CN106105813A - 一种基于can总线的人工模拟植物光合作用系统 - Google Patents

一种基于can总线的人工模拟植物光合作用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，包括CAN总线、控制模块、两个光照模块、一个CO2供给模块、一个通风模块；控制模块包括：处理器和通信装置；光照模块包括：光照通信装置、光照控制装置、光照监测装置和光照装置；CO2供给模块包括：供给通信装置、供给控制装置、供给监测装置和供给装置；通风模块包括：通风通信装置、通风控制装置、通风监测装置和通风装置，解决了人工模拟植物光合作用环境的问题。本发明的优点在于：为植物提供最适宜生长环境；人工成本低；系统稳定可靠；可多设备组网。

Description

一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统
技术领域
本发明涉及一种人造植物光合系统，具体涉及一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统。
背景技术
农业为通过培育动植物生产食品及工业原料的产业。农业属于第一产业，研究农业的科学是农学。农业的劳动对象是有生命的动植物，获得的产品是动植物本身．我们把利用动物植物等生物的生长发育规律，通过人工培育来获得产品的各部门，统称为农业．农业是支撑国民经济建设与发展的基础产品。农业是人们利用动植物体的生活机能，把自然界的物质和能转化为人类需要的产品的生产部门。现阶段的农业分为植物栽培和动物饲养两大类。土地是农业中不可替代的在基本生产资料，劳动对象主要是有生命的动植物，生产时间与劳动时间不一致，受自然条件影响大，有明显的区域性和季节性。农业是人类衣食之源、生存之本，是一切生产的首要条件。它为国民经济其他部门提供粮食、副食品、工业原料、资金和出口物资。农村又是工业品的最大市场和劳动力的来源。21世纪是农业发展的重要阶段，生命科学和其它最新科学技术相结合，将使世界农业发生根本性的变化。随着分子生物学的发展，生物基因库的建成，遗传工程的崛起，克隆技术和生物固氮技术的广泛应用，农业的面貌将为之一新。工业化农业的发展，以投入大量物质和能量为标志，促进了生产力的大幅度提高，但也带来了能源枯竭、环境污染和生态失调等严重的社会问题。来出现的新科学技术革命中，产生了一批新的技术群，如生物工程技术、新能源技术、微电子技术、原子能技术、空间技术和海洋技术等等。这些科学技术成果正不同程度地在农业中得到应用，为解决工业化农业带来的环境、能源和生态问题，呈现了光明的前景。在发展中国家，还有8亿以上人口未达到粮食安全线，还有1.8亿的学龄前儿童营养失调，数以亿计的人们正遭受饥饿和营养不良的折磨。在落后的农业生态区，自然资源迅速恶化、人口飞速增长、贫困加剧和食品短缺的主要原因，就是缺乏农业高科技。由于“绿色革命”的巨大成功，国际农业发展研究中心已认识到通过适当调整自然资源来促进农业可持续发展的重要性和紧迫性。在当今和未来的研究中，人们将更注重自然资源的调整、种质的保护和品质的提高。
植物的生长主要是依赖光合作用，传统的粗放式农林业生产对生产环境的投入较少，一般是靠植物自己进行光合作用，影响农业品产量增长的主要因素是环境因素，外界环境的变化很容易就影响到当季植物的生长，如果日照不够或者CO2供给不足，植物很有可能停止生长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是传统的粗放式农林业生产对生产环境的投入较少，一般是靠植物自己进行光合作用，目的在于提供一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，解决影响农业品产量增长的主要因素是环境因素，外界环境的变化很容易就影响到当季植物的生长，如果日照不够或者CO2供给不足，植物很有可能停止生长的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，包括CAN总线、控制模块、至少一个光照模块、至少一个CO2供给模块、至少一个通风模块；
控制模块：从CAN总线上读取光照模块、CO2供给模块、通风模块发送的光照信息、CO2浓度信息、空气流动信息，处理后将控制信号通过CAN总线发送给光照模块、CO2供给模块、通风模块；
光照模块：采集工厂内的光照信息，并通过CAN总线发送给控制模块，从CAN总线上读取控制模块发送的控制信息进行补光；
CO2供给模块：采集工厂内的CO2浓度信息，并通过CAN总线发送给控制模块，从CAN总线上读取控制模块发送的控制信息进行CO2浓度调整；
通风模块：采集工厂内的空气流动信息，并通过CAN总线发送给控制模块，从CAN总线上读取控制模块发送的控制信息进行空气流动调整。由于采用CAN总线的现场总线方式进行通信，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，同时，CAN总线支持最多127个节点接入，各节点之间数据通信实时性强。
所述控制模块包括：处理器和通信装置；
处理器：接收通信装置发送的现场信息，处理为控制信号后发送到通信装置；
通信装置：接收光照通信装置、供给通信装置、通风通信装置发送到CAN总线上的光照信息、CO2浓度信息、空气流动信息，发送给处理器；接收处理器发送的控制信号，并将其通过CAN总线发送给光照通信装置、供给通信装置、通风通信装置。
所述光照模块包括：光照通信装置、光照控制装置、光照监测装置和光照装置；
光照监测装置：采集工厂内的光照信息，并发送给光照通信装置；
光照通信装置：接收光照监测装置发送的光照信息，将其通过CAN总线发送通信装置；从CAN总线上接收通信装置发送的控制信号，并将其发送给光照控制装置；
光照控制装置：接收光照通信装置发送的控制信号，处理成驱动信号后发送给光照装置；
光照装置：接收光照控制装置的驱动信号，进行补光。
所述CO2供给模块包括：供给通信装置、供给控制装置、供给监测装置和供给装置；
供给监测装置：采集工厂内的CO2浓度信息，并发送给供给通信装置；
供给通信装置：接收供给监测装置发送的CO2浓度信息，将其通过CAN总线发送通信装置；从CAN总线上接收通信装置发送的控制信号，并将其发送给供给控制装置；
供给控制装置：接收供给通信装置发送的控制信号，处理成驱动信号后发送给光照装置；
供给装置：接收供给控制装置的驱动信号，补充CO2。
所述通风模块包括：通风通信装置、通风控制装置、通风监测装置和通风装置；
通风监测装置：采集工厂内的空气流动信息，并发送给通风通信装置；
通风通信装置：接收通风监测装置发送的空气流动信息，将其通过CAN总线发送通信装置；从CAN总线上接收通信装置发送的控制信号，并将其发送给通风控制装置；
通风控制装置：接收通风通信装置发送的控制信号，处理成驱动信号后发送给通风装置；
通风装置：接收光照控制装置的驱动信号，驱动风扇。这个系统是植物工厂的光合作用核心，一切光合作用所需的成分监测与控制都得通过该系统进行自动控制。比如当供给监测装置检测到CO2浓度发送给处理器，处理器判断CO2浓度低于限定值时，处理器就会发出供给指令，供给控制装置收到供给指令后开启供给装置进行CO2供给，另外通风的控制也是一样，都是通过系统的闭环PID控制来实现环境各种因子的相对稳定性，而由于不同植物吸收的光谱不同，光照控制可采用开环控制，还可以根据季节变化等因素引入滞后-超前控制，没有这系统，植物工厂就根本无法进行光合作用，也就无法实现人工环境的最佳模拟。
处理器采用DCS工控机，光照控制装置、供给控制装置、通风控制装置采用PLC。DCS以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统，能够与各种工业设备较好的兼容，计算能力强，能快速高效的完成控制；PLC成本较低，工作稳定，能满足简单的现场控制。
光照监测装置采用高清摄像头、供给监测装置采用催化CO2传感器、通风监测装置采用红外气体传感器。所选监测装置精度较高，成本较低，适用于不太恶劣的环境，满足工厂需求。
光照装置采用LED补光灯、供给装置采用CO2进气管道、通风装置采用风扇。所用执行机构均结构简单工作稳定，控制方便，利于生产的稳定性。
所述LED补光灯为红色LED和蓝色LED，红蓝灯珠数量比例为5-10：1。根据科学家对光照的多年研究表明，植物的光合作用单元叶绿素对于特定波段的光源有嗜好性，如红光、蓝光、远红光，除了这些光外，其它光质的光照利用率转换率并不高，为了使植物工厂内的植物有更高的光合作用效率，一般选择红蓝光为主的人工补光系统，通常不同光质的科学搭配比例为R：B为10-5：1，这样的光对于植物的栽培是最合适的
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，具有完善的光合作用系统，使植物能生长在最适宜的条件下。
2、一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，CAN总线的现场总线方式通信，组网简单，各节点之间数据通信实时性强，开发周期短，具有完善的国际标准。
3、一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，具有完善的控制系统，节约人工。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，控制500平米的玻璃温室，用于种植玫瑰花和菠萝蜜。包括CAN总线、控制模块、两个光照模块、一个CO2供给模块、一个通风模块；控制模块包括：处理器和通信装置；光照模块包括：光照通信装置、光照控制装置、光照监测装置和光照装置；CO2供给模块包括：供给通信装置、供给控制装置、供给监测装置和供给装置；通风模块包括：通风通信装置、通风控制装置、通风监测装置和通风装置；处理器采用DCS工控机；光照控制装置、供给控制装置和通风控制装置采用S7-300控制器；通信装置、光照通信装置、供给通信装置和通风通信装置采用CAN总线控制器；光照监测装置、供给监测装置和通风监测装置采用具有RS485接口的1080p摄像头、催化CO2传感器、红外气体传感器；玫瑰区照明装置采用红蓝比5:1的LED灯珠，菠萝蜜区采用红蓝比8:1的LED灯珠；CO2进气管能以1m3/min的流速输入CO2，通风装置为垂直安装在种植植物上方的共10kw的风扇组，如果当CO2浓度下降低于1000PPM时，工控机又会发出供给指令驱动供给设备和风扇；CO2浓度，空气流速皆采用闭环PID控制，光照为开环控制。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，包括CAN总线、控制模块、至少一个光照模块、至少一个CO2供给模块、至少一个通风模块；
控制模块：从CAN总线上读取光照模块、CO2供给模块、通风模块发送的光照信息、CO2浓度信息、空气流动信息，处理后将控制信号通过CAN总线发送给光照模块、CO2供给模块、通风模块；
光照模块：采集工厂内的光照信息，并通过CAN总线发送给控制模块，从CAN总线上读取控制模块发送的控制信息进行补光；
CO2供给模块：采集工厂内的CO2浓度信息，并通过CAN总线发送给控制模块，从CAN总线上读取控制模块发送的控制信息进行CO2浓度调整；
通风模块：采集工厂内的空气流动信息，并通过CAN总线发送给控制模块，从CAN总线上读取控制模块发送的控制信息进行空气流动调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，所述控制模块包括：处理器和通信装置；
处理器：接收通信装置发送的现场信息，处理为控制信号后发送到通信装置；
通信装置：接收光照通信装置、供给通信装置、通风通信装置发送到CAN总线上的光照信息、CO2浓度信息、空气流动信息，发送给处理器；接收处理器发送的控制信号，并将其通过CAN总线发送给光照通信装置、供给通信装置、通风通信装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，所述光照模块包括：光照通信装置、光照控制装置、光照监测装置和光照装置；
光照监测装置：采集工厂内的光照信息，并发送给光照通信装置；
光照通信装置：接收光照监测装置发送的光照信息，将其通过CAN总线发送通信装置；从CAN总线上接收通信装置发送的控制信号，并将其发送给光照控制装置；
光照控制装置：接收光照通信装置发送的控制信号，处理成驱动信号后发送给光照装置；
光照装置：接收光照控制装置的驱动信号，进行补光。
4.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，所述CO2供给模块包括：供给通信装置、供给控制装置、供给监测装置和供给装置；
供给监测装置：采集工厂内的CO2浓度信息，并发送给供给通信装置；
供给通信装置：接收供给监测装置发送的CO2浓度信息，将其通过CAN总线发送通信装置；从CAN总线上接收通信装置发送的控制信号，并将其发送给供给控制装置；
供给控制装置：接收供给通信装置发送的控制信号，处理成驱动信号后发送给光照装置；
供给装置：接收供给控制装置的驱动信号，补充CO2。
5.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，所述通风模块包括：通风通信装置、通风控制装置、通风监测装置和通风装置；
通风监测装置：采集工厂内的空气流动信息，并发送给通风通信装置；
通风通信装置：接收通风监测装置发送的空气流动信息，将其通过CAN总线发送通信装置；从CAN总线上接收通信装置发送的控制信号，并将其发送给通风控制装置；
通风控制装置：接收通风通信装置发送的控制信号，处理成驱动信号后发送给通风装置；
通风装置：接收光照控制装置的驱动信号，驱动风扇。
6.根据权利要求1至5中任意一条所述的一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，处理器采用DCS工控机，光照控制装置、供给控制装置、通风控制装置采用PLC。
7.根据权利要求6所述的一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，光照监测装置采用高清摄像头、供给监测装置采用催化CO2传感器、通风监测装置采用红外气体传感器。
8.根据权利要求6所述的一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，光照装置采用LED补光灯、供给装置采用CO2进气管道、通风装置采用风扇。
9.根据权利要求8所述的一种基于CAN总线的人工模拟植物光合作用系统，其特征在于，所述LED补光灯为红色LED和蓝色LED，红蓝灯珠数量比例为5-10：1。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108289205A (zh) * 2018-02-09 2018-07-17 唐堂 一种模拟光合作用中的数据信息采集系统
WO2020073635A1 (zh) * 2018-10-08 2020-04-16 中国农业大学 一种基于日累积光照量的植物补光控制方法与系统
WO2022142469A1 (zh) * 2020-12-29 2022-07-07 湖南明康中锦医疗科技发展有限公司 一种泄压阀、呼吸支持设备气路及呼吸支持设备

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