CN107368111B - 一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法，主要针对解决植物工厂和密闭生态系统中氧气和二氧化碳气体不平衡的问题。利用植物工厂中不同植物对光周期需求的差异性，交错设置不同植物的光周期，统计各种植物光合速率和呼吸速率，通过线性规划的方法，即可自动交错设置植物工厂内各种植物的光周期，使内部氧气和二氧化碳浓度在最短的时间内恢复均衡；能够根据不同光周期及不同植物生长期下的氧气和二氧化碳释放量保障植物工厂内二氧化碳和氧气的自平衡是该专利的关键核心技术，也是一项实用而又没有外源物质输入的“绿色安全”和廉价成本的方式，是保障植物工厂内部安全性和可靠性的重要保证。

Description

一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化 碳浓度稳定的方法

技术领域

本发明涉及一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法，主要针对解决植物工厂和密闭生态系统中氧气和二氧化碳气体不平衡的问题。

背景技术

目前植物工厂中一般统一设置植物光周期，导致植物工厂中氧气和二氧化碳浓度经常处于较大的波动状态。例如在开灯时，植物工厂内部氧气浓度过高，二氧化碳浓度过低，会直接致使植物产量降低，并且植物工厂相对封闭，在高浓度氧气的环境下还会引起火灾等存在严重的安全隐患。已有的植物工厂利用燃烧植物秸秆或发酵过程产生二氧化碳用于补充植物工厂开灯时的二氧化碳，但是此方法会有一定量的有害气体产生，对植物正常生长造成不可逆伤害，而增加空气净化设施则大幅度提高成本；还有常见的方法是利用安装在植物工厂内部的多个二氧化碳传感器连通外部二氧化碳气瓶，在二氧化碳浓度较低的情况下将二氧化碳气体直接充入植物工厂内部，这种调节方法虽然无其他有害气体进入，但成本较高，且需要配套的软硬件设备、监控和操作系统等辅助完成，运行管理复杂，并且此方法也并不能解决氧气过高的问题。在关灯时，植物工厂内部氧气过低，二氧化碳浓度过高，低氧状态下植物体内活性物质活性和生长均受到抑制；虽然相对较高的二氧化碳的可以催进植物的光合作用，但关灯时植物光合作用也消失，不能达到促进植物生长的目的；因此，维持植物工厂内部氧气和二氧化碳浓度在标称水平是至关重要的。为了在植物工厂中同时控制二氧化碳和氧气的浓度，必须寻求一种能够通过植物自身生长规律来高效节能的调节内部氧气和二氧化碳气体浓度的方式，从而达到高效“绿色”节能降耗的效果。在植物工厂内，由于密闭性高，除生物外，并没有其他影响氧气和二氧化碳平衡的因素，因此氧气与二氧化碳的变化方向必定是相反的，即氧气浓度高于标称值时，二氧化碳浓度一定低于标称值，反之氧气浓度低于标称值时，二氧化碳浓度一定高于标称值。当通过调节植物工厂内的生物使二氧化碳恢复到标称值时，氧气也一定能恢复到标称值。因此，本专利只需考虑二氧化碳的失衡情况。

本专利利用植物工厂中不同植物对光周期需求的差异性，交错设置不同植物的光周期，统计各种植物光合速率和呼吸速率，通过线性规划的方法，即可自动交错设置植物工厂内各种植物的光周期，使内部氧气和二氧化碳浓度在最短的时间内恢复均衡；能够根据不同光周期及不同植物生长期下的氧气和二氧化碳释放量保障植物工厂内二氧化碳和氧气的自平衡是该专利的关键核心技术，也是一项实用而又没有外源物质输入的“绿色安全”和廉价的方式，是保障植物工厂内部安全性和可靠性的重要保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法，主要解决植物工厂和密闭生态系统中氧气和二氧化碳气体不平衡的问题。

为实现这样的目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法，主要解决植物工厂和密闭生态系统中氧气和二氧化碳气体不平衡的问题，具体实施步骤如下：

步骤1：确定植物工厂内各种植物的光周期、种植面积、植物单位表面积、光合速率、呼吸速率等基本参数

利用光合作用测定仪测定不同光周期下各种植物的光合速率A_i和呼吸速率R_i；利用叶面积仪测量不同植物不同时期的平均单位表面积S_i；各植物光周期和种植面积可根据实际情况需要而定；通过气体平衡计算公式，建立不同植物在不同光周期与各种植物光合速率和呼吸速率之间精确数学方程；

步骤2：通过交错设置各个植物光周期调控二氧化碳和氧气气体平衡

当装置运行到某一时刻，由于某种内部变化或外部扰动使气体偏离了标称水平，通过二氧化碳传感器实时在线测量得到当前的二氧化碳浓度d，若二氧化碳的标称浓度为d₀，那么：

(1)当d>d₀时，假设△d＝d–d₀，植物工厂内部的体积为V，那么△d·V即为整个舱内净多出的二氧化碳量；由于已知各植物的光合速率是A_i(i＝1,2,3,……，n)，如果需要最快地吸收掉这些二氧化碳，那么每种植物需要分担的额外光照时间(t_i,i＝1,2,3,……，n)，计算如下：

目标函数：min T＝t₁+t₂+t₃+……+t_n

约束条约:A₁·t₁+A₂·t₂+A₃·t₃+……+A_n·t_n＝△d·V

(2)当d<d₀时，△d＝d–d₀<0，那么△d·V为整个舱内净缺少的二氧化碳量；由于已知各植物的暗呼吸速率是R_i(i＝1,2,3,……，n)，如果需要最快地补偿这些二氧化碳的缺失，那么每种植物需要分担的额外黑暗时间(t_i,i＝1,2,3,……，n)，计算如下：

目标函数：mi_n T＝t₁+t₂+t₃+……+t_n

约束条约:R₁·t₁+R₂·t₂+R₃·t₃+……+R_n·t_n＝△d·V

0<t_i<8(产量约束)

步骤3：基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的控制系统设计

进行基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的自动控制系统设计，闭环控制器主要实现的是非负线性最小二乘算法，对步骤2中具有约束条件的线性规划目标函数进行求解，以得到各种植物所分担的额外光照与黑暗时间；利用控制器快速原型设计技术，将该闭环控制器模型编译为C代码，嵌入到单片机中，使之成为实际的物理控制器。

附图说明

图1为本发明通过调节部分植物光周期调控密闭人工生态系统中气体平衡的方法流程图；

具体实施方式

以下以植物工厂内部种植植物包括小麦、番茄和豆角为调控对象对本发明的技术方案作进一步的描述。

1.确定植物光周期、种植面积、植物单位表面积、光合速率、呼吸速率

在植物工厂内，按照分块或间隔进行小麦、番茄和豆角三种作物的栽培实验，根据不同植物的生长时期，实时测量这三种植物的叶片表面积(S1、S2、S3)、光合速率(A1、A2、A3)、暗呼吸速率(R1、R2、R3)，根据实验数据确定这三种植物为可调节光周期：光照时间(T1)8-20h，黑暗时间(T2)4-16h，且T1+T2＝24；通过双因素方差分析法，确定光周期和植物生长期对光合速率与暗呼吸速率的影响，根据检验结果决定线性规划中所采用的光合速率与呼吸速率值。

2.基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的控制系统设计

将植物工厂与控制器反馈联接，构成植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的闭环控制系统。植物工厂内二氧化碳浓度通过传感器反馈输入到控制器中，控制器根据存贮的基础数据和本构关系，建立目标函数与约束条件，并通过非负线性最小二乘法对该线性规划进行求解，得到各种植物所需要分担的额外光照或黑暗时间。

3.通过交错设置调节各个植物光周期调控二氧化碳和氧气气体平衡

得到各种植物所需要分担的额外光照或黑暗时间后，通过光源执行器调节各种植物的光周期制度，从而影响植物工厂内二氧化碳和氧气的产量，以达到自动调控植物工厂中二氧化碳和氧气平衡的目的；当气体恢复平衡后，立刻执行预先设定的各植物正常光周期制度。

Claims (4)

1.一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中O₂和CO₂浓度稳定的方法，该方法利用植物工厂中各种植物对光周期需求的差异性，交错设置各种植物的光周期时间，统计各种植物光合速率和呼吸速率，通过线性规划的方法，即可自动交错设置植物工厂内各种植物的光周期，使内部O₂和CO₂浓度在最短的时间内恢复均衡，包括如下步骤：

步骤1：确定植物工厂内各种植物的光周期、种植面积、植物单位表面积、光合速率、呼吸速率等基本参数；

利用光合作用测定仪测定不同光周期下各种植物的光合速率A_i和呼吸速率R_i；利用叶面积仪测量各种植物不同时期的平均单位表面积S_i；各种植物光周期和种植面积可根据实际情况需要而定；通过气体平衡计算公式，建立各种植物在不同光周期与各种植物光合速率和呼吸速率之间精确数学方程；

步骤2：通过交错设置各个植物光周期调控CO₂和O₂气体平衡；

当植物工厂运行到某一时刻，由于某种内部变化或外部扰动使气体偏离了标称水平，通过CO₂传感器实时在线测量得到当前的CO₂浓度d，若CO₂的标称浓度为d₀，那么：

(1)当d>d₀时，假设△d＝d–d₀>0，植物工厂内部的体积为V，那么△d·V即为整个植物工厂内净多出的CO₂量；由于已知各种植物的光合速率是A_i，其中i＝1,2,3,……，n，如果需要最快地吸收掉这些CO₂，那么每种植物需要分担的额外光照时间为t_i,其中i＝1,2,3,……，n，计算如下：

目标函数：min T＝t₁+t₂+t₃+……+t_n

约束条约:A₁·t₁+A₂·t₂+A₃·t₃+……+A_n·t_n＝△d·V

(2)当d<d₀时，△d＝d–d₀<0，那么△d·V为整个植物工厂内净缺少的CO₂量；由于呼吸速率是R_i，其中i＝1,2,3,……，n，如果需要最快地补偿这些CO₂的缺失，那么每种植物需要分担的额外黑暗时间为t'_i,其中i＝1,2,3,……，n，计算如下：

目标函数：min T＝t'₁ + t'₂ + t'₃ + …… + t'_n约束条约: R₁·t'₁ + R₂·t'₂ +R₃·t'₃ + …… + R_n·t'_n = △d·V

其中，0<t_i<8小时，0 < t'_i < 8小时；

步骤3：基于植物光周期交错设置维持植物工厂中O₂和CO₂浓度稳定的控制系统设计；

进行基于植物光周期交错设置维持植物工厂中O₂和CO₂浓度稳定的自动控制系统设计，闭环控制器主要实现的是非负线性最小二乘算法，对步骤2中具有约束条件的线性规划目标函数进行求解，以得到各种植物所分担的额外光照与黑暗时间；利用控制器快速原型设计技术，将该闭环控制器模型编译为C代码，嵌入到单片机中，使之成为实际的物理控制器。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：对于步骤1，建立各种植物在不同光周期与各种植物光合速率和呼吸速率之间精确数学方程，通过双因素方差分析法，确定光周期和植物生长期对光合速率与呼吸速率的影响，根据检验结果决定线性规划中所采用的光合速率与呼吸速率值。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于：对于步骤2，将植物工厂与控制器反馈联接，构成植物工厂中O₂和CO₂浓度稳定的闭环控制系统；植物工厂内CO₂浓度通过传感器反馈输入到控制器中，控制器根据存贮的基础数据和本构关系，建立目标函数与约束条件，并通过非负线性最小二乘法对该线性规划进行求解，得到各种植物所需要分担的额外光照或黑暗时间。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于：对于步骤3，得到各种植物所需要分担的额外光照或黑暗时间后，通过光源执行器调节各种植物的光周期制度，从而影响植物工厂内CO₂和O₂的产量，以达到自动调控植物工厂中CO₂和O₂平衡的目的；当气体恢复平衡后，立刻执行预先设定的各种植物正常光周期制度。

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