CN110989736B - 一种基于Niagara的模拟空间植物舱环境管理系统 - Google Patents

一种基于Niagara的模拟空间植物舱环境管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Niagara的模拟空间植物舱环境管理系统，包括二氧化碳控制模块、营养液输送模块、空气过滤模块、乙烯催化过滤模块和用户管理平台，其特征在于，二氧化碳控制模块：二氧化碳的供给靠气瓶、减压阀、流量计和电磁阀的组合完成，通过减压阀的减压作用，将气瓶中的高压气体降至常压，读取流量计的流量，通过对二氧化碳气瓶上电磁阀的定时长调节，实现向植物舱输送一定体积的二氧化碳；营养液输送模块：植物舱内营养液的供给通过设备舱内输送水泵和给水箱的组合工作来完成。

Description

一种基于Niagara的模拟空间植物舱环境管理系统
技术领域
本发明涉及密闭空间环境控制，属于航空航天环控系统与室内空气质量交叉领域。
背景技术
目前国际上空间技术发展迅猛，全球发射入轨运载火箭数目屡创新高，这些技术一方面能为我们提供更好的遥感，通讯，天文设施，同时也为世界提供了在空间中进行生物实验的环境。
至今为止有很多研究致力于在太空轨道上种植高等植物，并评估太空飞行环境对它们的影响。包括自由飞行实验[1]，短时间的载人任务(如航天飞机，神舟)[2]，以及在礼炮号、和平号和国际空间站(ISS)进行的长期的任务[3]。特别指出，自从植物生长实验被纳入苏联/俄罗斯的第一个空间站“礼炮1号”以来，它们一直是每个空间站计划的重要组成部分。早期的太空在轨生产系统在性质上是有探索性的，因为它们是用来进行航天环境对植物生长或技术发展的影响的有关基本研究的，这些影响与提供适当的太空在轨可控制环境有关。
在第一阶段，绿洲一号是第一个进行在轨飞行试验的植物生长系统，仅有荧光灯提供照明[4]，随后绿洲1M增加了水分和营养液输送系统，绿洲1A是在礼炮号空间站上的最后一个植物试验舱，它可以为植物根部提供更好的通风换气，并且允许植物移动以获得更好的照明、通风和气体交换[5]。接下来的Phyton植物生长系统首次集成了照明、营养输送以及来细菌过滤的通风系统。进入第二阶段，SVET植物舱包含0.1m2的生长区域，光照和通风机，空气补充系统，水分补充系统，能源供应和一个控制单元，并首次可以获得温度和湿度以及光照时间，压缩机状况等数据[6]，随后的改进版SVET-GEMS植物舱由环境监测系统和气体交换监测系统两个系统组成，能够监测CO2和H2O等含量，并且在后来的实验中发现了乙烯对植物生长的抑制作用，并增加了乙烯过滤。第二阶段以后，人们开始注重了太空植物舱的环境气体管理系统以及数据的采集分析。先进天体培养(ADVASC)实验是第一个在国际空间站上飞行的植物生长室。AD VASC能够自主地为微重力条件下的植物栽培提供稳定的环境条件，它包括植物生长室、光照控制模块、温湿度控制单元、营养液输送系统以及舱内环境控制模块。
Tridium作为Honeywell的物联网架构部门，一直致力于智能设备联网及企业级应用的开放式软硬件平台NiagaraFramework的研究和开发。Tridium的Niagara框架提供了一个全方位的强大的集成开发工具，可以满足不同层次、不同人员、不同行业方向的扩展开发，包括底层驱动库、算法模块、APP应用程序模块、UI交互体验等。现阶段物联网涉及的所有协议，如ZigBee、BACnet、Modbus等均可以无缝兼容。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Niagara平台的模拟空间植物舱环境管理系统，可以实时监控环境数据，并立即对数据进行处理和判断，每收到一个环境参数都会进行判断并发送指令给运行设备。整个系统可用于地面对照试验的参照实验，可以研究植物在地球轨道上的微重力环境中的生长状况和环境的关系。
技术方案如下：
一种基于Niagara的模拟空间植物舱环境管理系统，包括二氧化碳控制模块、营养液输送模块、空气过滤模块、乙烯催化过滤模块和用户管理平台，其特征在于，
二氧化碳控制模块：二氧化碳的供给靠气瓶、减压阀、流量计和电磁阀的组合完成，通过减压阀的减压作用，将气瓶中的高压气体降至常压，读取流量计的流量，通过对二氧化碳气瓶上电磁阀的定时长调节，实现向植物舱输送一定体积的二氧化碳，方法如下：预先计算出需要加入的二氧化碳气体体积，然后计算电磁阀通断时间，再对电磁阀进行定时长调节；当某一时刻CO2浓度传感器监测到舱内CO2浓度C1低于设定值-阈值，开启二氧化碳气气瓶电磁阀，控制开启时长为(设定值-当前浓度C1)*舱体积/流量，一直开启直到计算得到的时长结束，再进行下一次判断；
营养液输送模块：植物舱内营养液的供给通过设备舱内输送水泵和给水箱的组合工作来完成；预设土壤导电率的上限值和下限值，置于土壤内的土壤湿度传感器能够感知土壤的导电率并将信号反馈给控制设备，控制设备继而控制输送水泵的启停，来调节向培养基输送的营养液的量；当某一时刻土壤湿度传感器监测到土壤电导率R1低于设定下限值时，此时开启营养液供给水泵，水泵向培养皿加入营养液；若监测到土壤电导率R1高于设定上限值时，此时关闭营养液供给水泵；
气体过滤模块：包括乙烯光催化模块和颗粒物过滤模块，乙烯光催化模块通过对植物舱的排风进行净化，来实现植物舱内乙烯浓度的降低，当某一时刻植物舱内的乙烯浓度传感器监测到舱内乙烯浓度为H1,若舱内乙烯浓度H1高于设定值，则通过PID控制乙烯光催化模块开启；若舱内乙烯浓度H1低于设定值，则通过PID控制乙烯光催化模块关闭；在空调机组新风段和回风段安装空气净化器，对引入的新风和植物舱的排风进行过滤，来实现植物舱内的颗粒物浓度的控制。
所述的系统还包括光照控制模块：使用特定波长范围的LED灯为植物生长环境提供光源，能根据植物舱内照度的变化和植物的生长周期；LED光照的控制分为运行时间控制和发光强度的控制，通过PID控制实现光照的自动控制；运行时间通过设置LED光源工作间表来实现；发光强度的控制逻辑为，某一时刻植物舱内照度传感器监测到舱内照度为L1，若L1大于设定值，则通过PID控制增加LED灯的光照强度，若L1小于设定值，则通过PID控制减小LED灯的光照强度。
所述的系统还包括空气湿度控制模块：植物舱内的空气湿度传感器对环境湿度进行采集，通过调节风道中加湿器的启停和制冷段内蒸发器的温度来实现增加或降低送风湿度的要求；开启风道加湿器能够将供水雾化进入风道，增加送风湿度，制冷段降低蒸发器温度使空气中的水凝结排出，降低送风湿度；当某一时刻湿度传感器监测到舱内湿度RH1大于设定值+允许误差，则通过PID开启制冷段，直到舱内湿度低于设定值，关闭制冷段；若舱内湿度RH1小于设定值-允许误差，则开启加湿器加湿，直到舱内湿度RH1超过设定值，关闭加湿器。
所述的系统还包括空气温度控制模块：植物舱内的空气温度传感器对环境温度进行采集，对温度控制采用PID控制，使用PWM控制方式控制压缩机和空气加热器的功率来实现温度调控。
所述的系统还包括空气负压控制模块：通过负压风机对植物舱进行排风使植物舱维持一定的真空。
本发明能够提供实验要求所需的恒温恒湿环境，光环境，稳定的营养液供给和二氧化碳供给，以及真空，无菌，低乙烯环境，通过用户管理平台来对植物舱内环境参数和设备运行状态进行监测，并调控舱内各项指标，还可对历史数据进行查询和分析，整个系统可用于地面对照试验的参照实验，可用来研究植物在地球轨道上的微重力环境中的生长状况和环境的关系。
附图说明
图1植物舱环境控制系统原理图
图2舱内温度控制逻辑
图3舱内湿度控制原理
图4舱内二氧化碳浓度控制原理
图5照度控制原理
图6营养泵运行逻辑
图7光催化乙烯控制原理
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种模拟空间植物舱环境管理系统，该系统集成了空气温度控制模块、空气湿度控制模块、二氧化碳含量控制模块、光照控制模块、营养液输送模块、空气负压控制模块、空气过滤模块、乙烯催化过滤模块和用户管理平台，环境参数监测的部分位于植物舱内，环境参数的改变通过空调机组实现，参数的监测与改变通过控制器进行联系。
(1)空气温度控制模块：植物舱内的空气温度传感器对环境温度进行采集，对温度控制采用PID控制，使用PWM控制模块控制压缩机和空气加热器的功率来实现温度调控。当某一时刻温度传感器监测到舱内温度t1，若t1大于设定值+允许误差，则通过PID控制压缩机启动；若t1小于等于设定值+允许误差，则维持当前控制系统；若t1小于设定值-允许误差，则通过PID启动空气加热器启动；若t1在设定值±允许误差范围内，则维持当前温度控制系统情况。
(2)空气湿度控制模块：植物舱内的空气湿度传感器对环境湿度进行采集，通过调节风道中加湿器的启停和制冷段内蒸发器的温度来实现增加或降低送风湿度的要求。开启风道加湿器可以将供水雾化进入风道，增加送风湿度，制冷段降低蒸发器温度使空气中的水凝结排出，降低送风湿度。当某一时刻湿度传感器监测到舱内湿度RH1大于设定值+允许误差，则通过PID开启制冷段，直到舱内湿度低于设定值，关闭制冷段；若舱内湿度RH1小于设定值-允许误差，则开启加湿器加湿，直到舱内湿度RH1超过设定值，关闭加湿器。
(3)二氧化碳控制模块:二氧化碳的供给靠气瓶、减压阀、流量计和电磁阀的组合完成。通过减压阀的减压作用，将气瓶中的高压气体降至一个大气压的常压，读取流量计的流量，控制电磁阀的通断，从而实现二氧化碳的供给。通过对二氧化碳气瓶上电磁阀的定时长调节，实现向植物舱输送一定体积的二氧化碳，需要先计算出需要加入的二氧化碳气体体积，然后计算通断时间，再对电磁阀进行时长调节。用这种前馈控制的方式可以有效的降低电磁阀的开闭次数。当某一时刻CO2浓度传感器监测到舱内CO2浓度C1低于设定值-阈值，开启二氧化碳气气瓶电磁阀，控制开启时长为(设定值-当前浓度C1)*舱体积/流量，一直开启直到计算得到的时长结束，再进行下一次判断。
(3)光照控制模块：使用特定波长范围的LED灯为植物生长环境提供光源，能根据植物舱内照度的变化和植物的生长周期。LED光照的控制分为运行时间控制和发光强度的控制，通过PID控制实现光照的自动控制。运行时间通过设置LED光源工作间表来实现。发光强度的控制逻辑为，某一时刻植物舱内照度传感器监测到舱内照度为L1，若L1大于设定值，则通过PID控制增加LED灯的光照强度，若L1小于设定值，则通过PID控制减小LED灯的光照强度。
(4)空气负压控制模块通过负压风机对植物舱进行排风使植物舱维持一定的真空。当用户需要正常压力的时候，风机停止工作。当用户需要负压环境的时候，风机开始工作从植物舱向外排风。
(5)营养液输送模块：植物舱内营养液的供给通过设备舱内输送水泵和给水箱的组合工作来完成。人为设定土壤导电率的上下限值，置于土壤内的土壤湿度传感器能够时刻感知土壤的导电率并将信号反馈给控制设备，控制设备继而控制输送水泵的启停，来调节向培养基输送的营养液的量。当某一时刻土壤湿度传感器监测到土壤电导率R1低于设定下限值时，此时开启营养液供给水泵，水泵向培养皿加入营养液；若监测到土壤电导率R1高于设定上限值时，此时关闭营养液供给水泵；若监测到土壤导电率R1在设定的上下限值之内，则保持营养液供给水泵状态不变。
(6)气体过滤模块：气体过滤模块包括乙烯光催化模块和颗粒物过滤模块。乙烯光催化模块是对植物舱的排风进行净化，来实现植物舱内乙烯浓度的降低。当某一时刻植物舱内的乙烯浓度传感器监测到舱内乙烯浓度为H1,若舱内乙烯浓度H1高于设定值，则通过PID控制乙烯光催化模块开启；若舱内乙烯浓度H1低于设定值，则通过PID控制乙烯光催化模块关闭。在空调机组新风段和回风段安装空气净化器，对引入的新风和植物舱的排风进行过滤，来实现植物舱内的颗粒物浓度的控制。
(7)用户管理平台，其负责实现植物舱环境参照的监测和控制、设备运行状态的监测和历史数据的查询。

Claims (5)

1.一种基于Niagara的模拟空间植物舱环境管理系统，包括二氧化碳控制模块、营养液输送模块、气体过滤模块和用户管理平台，其特征在于，
二氧化碳控制模块：二氧化碳的供给靠气瓶、减压阀、流量计和电磁阀的组合完成，通过减压阀的减压作用，将气瓶中的高压气体降至常压，读取流量计的流量，通过对二氧化碳气瓶上电磁阀的定时长调节，实现向植物舱输送一定体积的二氧化碳，方法如下：预先计算出需要加入的二氧化碳气体体积，然后计算电磁阀通断时间，再对电磁阀进行定时长调节；当某一时刻CO2浓度传感器监测到舱内CO2浓度C1低于设定值-阈值，开启二氧化碳气瓶电磁阀，控制开启时长为（设定值-当前浓度C1）*舱体积/流量，一直开启直到计算得到的时长结束，再进行下一次判断；
营养液输送模块：植物舱内营养液的供给通过设备舱内输送水泵和给水箱的组合工作来完成；预设土壤导电率的上限值和下限值，置于土壤内的土壤湿度传感器能够感知土壤的导电率并将信号反馈给控制设备，控制设备继而控制输送水泵的启停，来调节向培养基输送的营养液的量；当某一时刻土壤湿度传感器监测到土壤电导率R1低于设定下限值时，此时开启营养液供给水泵，水泵向培养皿加入营养液；若监测到土壤电导率R1高于设定上限值时，此时关闭营养液供给水泵；
气体过滤模块：包括乙烯光催化部分和颗粒物过滤部分，乙烯光催化部分：通过对植物舱的排风进行净化，来实现植物舱内乙烯浓度的降低，当某一时刻植物舱内的乙烯浓度传感器监测到舱内乙烯浓度为H1,若舱内乙烯浓度H1高于设定值，则通过PID控制乙烯光催化模块开启；若舱内乙烯浓度H1低于设定值，则通过PID控制乙烯光催化模块关闭；颗粒物过滤部分：在空调机组新风段和回风段安装空气净化器，对引入的新风和植物舱的排风进行过滤，来实现植物舱内的颗粒物浓度的控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括光照控制模块：使用特定波长范围的LED灯为植物生长环境提供光源，能根据植物舱内照度的变化和植物的生长周期对LED灯的光照进行控制；LED光照的控制分为运行时间控制和发光强度的控制，通过PID控制实现光照的自动控制；运行时间通过设置LED光源工作时间表来实现；发光强度的控制逻辑为，某一时刻植物舱内照度传感器监测到舱内照度为L1，若L1大于设定值，则通过PID控制增加LED灯的光照强度，若L1小于设定值，则通过PID控制减小LED灯的光照强度。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括空气湿度控制模块：植物舱内的空气湿度传感器对环境湿度进行采集，通过调节风道中加湿器的启停和制冷段内蒸发器的温度来实现增加或降低送风湿度的要求；开启风道加湿器能够将供水雾化进入风道，增加送风湿度，制冷段降低蒸发器温度使空气中的水凝结排出，降低送风湿度；当某一时刻湿度传感器监测到舱内湿度RH1大于设定值+允许误差，则通过PID开启制冷段，直到舱内湿度低于设定值，关闭制冷段；若舱内湿度RH1小于设定值-允许误差，则开启加湿器加湿，直到舱内湿度RH1超过设定值，关闭加湿器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括空气温度控制模块：植物舱内的空气温度传感器对环境温度进行采集，对温度控制采用PID控制，使用PWM控制方式控制压缩机和空气加热器的功率来实现温度调控。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括空气负压控制模块：通过负压风机对植物舱进行排风使植物舱维持一定的真空。
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