碳是植物進(jìn)行光合作用的必要物質(zhì)[1-2]，精準(zhǔn)定量補(bǔ)施是保證植物高效利用降低高濃度二氧化碳對(duì)于植物光合富營養(yǎng)化影響的關(guān)鍵[3]。燃燒秸稈補(bǔ)施溫室二氧化碳“氣肥”雖能滿足植物進(jìn)行光合作用的需求，但其費(fèi)事費(fèi)工，環(huán)境污染，不安全問題突出[4-5]；設(shè)施自動(dòng)化或半自動(dòng)化定量施肥，可以提高二氧化碳精準(zhǔn)補(bǔ)施的工作效率，但無法滿足植物進(jìn)行最優(yōu)光合作用所需二氧化碳的濃度，造成利用率低和資源浪費(fèi)[6-7]。

國內(nèi)外已經(jīng)在設(shè)施環(huán)境二氧化碳監(jiān)測(cè)與調(diào)控方面開展了相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用研究，取得了很多成果[8-11]。在環(huán)境信息監(jiān)測(cè)方面，李少華等[12]開發(fā)的基于單片機(jī)控制的溫室二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能滿足二氧化碳無線智能化補(bǔ)施要求，但存在單點(diǎn)監(jiān)測(cè)與布線困難等問題；溫竹等[13]開發(fā)的基于JN5148的溫室二氧化碳濃度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無線溫室內(nèi)二氧化碳濃度值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但未進(jìn)行二氧化碳濃度的調(diào)控；張海輝等[14]研制的基于WSN的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)施二氧化碳濃度信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匯聚和無線傳輸。在設(shè)施環(huán)境二氧化碳精準(zhǔn)調(diào)控方面，張漫等[15]研發(fā)的基于WSN的溫室二氧化碳?xì)夥蕛?yōu)化調(diào)控系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)溫室二氧化碳?xì)夥实木珳?zhǔn)管理，但未對(duì)監(jiān)測(cè)與控制實(shí)現(xiàn)無線分離；王東等[16]設(shè)計(jì)了溫室大棚二氧化碳濃度精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)，完成了基于現(xiàn)場監(jiān)測(cè)結(jié)果的二氧化碳濃度的精準(zhǔn)控制，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)精度高、可靠性高等特點(diǎn)，但未開啟二氧化碳?xì)怏w均勻性補(bǔ)施研究。在設(shè)施二氧化碳均勻性補(bǔ)施方面，劉妍華等[17]運(yùn)用Fluent軟件模擬仿真了增施二氧化碳?xì)夥蕦?duì)溫室流場影響的數(shù)值模擬及驗(yàn)證，但未結(jié)合具體作物進(jìn)行二氧化碳?xì)夥收{(diào)控。王雙喜等[18]運(yùn)用氣體射流理論，分析研究溫室內(nèi)補(bǔ)施二氧化碳濃度分布的均勻性，結(jié)果表明二氧化碳的變異系數(shù)保持小于3.1%，但補(bǔ)施過程未考慮植物所處溫度與光照條件下對(duì)光合作用的影響，且未考慮管道各個(gè)導(dǎo)氣孔流量之間的差異,造成二氧化碳補(bǔ)施相對(duì)不均。

本文以日光溫室試驗(yàn)基地進(jìn)行二氧化碳調(diào)控效果為研究對(duì)象，依據(jù)溫室空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建ZigBee無線自組網(wǎng)，通過監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)及補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)的無線互聯(lián)，根據(jù)溫室二氧化碳濃度、溫度及光照動(dòng)態(tài)調(diào)控二氧化碳濃度。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)探測(cè)設(shè)施環(huán)境二氧化碳濃度、溫度、光照強(qiáng)度；主控節(jié)點(diǎn)依據(jù)番茄所處生長階段所需的最優(yōu)二氧化碳濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，基于流量反饋調(diào)控機(jī)制下發(fā)控制命令；補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于流量監(jiān)測(cè)的氣體聯(lián)控模塊，以改善氣肥智能化補(bǔ)施水平，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)與按需施肥。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由主控節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)及補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)3部分組成，總體架構(gòu)如圖1所示。采用低功耗芯片CC2530F256作為中心處理單元，組網(wǎng)方式采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，主控節(jié)點(diǎn)擔(dān)任WSN中協(xié)調(diào)器的功能，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)與添加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的路由器，負(fù)責(zé)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能。補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)也作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的路由器。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of system hardware

系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)設(shè)施環(huán)境信息的采集，該節(jié)點(diǎn)獲取設(shè)施環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度及二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，通過調(diào)用射頻發(fā)送函數(shù)，無線傳輸環(huán)境參量至主控節(jié)點(diǎn)。

補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)主要完成終端命令的執(zhí)行與調(diào)控信息的反饋，該路由節(jié)點(diǎn)獲取終端命令解析得控制指令，決定啟閉氣罐電磁閥與對(duì)流裝置，同時(shí)渦街流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量值，反饋至主控節(jié)點(diǎn)維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

主控節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)設(shè)施環(huán)境信息的交互與模型的處理。該節(jié)點(diǎn)通過具有人機(jī)交互的工控機(jī)進(jìn)行模型處理，結(jié)合渦街流量計(jì)的的反饋信息，進(jìn)而下發(fā)控制信號(hào)至補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用CC2530F256處理器進(jìn)行監(jiān)測(cè)、補(bǔ)施及主控3類節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，利用射頻收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息交互。

2.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路主要完成環(huán)境信息采集與無線上傳功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。硬件電路主要包括電源模塊、溫度采集模塊、二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)模塊及光照測(cè)量模塊。

圖2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)電路圖Fig.2 Diagram of monitoring node circuit

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)支持5 V與3.3 V供電；使用DS18B20溫度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)施環(huán)境溫度參數(shù)，二氧化碳傳感器使用英國GSS公司產(chǎn)的COZIR傳感器，COZIR支持串口通信功能，通過與單片機(jī)的TXD和RXD端口獲得濃度信息，光照測(cè)量模塊使用美國DAVIS公司產(chǎn)的6450 Pro光輻射傳感器，模塊支持A/D采樣，與單片機(jī)的模數(shù)端口連接。

2.2 補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)包括電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、氣罐電磁閥、對(duì)流裝置及渦街流量計(jì)，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)接收主控節(jié)點(diǎn)無線下達(dá)的控制信號(hào)，架設(shè)在控制終端的渦街流量計(jì)，上傳監(jiān)測(cè)的二氧化碳釋放量為主控節(jié)點(diǎn)的控制提供反饋信息，判斷啟閉氣罐電磁閥與對(duì)流裝置，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳精準(zhǔn)定量補(bǔ)施。

圖3 補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)電路圖Fig.3 Diagram of fertilizing node circuit

電源模塊為節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊提供電能，驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)終端命令至末端執(zhí)行的轉(zhuǎn)換過程，氣罐電磁閥控制二氧化碳的出氣，決定整個(gè)補(bǔ)施空間內(nèi)的二氧化碳濃度含量，對(duì)流裝置加速氣體均勻擴(kuò)散至整個(gè)流體空間。渦街流量計(jì)為補(bǔ)施提供反饋信息，決定二氧化碳?xì)夤掎尫帕俊?/p>

2.3 主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)硬件電路主要包括電源模塊，無線模塊，串口通信模塊及工控機(jī)開發(fā)組件。中心處理節(jié)點(diǎn)為無線交互與模型處理提供硬件平臺(tái)。結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示，其中，無線模塊為信息交互提供硬件平臺(tái)，串口通信模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)與工控機(jī)之間的信息交互，工控機(jī)開發(fā)組件擔(dān)任模型處理與狀態(tài)指示職責(zé)。

圖4 主控節(jié)點(diǎn)電路圖Fig.4 Diagram of master node circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)及主控節(jié)點(diǎn)3部分，全部采用標(biāo)準(zhǔn)C語言進(jìn)行編程，對(duì)于系統(tǒng)移植與應(yīng)用擴(kuò)展具有極大的便利性。

3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要功能包括加入?yún)f(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)，環(huán)境參量的采集與無線信息的發(fā)送。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序中設(shè)定與協(xié)調(diào)器相同頻段的局域網(wǎng)號(hào)，通過查找同頻段的協(xié)調(diào)器，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)協(xié)調(diào)器隨機(jī)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址給監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。組網(wǎng)成功后，初始化系統(tǒng)參數(shù)，完成設(shè)施環(huán)境溫度、光照及二氧化碳濃度采集，調(diào)用射頻發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參量的無線上傳，最終完成協(xié)調(diào)器接收設(shè)施環(huán)境信息，程序流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.5 Flow chart of monitoring node software

3.2 補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)

圖6 補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.6 Flow chart of fertilizing node software

補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)包括加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，流量信息的上傳及無線接收控制信息，程序流程如圖6所示。加入?yún)f(xié)調(diào)器所組網(wǎng)絡(luò)，原理同監(jiān)控節(jié)點(diǎn)相同。初始化系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)RS485串口通信協(xié)議采集二氧化碳釋放量，上傳至主控節(jié)點(diǎn)提供反饋信息，射頻接收函數(shù)獲取主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的終端命令，并進(jìn)行解析提取，確定啟閉氣罐電磁閥與對(duì)流扇，考慮長時(shí)間導(dǎo)氣孔開啟狀態(tài)下，氣體液化吸熱會(huì)導(dǎo)致罐體結(jié)冰，故通過特定空占比的方波控制信號(hào)補(bǔ)施二氧化碳，實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)調(diào)控二氧化碳?xì)怏w。

3.3 主控節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)

主控節(jié)點(diǎn)包括基于ZigBee主控平臺(tái)與基于Linux工控機(jī)平臺(tái)的軟件開發(fā)，主控平臺(tái)通過搭建ZigBee無線自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)設(shè)定方向無線傳播。工控機(jī)平臺(tái)通過模型處理下發(fā)控制信號(hào)。

3.3.1 工控機(jī)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

工控機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦中樞，處理主控平臺(tái)上傳的無線信息。工控機(jī)通電后，初始化系統(tǒng)時(shí)間、工控機(jī)界面等系統(tǒng)操作，工控機(jī)平臺(tái)通過RS232串口通信協(xié)議獲取設(shè)施環(huán)境內(nèi)溫度、光照、二氧化碳濃度及氣體釋放流量，根據(jù)植物在特定生長期所需的最優(yōu)二氧化碳濃度，以及植物所需溫度與光照環(huán)境條件下，結(jié)合流量計(jì)的反饋信息，下發(fā)終端控制命令。系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 工控機(jī)開發(fā)平臺(tái)界面Fig.7 Interface of development platform

調(diào)控系統(tǒng)補(bǔ)施方式設(shè)有最優(yōu)模式，該模式針對(duì)設(shè)施環(huán)境作物單一的情況，通過番茄在特定生長期所需的二氧化碳濃度的差異性，與植物所處設(shè)施環(huán)境中二氧化碳濃度進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，結(jié)合設(shè)施環(huán)境所處溫度與光照限定條件下，配合流量反饋信息，判斷設(shè)備工作模式。

3.3.2 主控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

主控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)主要包括創(chuàng)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的匯集與下發(fā)及串口數(shù)據(jù)通信。創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)主要完成構(gòu)建特定頻率的網(wǎng)絡(luò)及允許同頻段的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入；數(shù)據(jù)的匯集與下發(fā)主要實(shí)現(xiàn)信息按照程序設(shè)定方向?qū)崿F(xiàn)定向流動(dòng)；串口數(shù)據(jù)通信主要實(shí)現(xiàn)主控平臺(tái)與工控機(jī)平臺(tái)之間的有線互聯(lián)，軟件流程如圖8所示。

圖8 主控節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.8 Flow chart of master node software

主控平臺(tái)上電以后，協(xié)調(diào)器選擇空閑信道，以特定頻率組建網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用射頻接收函數(shù)獲取監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境參量與補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)反饋信息，再調(diào)用串口寫函數(shù)，向工控機(jī)發(fā)送環(huán)境參數(shù)與二氧化碳排放量，同時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)調(diào)用串口讀函數(shù)，等待獲得工控機(jī)串口發(fā)送來的終端命令，命令以廣播的方式無線下發(fā)。

4 調(diào)控原理分析

相關(guān)研究表明[19-22]，不同生長期番茄所需二氧化碳最優(yōu)濃度具有差異性，苗期約為700 μmol/mol，果期約為1 300 μmol/mol，且發(fā)現(xiàn)在不適宜的溫度與光照環(huán)境下補(bǔ)施二氧化碳，不僅造成資源浪費(fèi)，且植株在高濃度二氧化碳環(huán)境下，所處低溫或高溫以及無光或強(qiáng)光下，都會(huì)極大的抑制光合作用。通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)可知，番茄的最適光照與溫度分別為250～380 W/m2與18～30℃，其中最佳溫度在26～30℃之間。

系統(tǒng)以最優(yōu)濃度與實(shí)時(shí)濃度的差值為調(diào)控參數(shù)。氣罐所需排放二氧化碳總流量為

(1)

式中Qtotal——?dú)夤薅趸伎偭髁緾n——目標(biāo)二氧化碳濃度C——實(shí)時(shí)二氧化碳濃度Voffset——系統(tǒng)補(bǔ)施空間Cout——?dú)夤蕹鰵饪滋幎趸紳舛萾——補(bǔ)施時(shí)間

考慮到調(diào)控過程二氧化碳的無規(guī)則擴(kuò)散，通過搭建如圖9所示的雙M型氣體導(dǎo)輸管道，設(shè)計(jì)各出氣孔瞬時(shí)流量相同，實(shí)現(xiàn)均勻性補(bǔ)施。氣罐總流量與各出氣孔瞬時(shí)流量定量關(guān)系式為

Qtotal=nQ

(2)

式中Q——各個(gè)出氣孔的瞬時(shí)流量n——導(dǎo)輸管道開孔個(gè)數(shù)

圖9 二氧化碳?xì)怏w管道部署圖Fig.9 Layout of carbon dioxide gas pipe line1.二氧化碳?xì)夤?2.主管道 3.支路管道 4.導(dǎo)氣噴孔 5.電磁閥 6.對(duì)流扇

為實(shí)現(xiàn)各出氣孔的瞬時(shí)流量相同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同的開孔大小。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，氣罐距導(dǎo)氣孔較近處，流量較大，距導(dǎo)氣孔較遠(yuǎn)處，流量較小，且對(duì)稱位置流量相同。根據(jù)伯努利原理，保持各個(gè)噴氣孔流量相同，從而可得噴孔面積與噴空深度之間的定量關(guān)系式為

(3)

其中

(4)

式中R——噴孔半徑C——伯努利常數(shù)ρ——流體密度g——重力加速度h——噴孔距氣罐出氣孔的相對(duì)高度p——噴口處的壓力

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 設(shè)備部署

2016年1月，調(diào)控系統(tǒng)部署于陜西省閻良區(qū)武屯鎮(zhèn)西北農(nóng)林科技大學(xué)閻良蔬菜試驗(yàn)示范站2號(hào)棚。整個(gè)溫室外形呈圓弧柱狀結(jié)構(gòu)，溫室配有卷簾機(jī)，上通風(fēng)與下通風(fēng)等氣體對(duì)流設(shè)備，在補(bǔ)施過程中，考慮氣體無規(guī)則擴(kuò)散，通過搭建塑料隔膜，進(jìn)行二氧化碳智能調(diào)控對(duì)比試驗(yàn)區(qū)的效果驗(yàn)證。試驗(yàn)部署于整個(gè)溫室(50 m×7.8 m)中間(4.8 m×7.8 m)區(qū)域。

主控節(jié)點(diǎn)擔(dān)任開啟自動(dòng)化設(shè)備的任務(wù)，通常放置于試驗(yàn)場所外側(cè)，防止人為干擾影響調(diào)控效果；二氧化碳監(jiān)測(cè)設(shè)備放置于溫室正中間位置，該點(diǎn)反映整個(gè)區(qū)域內(nèi)二氧化碳的平均濃度；補(bǔ)施節(jié)點(diǎn)放置于試驗(yàn)區(qū)域外部，氣體通過導(dǎo)氣管道引流進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域?？紤]植株高度，葉片進(jìn)行光合作用場所及二氧化碳比空氣相對(duì)分子質(zhì)量大等因素，本系統(tǒng)部署二氧化碳導(dǎo)氣管道距地面垂直高度為2 m，保證導(dǎo)氣管道位于植株上側(cè)空間。根據(jù)均勻性擴(kuò)散試驗(yàn)確定管道之間的水平間隔為L0=0.6 m，氣罐出氣孔之間的水平距離L1=0.6 m，二氧化碳濃度變異系數(shù)降低至允許誤差以內(nèi)。

5.2 調(diào)控參數(shù)確定

根據(jù)設(shè)施植物所處具體環(huán)境的限定，結(jié)合植物最適調(diào)控范圍，確定最優(yōu)二氧化碳調(diào)控閾值，溫室內(nèi)番茄處于苗期，最優(yōu)二氧化碳濃度設(shè)為1 300 μmol/mol。圖10所示為溫室光照與溫度的變化曲線。設(shè)施環(huán)境內(nèi)的光照大體經(jīng)歷先上升后下降的過程，在中午時(shí)分達(dá)最大值。設(shè)施環(huán)境內(nèi)的溫度總體變化不大，作物生長環(huán)境處于日光溫室內(nèi)，溫度既受外界環(huán)境的影響，又受溫室自身保溫作用的影響。結(jié)合植物所處的光合環(huán)境，設(shè)定補(bǔ)施二氧化碳最優(yōu)調(diào)控環(huán)境，設(shè)計(jì)溫度閾值在12～15℃之間，光照閾值在15～100 W/m2之間進(jìn)行氣肥調(diào)控效果驗(yàn)證。

在冬季，大約在10:00—16:00打開卷簾機(jī)與上通風(fēng)設(shè)備，下通風(fēng)設(shè)備一般不工作，且考慮溫室二氧化碳補(bǔ)施最長時(shí)間不宜超過4 h，因此設(shè)備工作的最適補(bǔ)施時(shí)間設(shè)置在10:00—14:00區(qū)間段內(nèi)。

圖10 溫度與光照變化曲線Fig.10 Variation curves of temperature and light intensity

5.3 調(diào)控效果驗(yàn)證

二氧化碳調(diào)控效果通過搭建設(shè)施環(huán)境智能補(bǔ)施設(shè)備實(shí)現(xiàn)作物補(bǔ)施氣肥的目的。從2016年1月27日起開始進(jìn)行二氧化碳調(diào)控試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)施環(huán)境內(nèi)二氧化碳最優(yōu)濃度與實(shí)時(shí)濃度以及系統(tǒng)最終調(diào)控結(jié)果值。驗(yàn)證試驗(yàn)前在試驗(yàn)區(qū)域與對(duì)比區(qū)域增設(shè)塑料薄膜進(jìn)行空間隔檔，同時(shí)在試驗(yàn)起始前打開上下通風(fēng)裝置，使空間內(nèi)二氧化碳保持相對(duì)一致后進(jìn)行密閉處理。

經(jīng)過60 d二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)與調(diào)控效果驗(yàn)證，證明系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行。其中，2016年3月9日溫室二氧化碳濃度變化曲線如圖11所示。

圖11 二氧化碳變化曲線Fig.11 Variation curves of carbon dioxide

由圖10與圖11可得，在未補(bǔ)施的二氧化碳調(diào)控設(shè)施環(huán)境內(nèi)，溫度與光照未成為制約光合作用的限定性因素，但二氧化碳濃度在光合時(shí)段的急劇下降(Cunsup)，造成二氧化碳成為制約光合作用的關(guān)鍵性因素。

在設(shè)施補(bǔ)施環(huán)境中，溫度與光照處于相對(duì)適宜條件下，通過精準(zhǔn)補(bǔ)施設(shè)備彌補(bǔ)設(shè)施環(huán)境缺乏的二氧化碳，極大的提高光合作用效率，試驗(yàn)表明補(bǔ)施過程中最優(yōu)目標(biāo)值(Cbest)與實(shí)際值(Csup)的相對(duì)誤差小于3.5%，證明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)與高效補(bǔ)施。

5.4 補(bǔ)施均勻性驗(yàn)證

二氧化碳擴(kuò)散均勻性驗(yàn)證試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)南校玻璃溫室(7.3 m×3.8 m)進(jìn)行，呈長方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)種植番茄，試驗(yàn)空間密閉性較好，外界因素對(duì)試驗(yàn)影響較小，試驗(yàn)場所適合驗(yàn)證氣體擴(kuò)散均勻性效果。試驗(yàn)材料包括：二氧化碳調(diào)控裝備一套、氣罐一個(gè)、導(dǎo)氣管道一套和對(duì)流裝置6個(gè)。按照?qǐng)D9所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置二氧化碳導(dǎo)氣管道，分別在試驗(yàn)場地中間(middle)、前端(front)及后端(behind)3個(gè)點(diǎn)布置同一水平面上的二氧化碳均勻性擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。3個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備放置高度距地面0.4 m高度，試驗(yàn)起始前待3個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)二氧化碳濃度保持相對(duì)穩(wěn)定后開始試驗(yàn)，試驗(yàn)效果如圖12所示。

圖12 氣體擴(kuò)散示意圖Fig.12 Diagram of gas diffusion

按照?qǐng)D12離散點(diǎn)擬合3條離散曲線，各個(gè)相關(guān)系數(shù)分別為0.983、0.990、0.992，擬合曲線為

(5)

式中yfront、ymiddle、ybehind——前端、中間、后端的二氧化碳濃度

xfront、xmiddle、xbehind——前端、中間、后端的二氧化碳濃度上升所需時(shí)間

各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的二氧化碳補(bǔ)施速率均與所處時(shí)間無關(guān)，3個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間的二氧化碳濃度的變異系數(shù)小于2.93%，保證二氧化碳濃度補(bǔ)償保持相對(duì)勻速上升趨勢(shì)，植物逐漸適應(yīng)相對(duì)高濃度二氧化碳光合環(huán)境。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)，達(dá)到了設(shè)施環(huán)境參量的無線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)施二氧化碳濃度的功能，且整個(gè)系統(tǒng)無線傳輸穩(wěn)定，運(yùn)行正常。

(2)以設(shè)施番茄為應(yīng)用對(duì)象，在面積36.66 m2日光溫室內(nèi)，在10:00—14:00調(diào)控時(shí)間段內(nèi)，保持補(bǔ)施目標(biāo)值與實(shí)時(shí)值的相對(duì)誤差小于3.5%，證明該系統(tǒng)具有良好的調(diào)控精度。

(3)在補(bǔ)施系統(tǒng)中設(shè)計(jì)雙M型擴(kuò)散管道，保證調(diào)控空間內(nèi)二氧化碳濃度保持相對(duì)一致，在面積27.74 m2玻璃溫室內(nèi)，保持變異系數(shù)低于2.93%，證明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)均勻、定量補(bǔ)施。

(4)針對(duì)溫度與光照變化平緩的情況下，根據(jù)設(shè)定番茄不同生長期所需的二氧化碳濃度差異進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，并以此進(jìn)行二氧化碳調(diào)控。但當(dāng)處于溫度與光照變化比較劇烈的情況下，僅根據(jù)特定生長期的閾值不能達(dá)到理想的調(diào)控效果，后續(xù)將進(jìn)一步集成融合多因子的優(yōu)化調(diào)控模型，根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度與光照強(qiáng)度確定作物所需最優(yōu)二氧化碳濃度，以此實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)控。

(5)假設(shè)作物的生理代謝對(duì)設(shè)施空間二氧化碳濃度的變化比較緩慢，僅根據(jù)某時(shí)刻固定濃度值判別系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)存在不足，后續(xù)將考慮作物的光合作用與呼吸作用導(dǎo)致設(shè)施空間二氧化碳濃度變化，造成系統(tǒng)控制相對(duì)滯后的問題，通過分析特定環(huán)境下的作物呼吸與釋放二氧化碳量，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定量確定二氧化碳濃度調(diào)控參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)控。

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Regulation System of CO2in Facilities Based on Wireless Sensor Network

ZHANG Haihui SHAO Zhicheng ZHANG Zuojing WU Tingting WANG Chuanzhe XIN Pingping

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Carbon dioxide is the necessary material for plant photosynthesis, and building favorable carbon dioxide environment in facilities is essential for crop growth. The design of an environment carbon dioxide precision control system based on wireless sensor network (WSN) was introduced, which was composed of master node, monitoring node and fertilizing node. Information interaction among nodes were achieved with ZigBee protocol, which was a general protocol for wireless sensor network. Monitoring node was used to monitor real-time carbon dioxide concentration, temperature and light intensity in facilities environment. With a feedback control, master nodes achieved dynamic adjustment of carbon dioxide based on different growing seasons for various plants in facilities and combining optimum thresholds of temperature and lights. To improve the disadvantage of uneven carbon dioxide implementation, double M type conductive pipe was deployed in facilities. Meanwhile, different hole sizes on the pipe were designed for acquiring the same instantaneous flow. In collaboration with convection device, fertilizing node controlled the carbon dioxide emissions through gas tank passing and breaking, and guaranteed the uniformity of carbon dioxide implementation. The results show that the relative error between the target and the real-time value is less than 3.5% in solar greenhouse with area of 36.66 m2. The designed experiment result shows that the variation coefficient of carbon dioxide concentration among monitoring nodes is less than 2.93% in glasshouse with area of 27.74 m2, which proves that the system can realize precise and uniform fertilizing of carbon dioxide.

envionment of facilities; carbon dioxide; wireless sensor network; precise fertilizing; uniform fertilizing

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.041

2016-06-21

2016-09-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31671587)和楊凌示范區(qū)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新重大項(xiàng)目(2016CXY-19)

張海輝(1977—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù)研究，E-mail： zhanghh@nwsuaf.edu.cn

TP391; S625.5+1

A

1000-1298(2017)03-0325-07