CN105607665A - 一种温室大棚的智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温室大棚的智能控制系统，属于农产品生产技术领域，涉及温室大棚的环境因子控制，本发明控制系统包括处理器、按键采集模块、光照强度采集模块和阀门控制模块，所述处理器内置存储器和参数设置模块，存储器内保存每种植物在不同光照强度下的CO₂饱和点，处理器读取按键采集模块输入的植物品种和光照强度采集模块确认的光照强度，查找存储器中对应的CO₂饱和点，确认CO₂施放量，并将CO₂施放量转化为阀门的开启时间，阀门控制模块控制CO₂气源的阀门。本发明通过植物在不同光强下对CO₂的需求量，给予适当的补充，提高植物的光合速率，提高经济效益。

Description

一种温室大棚的智能控制系统

技术领域

本发明属于物联网应用技术领域，涉及温室大棚的环境因子控制，具体涉及到一种温室大棚的智能控制系统。

背景技术

随着设施工程技术和栽培育种技术的不断改进，设施农业作物产量得到了极大的提高，但是不利的生长环境因子使农业作物实际的产量只发挥了其生产潜力的24％左右，限制了产量的提高，例如，环境温度、空气湿度以及CO₂的浓度。

CO₂是作物进行光合作用的原料之一，因此，CO₂浓度是影响作物生长的一个很重要的环境因子。CO₂施肥可以增强蔬菜对生物逆境和非生物逆境的抗性，改变蔬菜作物的矿物质吸收和分配，同时也影响蔬菜作物的超微结构。作物进行光合作用会消耗大量的CO₂，若室内CO₂得不到及时补充，CO₂浓度会迅速下降。在不通风情况下，CO₂浓度会降低到作物CO₂补偿点以下，即使在通风情况下，室内CO₂浓度也可能低于室外CO₂浓度。因此，过低的CO₂浓度已成为设施作物光合的主要限制因素，制约了作物生长发育，降低了作物产量和品质。

目前在湿度检测方面，湿度传感器通常采用蜂窝状的结构，由于其湿敏材料对水分的吸附性，导致湿度传感器检测具有时滞长、不稳定性、而且难以维护保养的特点，测量具有较大的误差。

虽然有一些地方在使用CO₂、湿度等环境因子控制方法后收到了良好效果，但很多地方还尚未使用或者使用后效果不佳，甚至有些地方在使用中还出现了一些问题，因此对CO₂施肥效果贬褒不一。之所以会出现上述情况，主要原因有我国缺少成本低、安全、操作简单、产气量高、易于控制的CO₂发生设备和缺乏增施CO₂后对作物合理的肥水管理措施。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种温室大棚的智能控制系统，通过综合考虑植物种类、生育阶段、栽培条件及其他环境因素等条件，选择适宜的CO₂增施方法、施肥浓度和施肥时间。

本发明的技术方案是：一种温室大棚的CO₂施肥控制系统，包括处理器、按键采集模块、光照强度采集模块、阀门控制模块和温湿度传感器，所述处理器内置存储器和参数设置模块，存储器内保存各种植物在不同光照强度下的CO₂饱和点，温湿度传感器将采集到的数据输出给处理器，处理器读取按键采集模块输入的植物品种数据和光照强度采集模块检测到的光照强度，查找存储器中该种植物在某一光照强度下对应的CO₂饱和点，确认CO₂施放量，通过阀门控制模块实现CO₂的释放控制。

上述参数设置模块还包括光照强度采集模块每天采集光照强度的时间点设置，具体的，在3-4月中旬，日出1小时后检测光照强度，4月下旬到5月，日出半小时后检测，在11月到2月，日出2小时检测。在存储器中植物品种、光照强度和CO₂的对照表中，光照强度在27W·m^-2以上时，CO₂施放量大于0。控制系统还包括风机控制模块和风机，所述风机在大棚内部双向循环排列，其旋转方向为使大棚内部形成循环气流。具体的，风机高度距离地面10到20厘米，与地面形成10-20度仰角，风机的旋转方向为使气流从低处向高处流动。风机风速设在0.3～1.0m·s^-1范围内，植物叶片的边界层阻力减少，气孔导度增大；所述风机的换气速度为10h^-1，也即每6min风机启停一次。上述的电磁阀门一端与CO₂气源联通，另一端连接导气管，导气管直径为2cm，另一端封闭，所述导气管上每间隔1米设有一个直径为2mm的小孔。控制系统还包括CO₂浓度检测模块，CO₂浓度检测模块在施放CO₂气肥后，实时检测CO₂浓度变化，大棚内外的CO₂浓度一致后，给大棚强制通风。在给大棚强制通风时，大棚内的风机单向工作，其旋转方向为使大棚内部形成单向流动气流。CO₂的施放量比CO₂的饱和点低。

所述温湿度传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元包括两个半导体应变片R_ε1和R_ε2，半导体应变片R_ε1和R_ε2设在半径为r₀的圆形膜片上，圆形膜片设在U型支座上，膜片与U型支座间形成一个密封空腔，两个半导体应变片受到膜片内外两侧的压力差和温度激励作用下输出电阻响应，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元通过数据解耦分离出温度和内外压力差和相对湿度。所述的半导体应变片R_ε1设置在圆心位置，R_ε2设置在膜片0.89r₀的圆上，两个电阻应变片的变化量相同，正负相反。

本发明有如下积极效果：通过植物在不同光强下对CO₂的需求量，给予适当的补充，提高植物的光合速率，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的CO₂施肥控制系统结构图。

图2为本发明具体实施方式的风机布置图。

图3是本发明的具体实施方式的温湿度传感器中应变片的安装示意图。

图4是本发明的具体实施方式的温湿度传感器的结构示意图。

图5是本发明的具体实施方式的应变片的应变分布图。

图6是本发明的具体实施方式的温湿度传感器工作原理结构框图。

图7是本发明的具体实施方式的温湿度传感器的信号流程框图。

图8是本发明的具体实施方式的脉宽信号转换电路图。

图中，1、U型支座，2、空气密封腔，3、膜片，4、半导体应变片R_ε1，5、半导体应变片R_ε2，6、风机。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明系统包括处理器、按键采集模块、光照强度检测模块、CO₂浓度检测模块、温湿度传感器、风机控制模块和电磁阀控制模块，处理器内包括存储器和参数设置模块，按键采集模块用于用户输入参数，由于不同的植物的CO₂饱和点不同，因此得通过按键采集模块输入植物种类，另外，由于季节变更，日出时间在变化，也意味着植物进行光合作用的时间在变化，用户需要设置光照强度检测模块的采集时间点，也即CO₂施放时间。通过按键采集模块，用户手动输入植物的类型和每天CO₂施放时间点，在存储器中，预先设置好每种植物在不同的光照强度下的CO₂饱和点，控制器通过查表方式确定需要施放的CO₂体积，CO₂的体积转换成施放时间，也即电磁阀的导通时间。

由于CO₂的密度比空气大，所以CO₂沉积到大棚底部，影响植物冠层与群落内部CO₂的均匀分布，从而影响增施CO₂气肥的效果。植物进行光合作用消耗大量的CO₂，若风速较小，会使CO₂的扩散速率减慢，造成植物群落内部CO₂得不到及时补充，从而降低植物的光合速率。在大棚内部增加风机设备，有利于提高大棚内部的空气流通，使大棚内的CO₂分布均匀，同时，植物叶片的边界层阻力减少，气孔导度增大，提高CO₂的转化效率。

如图2所示，本发明在大棚内部增设多个风机，使大棚内形成循环气流，风机高度距离地面10到20厘米，与地面形成10-20度仰角，风速设在0.3～1.0m·s^-1范围内。将风机设在距离地面一定的高度，并与地面有一定的仰角，风机负压面为靠近地面的一侧，这一高度可以保证风机运转时，风机的负压面空气流通不会受到阻碍，如果过于接近地面，因为空气流通受阻，会产生较大的噪音。10-20度仰角可以将沉积的CO₂向高处扩散，保证植物冠层对CO₂的需求。风速在0.3～1.0m·s^-1范围内时，植物叶片的边界层阻力减少，气孔导度增大，增施CO₂的效果增加。若风速过高，会导致植物的部分气孔关闭，气孔导度降低，CO₂的转化效率降低。

温室在通风状态下的换气速度在10h^-1次以上，因此，本发明的风机可以采用间歇作业的方式，风机平均每6min工作一次，每次工作的时长因风机之间的距离而定，保证整个温室的空气都循环流通，CO₂分布均匀，则可以停止运转。

本发明的CO₂气源采用瓶装液态的CO₂，瓶装液态的CO₂浓度容易控制，方便安全，通过导气管及其上的小孔将CO₂均匀的施放到温室大棚中，将导管固定在大棚的顶部，导气管的直径为2cm，一头与钢瓶放气口连接，一头封闭，在导气管上每间隔1米打一个直径约为2mm的小孔。钢瓶的放气口由电磁阀门控制。

由于植物晚间的呼吸作用，致使棚内的CO₂浓度升高，这些CO₂恰好可以作为植物日间的光合作用原料，在日出1-2小时后，棚内的CO₂浓度比外界的浓度高，有利于促进植物的光合作用，不需要额外施加CO₂气肥。本发明控制系统在日出1-2小时后，再根据当前的日照强度等环境因素，考虑CO₂施肥。在阴雨天气，光合作用不强，不适合施加气肥。

具体的，在3-4月中旬，日出1小时后检测CO₂的浓度，4月下旬到5月，日出半小时后检测CO₂的浓度，在11月到2月，日出2小时检测CO₂浓度，因为冬季的温度相对较低，日照强度也偏低，光合速率较低，一般两小时后CO₂的浓度下降到较低水平。夏季温度较高，需要通风给大棚内降温，但是即使一直保持通风，大棚内部的CO₂浓度也要低于外界的5％-10％，夏季大棚CO₂的施肥浓度不宜过高，维持近于大气的CO₂浓度水平，具有显著的效果。很大程度上提高植物的净光合速率。将CO₂浓度增施到室外水平，即使大棚的换气速度很快，也不会有CO₂逸散到室外，此时，增施CO₂的利用效率约为1。

在大棚内设置TPS-2便携式光合作用测定仪测量CO₂的浓度，用光照强度传感器测量室内的光照强度，光照强度会对CO₂的补偿点和饱和点产生影响，通过多组实验对比，在8.5,27,61,129,265W·m^-2光强下，分别观察300到1000umol·mol^-1的CO₂浓度下的光合速率，发现8.5W·m^-2光强下，增加CO₂的浓度对光合速率提高不明显，27W·m^-2光强下，光合速率从5umol·m^-2·s^-1增加到10umol·m^-2·s^-1，增加较为明显，61,129,265W·m^-2光强下，光合速率更为明显，因此，本发明选用27W·m^-2作为参考值，在27W·m^-2光强以上，考虑给植物施加CO₂气肥。

不同的植物种类对CO₂的吸收效率也不同，C3植物对CO₂的吸收效率随CO₂的浓度、光强等因素的影响变动较大，但是C4植物在其他条件满足的情况下，330umol·mol^-1时，光合速率基本不再增加，而室外的CO₂浓度基本可以满足这一要求。

在实际的使用过程中，将设置CO₂的施放量比实际的饱和点低，因为CO₂的吸收还受到其他环境因子的影响，但是这是一个复杂的处于动态变化的过程，很难确定一个定值，因此，将CO₂的饱和点设置的比实际值低，可以保证CO₂浓度不会超过饱和点，避免过度的CO₂浓度，对植物生长不利，也浪费CO₂气源。

施放过CO₂气体后，大棚紧闭，植物进行光合作用，随着光合作用的进行，室内的CO₂浓度开始降低，CO₂浓度检测模块实时监测CO₂的浓度，当降到外界环境水平时，可以打开温室大棚，强制通风，使大棚内的气体换气。这时，可以关闭图2中的一侧风机，使气体向着一个方向流通。风机控制模块用于控制温室内的气体流通，设置好风机的开启时间间隔和每次的工作时间。

本发明提供的温湿度传感器使用解析法从多种激励因素中分离出相应的转换响应，设计了一种由弹性膜片和U型支座组成的温湿度传感器，弹性膜片和U型支座间形成一个干燥空气密封腔，在膜片外表的圆心和靠周边的合适位置各配置了一个半导体应变片。以此装置来接收空气中的多种激励信息，再经过二次变换和信号处理后，就可得到温度，相对湿度和大气压等数据信息。该装置没有传统湿敏元件的时滞长、不稳定性和难以维护保养的问题，在恶劣环境中能保持转换精度和长期稳定性，且便于维护。本发明的温湿度传感器只用应变电阻传感器以转换多种大气状态参数，相比于传统的温湿度传感器，实现了单一的敏感结构具有多种转换功能的设计方法。

所述温湿度传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片R_ε1和R_ε2安装在半径为r₀的圆形膜片上，半导体应变片受压电阻发生变化输出电阻响应，二次转换单元接收半导体检测单元的输出信号，将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，分离出温度、相对湿度和大气压数据。

所述半导体检测单元中，两个半导体应变片在气压激励下各自产生的电阻增量数值相同，正负相反，其中一个半导体应变片安装在圆心位置，另一个半导体应变片安装在半径0.89r₀的同心圆的位置上。所述二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。所述脉冲信号转换电路的脉宽转换公式为τ＝ln2·C·R，式中τ为输出脉宽，R是电路中的电阻，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。所述圆形膜片根据半导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63r₀的同心圆为界。所述信号处理单元中设有GPS单元和大气压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位传感器安装点的经纬度，查询安装点的大气压数值。所述信号处理单元中设有温度饱和水汽分压表，信号处理单元利用温度调用相应的饱和水汽分压值。所述温湿度传感器设置在圆柱形的U型支座1上，圆形膜片3设置在U型支座1的上表面，圆形膜片3选用黄铜膜片，U型支座1和黄铜膜片之间设有空气密封腔2，两个半导体应变片安装在黄铜膜片的表面。

所述信号处理单元利用大气中水蒸气分压力与敏感电阻之差，经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差成正比，大气环境温度与敏感元件的计数之和呈单值对应函数关系，计算出应变片所受差压值、水蒸气分压值和温度值。所述信号处理单元利用温度饱和水汽分压表，利用温度值调用相应的饱和水汽分压值，根据相对湿度的公式计算出相对湿度。

本发明的温湿度传感器检测模块的具体检测方法如下：步骤一、连接安装传感器电路；步骤二、调整两个半导体应变片的安装位置，使两个半导体应变片受气压激励作用产生的电阻增量相等，正负相反；步骤三、半导体应变片的电阻变化量输入到二次转换单元进行脉宽转换，输出脉宽信号；步骤四、信号处理单元接收二次转换单元输出的脉宽信号，利用道尔顿定律、应变片原理和解析法分析半导体应变片的变化量、温度和水蒸气分压数据，计算出待测点的相对湿度和大气压值。

所述信号处理单元利用大气中水蒸气分压力与敏感电阻半导体应变片之差，经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差成正比，大气环境温度与敏感电阻的计数之和的对数成反比关系，计算出应变片所受差压值ΔP、水蒸气分压P_W和温度值t。所述信号处理单元利用温度饱和水汽分压表，根据温度值调用相应的饱和水汽分压值，根据相对湿度的公式计算出相对湿度，式中为相对湿度，P_WS为大气压中在某一温度下的饱和水汽分压力。下文通过公式推导详述本发明的温湿度传感器检测温度、湿度以及气压值的过程。

一、大气状态参数

道尔顿定律指出，混合大气的总压力等于各组成气体的分压力之和，如公式(1)所示：

P_M＝P_d+P_W(Pa)(1)

式中P_M(Pa)为混合气体的总压力，P_d(Pa)为干燥大气的分压力，P_W(Pa)为空气中所含水蒸气分压力，其中P_W在P_M占最大份额，为5％左右，故P_M和P_d压力均比较接近标准大气压。

相对湿度(RH％)的公式为：

式中表示相对湿度，P_WS为大气压在某一温度下，饱和水汽分压力(Pa)，它随温度而变，可通过已知温度查表或由回归拟合曲线方程求得。由公式(1)可得，若通过仪表能测出差压P_M-P_d，即可计算出P_W，再以所测温度，在湿空气密度、水蒸气压力、含湿量对照表中找到P_WS，便可由公式(2)算出相对湿度(RH％)。

二、应变片及其转换特性

传感器中应变片的安装示意图如图3所示，传感器的结构示意图如图4所示，应变片的转换特性及应变分布如图5所示。温湿度传感器为圆柱状结构，外壳包括U型支座1和圆形膜片3，圆形膜片3覆盖在U型支座1上，二者之间形成一个空气密封腔3，两个半导体应变片安装在圆形膜片3上，通过测量半导体应变片的电阻变化计算出温湿度传感器安装环境中的温度、相对湿度和大气压数据。

混合大气压P_M均匀作用于弹性膜片的外表面，于是膜片两侧的差压为：

ΔP＝P_M–P_re＝P_W+P_d–P_re(Pa)(3)

式中P_re＝4·10⁴(Pa)为密封腔中设定的参照压力，标准大气压值为P_d＝101325(Pa)，从而可算出大气中水汽分压力P_W(Pa)。

在差压ΔP作用下，膜片表面上应力和应变的分布如下式所示：

径向应力：

径向应变：

式(4)和(5)中，本发明选用弹性较好的黄铜膜片，E(Pa)为膜片弹性模量，约为7*10¹⁰Pa，μ为泊松比，约为0.33，r₀为圆形膜片3的外半径40(mm)，h为圆形膜片3的膜片厚度0.1(mm)，b为U型支座1的厚度5(mm)，U型支座1的高度为10(mm)，ΔP为作用在膜片两侧的差压(Pa)，r(mm)为应变片位置的半径。

若将已知常数代入(4)式，可得圆心应力σ_r＝0＝8*10⁴*ΔP(Pa)(6)。

应变片的灵敏系数K_ε和转换特性如公式(7)所示：

$\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{\ϵ}}}{R_0}=K_{\mathrm{\ϵ}}*\mathrm{\ϵ}---\left(7\right)$

式中R₀为t＝0℃和ε_r＝0时应变片电阻(Ω)，K_ε约为125，ΔR_ε则为应变片在ε_r激励下电阻的变化量(Ω)，将(6)式代入(7)可得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{\ϵ}}}{R_0}={10}^7*\frac{\mathrm{\ΔP}}{E}---\left(8\right)$

若将E＝7*10¹⁰Pa代入式可知，应变片所能输出的相对电阻变化，在最大量程下也只有10^-2量级，故需在装置中加入二次变换和信号处理电路，以获取所需的灵敏度和分辨力。

三、二次变换和信号传送流程

工作原理结构框图如图6所示，温湿度传感器包括半导体检测单元、二次转换单元、信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片，半导体应变片受压电阻发生变化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导体检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的输出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号。

信号流程框图如图7所示，二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路由555定时器C1和C2组成，二次转换单元和信号处理单元还设有选通开关，选用C3开关，信号处理单元主要组成为C4单片机。图7中R_ε1和R_ε2在P_W和t激励下，各自产生不同的R₁和R₂响应，它们经两个相同的脉冲信号转换电路的C1、C2芯片555变换后，各自产生τ₁和τ₂(S)脉宽输出，该脉宽信号经C3开关选通后再送至C4单片机进行信号处理。脉冲信号转换电路如图8所示，电阻R连接在C定时器555的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。由于应变片的不同，两个脉冲电路中的电阻和输出脉宽可以用R₁和R₂、τ₁和τ₂表示。

脉宽转换公式：τ＝ln2·C·R(S)对应到两个脉冲信号转换电路即为：

τ₁＝ln2·C₀·R₁(S)(9)

τ₂＝ln2·C₀·R₂(S)(10)

式中τ₁和τ₂为两个半导体应变片对应的两路脉宽输出信号，R₁和R₂为半导体应变片的电阻变化值计量单位为Ω，C₀(F)为云母标准电容，约为0.72×10^-6F，上式表明脉宽输出与各自所接电阻R₁和R₂成正比。

四、在多因素输入时，合成响应的解耦处理

在τ₁和τ₂中隐含有水汽分压P_W和温度t两种信息，如何能让其在后续的数据处理中分离，需通过数据解耦技术来实现信息分离和复原。

R₁和R₂电阻变化公式为：

$R_1=R_0\·EXP\[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})\]+{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}1}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(11\right)$

$R_2=R_0\·EXP\[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})\]+{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}2}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(12\right)$

式中R₀＝1000Ω为基准电阻；B＝4850(K)为半导体应变片的阻温系数；T₀＝273(K)为参照温度；T(K)为输入温度；ΔR_ε1和ΔR_ε2分别为R₁和R₂在大气压力激励下各自产生的电阻增量。由以上两式可知，如能让ΔR_ε1和ΔR_ε2数值相同，但正负相反，即(11)和(12)式可变成：

$R_1=R_0\·EXP\[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})\]+{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(13\right)$

$R_2=R_0\·EXP\[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})\]-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(14\right)$

将以上两式相减或相加，就可分离出P_W和t两种输入信息，即相加时R1+R2＝f_t(T)，和相减时R1-R2＝f_ε(P_W)，即和与差的结果只与单一输入信息一一对应，ΔR_ε1＝-ΔR_ε2＝ΔR_ε。

参见图4，整个膜片外表面在差压ΔP作用下，以半径r＝0.63r₀为界，区分为正负两个应变区。靠圆心部分内圆为正ε区，而靠周边外圆部分则为负ε区，在此两个区域的合适位置上，可以找到ε数值相等但极性相反的两个点，其一在圆心处，r₁＝0，而另一点经(5)式计算为r₂＝0.89r₀处。在此两点上配置两片性能相同的半导体应变片，并让其中心与膜片上参照点重合，于是就实现了式(13)和(14)的定量关系。

将式(13)加式(14)得

上式中已消除了ε信息对(R₁+R₂)数量上的干扰，然而R₁和R₂分别联接到555芯片的充放电电路中，故已无法将R₁和R₂直接相加，此时就需经过数据运算处理来实现。若让脉宽τ₁和τ₂在单片机中对时钟频率f₀计数，则有计数值N₁和N₂为：

N₁＝τ₁·f₀(16)

N₂＝τ₂·f₀(17)

τ₁+τ₂＝(N₁+N₂)/f₀(S)(18)

联立以上公式，并经过整理可得：

$T=\frac{B}{ln\[\left(EXP\frac{B}{T_0}\right)*\left(\frac{N1+N2}{1000}\right)\]}=\frac{4850}{ln\[5.2*{10}^4*(N1+N2)\]}---\left(19\right)$

摄氏温度：t＝T-273(℃)(20)

式中各常系数是在R₀＝1000Ω，C₀＝7.2*10^-6F和f₀＝10MHZ条件下算出的。从R₁和R₂的二次转换信息中分离出应变和水蒸气分压P_W等信息，将(13)式减去(14)式，可得

R1-R2＝2ΔR_ε＝2R₀K_ε·ε(Ω)(21)

再利用τ₁-τ₂＝(N₁-N₂)/f₀和(5)、(9)、(10)式等联立，经整理可得，

ΔP＝10·(N₁-N₂)(Pa)(22)

公式(19)和(22)即为传感器的两种输入-输出特性方程，均有足够的灵敏度和分辨力。已知式中P_WS可通过温度t经查表或下述回归方程算出，

P_WS＝a·EXP(b·t)(Pa)(23)

式中a为6.16(Pa)，b为0.064(1/℃)为拟合常数，于是得

P_WS＝6.16·EXP(0.064·t)(Pa)(24)

大气压力不是一个定值，随着地区海拔高度的不同而存在差异，同时还随季节温度变化而稍有改变，对P_W计算可近似地用下式描述：

P_W＝ΔP+P_re-Bf(T)+h·8.76(Pa)(25)

式中h为当地海拔高度(m)，系数8.76(Pa/m)为大气压衰减斜率，f(T)为温度修正系数可经过实验测量数据的拟合曲线而加以估算。由于在沿海地区冬夏气压变化比为1.02，而在青海地区冬夏比仅为1.0026。均随温度下降而略有增加。故当不考虑温度微小影响，且在沿海地区时，式(25)可简化为：

P_W＝ΔP+(P_re-B)＝10(N₁-N₂)+(P_re-B)(Pa)(26)

本发明解析过程的理论基础之一是标准大气压为常数，实际的大气压随当地海拔高度而变，当装置使用地区海拔高度与参照高度差异较大时，公式(3)中P_d应通过软件予以校正，以维持水汽分压力的数据转换精度。所以本发明在信号处理单元中设有GPS单元和大气压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位传感器安装点的经纬度，查询安装点的大气压数值即传感器中的干燥空气腔内的分压力，结合信号处理单元计算出的大气中水蒸气分压力值，进而利用公式(1)：P_M＝P_d+P_W(Pa)计算出混合大气的压力值，即安装点的压力值。

至此，温度、相对湿度和大气压的数值都能计算求解出来，本发明提供的温湿度传感器具有结构简单、易于实施。本发明中经解析法得到：大气中水蒸气分压力与敏感电阻之差，即经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差，成正比，而大气环境温度则与敏感元件的计数之和的对数成反比关系。本发明解析过程的理论基础是物理大气压为常数，实际的大气压随当地海拔高度而变，当装置使用地区海拔高度与参照高度差异较大时，应通过软件予以校正，以维持水汽分压力的数据转换精度。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温室大棚的智能控制系统，其特征在于，包括处理器、按键采集模块、光照强度采集模块、阀门控制模块和温湿度传感器，所述处理器内置存储器和参数设置模块，存储器内保存各种植物在不同光照强度下的CO₂饱和点，温湿度传感器将采集到的数据输出给处理器，处理器读取按键采集模块输入的植物品种数据和光照强度采集模块检测到的光照强度，查找存储器中该种植物在某一光照强度下对应的CO₂饱和点，确认CO₂施放量，通过阀门控制模块实现CO₂的释放控制。

2.根据权利要求1所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述参数设置模块还包括光照强度采集模块每天采集光照强度的时间点设置，在3-4月中旬，日出1小时后检测光照强度，4月下旬到5月，日出半小时后检测，在11月到2月，日出2小时检测。

3.根据权利要求2所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述存储器中植物品种、光照强度和CO₂的对照表中，光照强度在27W·m^-2以上时，CO₂施放量大于0。

4.根据权利要求1所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括风机控制模块和风机(6)，所述风机(6)在大棚内部双向循环排列，其旋转方向为使大棚内部形成循环气流。

5.根据权利要求4所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述风机(6)高度距离地面10到20厘米，与地面形成10-20度仰角，风机(6)的旋转方向为使气流从低处向高处流动；所述风机(6)风速设在0.3～1.0m·s^-1范围内；所述风机(6)的换气速度为10h^-1，每6min风机(6)启停一次。

6.根据权利要求1所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述阀门一端与CO₂气源联通，另一端连接导气管，导气管直径为2cm，另一端封闭，所述导气管上每间隔1米设有一个直径为2mm的小孔。

7.根据权利要求4所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括CO₂浓度检测模块，CO₂浓度检测模块在施放CO₂气肥后，实时检测CO₂浓度变化，大棚内外的CO₂浓度一致后，给大棚强制通风，给大棚强制通风时，大棚内单侧的风机(6)工作，其旋转方向为使大棚内部形成单向流动气流。

8.根据权利要求1所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述CO₂的施放量比CO₂的饱和点低。

9.根据权利要求1所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述温湿度传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元包括两个半导体应变片R_ε1(4)和R_ε2(5)，半导体应变片R_ε1(4)和R_ε2(5)设在半径为r₀的圆形膜片(3)上，圆形膜片(3)设在U型支座(1)上，膜片(3)与U型支座(1)间形成一个干燥的空气密封腔(2)，两个半导体应变片受到膜片(3)内外两侧的压力差和温度激励作用下输出电阻响应，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元通过数据解耦分离出温度、内外压力差和相对湿度数据。

10.根据权利要求9所述的温室大棚的智能控制系统，其特征在于，所述的半导体应变片R_ε1(4)设置在圆心位置，R_ε2(5)设置在膜片(3)0.89r₀的圆上，两个半导体应变片在气压激励下各自产生的电阻增量数值相等，正负相反。