CN111373960A - 一种控制二氧化碳释放量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种控制二氧化碳释放量的方法和装置，包括二氧化碳供应装置，热成像仪，内部环境综合感应器，外部环境综合感应器；该装置整体安装于种植有植物的农业设施中，其中热成像仪、内部环境综合感应器设于农业设施的内部侧壁或支架上，外部环境综合感应器设于农业设施的外部一侧，二氧化碳供应装置设于农业设施的外部另一侧，并通过送风管道连接至农业设施内部。本发明依据植物的叶脉梗梗部分与叶片部分之间的温度差，考虑到植物的光合作用的外部环境温度，通过温度差的方法确定了植物的光合作用状态，将适量的二氧化碳通过送风系统供应到植物。

Description

一种控制二氧化碳释放量的方法和装置

技术领域

本发明涉及的是一种控制二氧化碳释放量的方法和装置，尤其是一种根据植物的光合作用的状态控制最佳的二氧化碳供给量的方法和装置，属于植物生长控制设备技术领域。

背景技术

二氧化碳作为植物光合作用的底物，光合作用的速度受二氧化碳浓度的影响。光合作用所需的二氧化碳不足时，光合作用的速度会减慢。在农产品作物生产过程中，将二氧化碳施用于植物以保持合适的二氧化碳浓度，可以提升植物光合作用的速度，促进生长，从而实现产量增加和质量的提高。

现有的二氧化碳施肥技术，往往应用于塑料大棚中，通过检测大棚中的二氧化碳浓度、温度、光照强度等数值来对应调节二氧化碳气体的输入量，但仅仅简单地通入二氧化碳气体，植物叶片的吸收率很低，往往需要大量输入二氧化碳；并且植物光合作用强度更进一步地，与植物叶片的状态有关，仅仅根据大棚内整体环境的二氧化碳浓度来施放二氧化碳，会造成二氧化碳的大量浪费，还会对植物生长起反效果。

现有技术中已知有能够向植物的叶子提供含有喷雾二氧化碳微气泡水的供水方法，通过将二氧化碳和水引入微气泡发生器中以产生含二氧化碳微泡的水，并且将该含二氧化碳微泡的水供应至喷雾管，以细水滴的形式直接排放至植物的局部区域，这种含有二氧化碳微气泡水的供给装置利用热像仪等测定叶温，在叶温超过规定值时喷雾含有二氧化碳微气泡的水。由此，含有二氧化碳微气泡水的供给装置在植物受到大量光照的时候供给大量的二氧化碳，来达到促进光合作用的目的。但是，植物受到光照，叶温高的情况下，会因体内水分供应不足造成叶面脱水状态，此时植物为了保持水分而封闭气孔，不从气孔中吸收二氧化碳，光合作用的速度显著降低。因此，需要一种当叶面处于脱水状态，不能有效进行光合作用之前，可以迅速调节控制最佳二氧化碳供应量的二氧化碳装置。

气孔是植物与外部进行交换呼吸和蒸腾的通道，在叶背面的表皮中存在许多气孔。气孔是两个细胞(孔边细胞)与唇型对称的结构，通过改变孔边细胞的形状，调节气孔的大小。植物的光合作用所需的二氧化碳主要通过气孔吸收，所产生的氧气也从气孔排出，同时，通过蒸腾而向空气中放出水蒸气也通过气孔进行。调节气孔的打开和关闭的关键要素之一是水，具体而言，植物在叶面脱水状态的情况下，通过关闭气孔来抑制蒸腾，延缓体内的水分减少，而叶面脱水状态是在水分不足时植物的反应，通常在土壤干燥或湿度低于适当湿度的情况下产生。

假设叶片已充分接收到植物光合作用所需的光，对叶面没有脱水状态和有脱水状态的情况下的叶片的温度情况如图4所示：在没有叶面脱水状态的情况下，由热像仪拍摄的叶子的温度分布表明颜色越深，温度越高，由于叶片部分中的气孔开放并且进行蒸腾，叶片部分的温度低于叶脉梗部分的温度；在存在叶面脱水状态的情况下，由热像仪拍摄的叶子的温度分布也表示颜色越深，温度越高，在叶面脱水状态时，由于叶片气孔闭合并抑制蒸腾，叶脉梗部分的温度和叶片部分的温度都升高，并且温差减小。

气温和叶温的温度差与光合成速度的关系如图5所示，对于植物没有叶面脱水状态和有叶面脱水状态的情况，可以比较叶脉梗部和叶片部分的温度：在没有叶面脱水状态的情况下，叶片的叶脉梗部分的温度比气温高，叶片部分的温度比气温稍高，叶片在存在叶面脱水状态的情况下，叶脉梗部分和叶片部分的温度一起上升，温度差减小。这是因为，在有叶面脱水状态的情况下，为了保持水分而封闭气孔，蒸腾引起的潜热传递量减少，叶面脱水状态的有无，可以从叶脉梗部分与叶片部分的温度差来反映。因此，可采用热成像仪监测植物叶面的温差变化，以判断植物是否处于正常光合作用过程中，从而使二氧化碳的排放控制精细化。

发明内容

本发明的目的在于解决现有植物大棚二氧化碳供应技术成本高、效率低，不能根据植物叶片状态实时调控的问题，提出一种根据植物的光合作用的状态控制二氧化碳释放量的方法和装置，根据植物的叶脉梗部分和叶片部分的温度差和时刻，判定植物株的光合作用状态，根据农业设施内的温度和植物叶温的温度差，判定植物的光合作用速度，以判定植物的光合速率为指标，根据植物的光合作用状态，来控制农业设施内的二氧化碳的供给量。

本发明的技术解决方案：一种控制二氧化碳释放量的装置，其特征是包括二氧化碳供应装置，热成像仪，内部环境综合感应器，外部环境综合感应器；该装置整体安装于种植有植物的农业设施中，其中热成像仪、内部环境综合感应器设于农业设施的内部侧壁支架上，外部环境综合感应器设于农业设施的外部一侧，二氧化碳供应装置设于农业设施的外部另一侧，并通过送风管道连接至农业设施内部；热成像仪通过缆线连接内部环境综合感应器和外部环境综合感应器，内部环境综合感应器和外部环境综合感应器通过缆线连接二氧化碳供应装置。

优选的，所述的二氧化碳供应装置整体安装于农业设施的外部，并通过若干根送风管道连接至农业设施内部，每根管道上均设有气阀；其结构包括二氧化碳送风系统，二氧化碳智能控制装置，二氧化碳发生器，其中二氧化碳发生器通过管道连接二氧化碳送风系统，二氧化碳智能控制装置通过缆线分别连接二氧化碳发生器和二氧化碳送风系统，控制其运行。

优选的，所述的二氧化碳发生器采用加装电磁阀的二氧化碳气瓶，或者采用用强酸和强碱反应生成二氧化碳的装置。

优选的，所述的二氧化碳智能控制装置内设有通过总线连接的智能计算电子元器件，或者单芯片LSI等，用于存储控制的各种程序和数据；二氧化碳智能控制装置还通过缆线内部环境综合感应器、外部环境综合感应器和热成像仪，分别控制其运行，同时接受感应器和热成像仪传输的数据并进行分析；二氧化碳智能控制装置的内部设有时钟，与外部时间同步，从而根据白昼与夜晚时间判断植物光合作用时间范围。

优选的，所述的二氧化碳送风系统内部设有送风机，可将二氧化碳持续送入农业设施内部，并根据二氧化碳智能控制装置的指令调节送风力度。

优选的，所述的热成像仪的底部设有伺服机械装置，使热成像仪任意移动改变拍摄位置、角度，以便利于热像仪的自由移动计测。

优选的，所述的内部环境综合感应器和外部环境综合感应器，均包括空气温度传感器、光敏传感器、介质温度传感器和二氧化碳浓度传感器，负责将上述传感器接收到的温度、光照强度、浓度等数据传输至二氧化碳智能控制装置。

其控制方法包括如下步骤：

1）二氧化碳智能控制装置首先判定是否处于可光合作用的时间，若是，则指挥热成像仪监测农业设施内植物叶片的温度，进入下一步骤；若不是，则减少或停止二氧化碳供应；

2）热成像仪拍摄植物叶面的热成像图案，上传至二氧化碳智能控制装置，二氧化碳智能控制装置根据图案中叶脉梗与叶片是否存在温差，来判断叶面是否处于脱水状态，若是，则减少或停止二氧化碳供应，若不是，则进入下一步骤；

3）若叶面不处于脱水状态，可以正常进行光合作用，二氧化碳智能控制装置通过内部环境综合感应器和外部环境综合感应器测得的各项数据，与对象植物生长数据库相关联，根据农业设施内外温度差、叶脉梗与叶面温度差等参数，自动计算出二氧化碳供给量；

4）二氧化碳智能控制装置根据计算得出的二氧化碳供给量，控制二氧化碳发生器和二氧化碳送风系统向农业设施内部送入相应体积的二氧化碳，保证光合作用的高效实施。

本发明的优点：

1）能够测定判断植物的光合作用是否实际进行，根据植物的光合作用状态控制系统供应最合适量的二氧化碳；

2）利用由系统装置产生的二氧化碳供给植物，控制远程送风系统根据植物的光合作用状态；

3）根据植物叶面是否处于脱水状态，实时调控二氧化碳供给量，达到高效供给，节约二氧化碳排放，降低成本，并减缓温室效应。

附图说明

附图1是本发明控制二氧化碳释放量的装置结构示意图。

附图2是本发明控制二氧化碳释放量的方法流程图。

附图3是二氧化碳释放装置整体构造系统示意图。

附图4是脱水状态叶面温度分布图和叶面发生脱水状态时的温度变化图。

附图5是气温和叶温的温度差与光合成速度的关系图。

附图6是实施例中二氧化碳释放装置控制系统的结构示意图。

附图7是实施例中环境温度、叶面叶脉梗温度值与差值关系表。

具体实施方式

如图1所示，一种控制二氧化碳释放量的装置，其结构包括二氧化碳供应装置，热成像仪，内部环境综合感应器，外部环境综合感应器；该装置整体安装于种植有植物（蔬菜、水果、花卉等）的农业设施（如农业设施、玻璃房等）中，其中热成像仪、内部环境综合感应器设于农业设施的内部侧壁上，外部环境综合感应器设于农业设施的外部一侧，二氧化碳供应装置设于设于农业设施的外部另一侧，并通过送风管道连接至农业设施内部；热成像仪通过缆线连接内部环境综合感应器和外部环境综合感应器，内部环境综合感应器和外部环境综合感应器通过缆线连接二氧化碳供应装置。

如图3所示，所述的二氧化碳供应装置整体安装于农业设施的外部，并通过若干根送风管道连接至农业设施内部，每根管道上均设有气阀；其结构包括二氧化碳送风系统，二氧化碳智能控制装置，二氧化碳发生器，其中二氧化碳发生器通过管道连接二氧化碳送风系统，二氧化碳智能控制装置通过缆线分别连接二氧化碳发生器和二氧化碳送风系统，控制其运行。

所述的二氧化碳发生器采用加装电磁阀的二氧化碳气瓶，或者采用用强酸和强碱反应生成二氧化碳的装置，如MKY-360型二氧化碳发生器、ZR1000二氧化碳发生器等等。

如图6所示，所述的二氧化碳智能控制装置内设有通过总线连接的智能计算电子元器件，或者单芯片LSI等，用于存储控制的各种程序和数据；二氧化碳智能控制装置还通过缆线内部环境综合感应器、外部环境综合感应器和热成像仪，分别控制其运行，同时接受感应器和热成像仪传输的数据并进行分析；二氧化碳智能控制装置的内部设有时钟，与外部时间同步，从而根据白昼与夜晚时间判断植物光合作用时间范围，如热成像仪testo870、温湿度传感器（神荣）rhi-112a等等。

所述的二氧化碳送风系统内部设有送风机，可将二氧化碳持续送入农业设施内部，并根据二氧化碳智能控制装置的指令调节送风力度。

所述的热成像仪的底部设有伺服机械装置，使热成像仪可以任意移动改变拍摄位置、角度，以便利于热像仪的自由移动计测；伺服机械装置可以是可手动移动的支架，或者小车、机器人等。

所述的内部环境综合感应器和外部环境综合感应器，均包括空气温度传感器、光敏传感器、介质温度传感器和二氧化碳浓度传感器等计量感应设备，负责将上述传感器接收到的温度、光照强度、浓度等数据传输至二氧化碳智能控制装置。

如图2所示，该控制二氧化碳释放量的装置的控制方法，包括如下步骤：

1）二氧化碳智能控制装置首先判定是否处于可光合作用的时间（如7点到18点），若是，则指挥热成像仪监测农业设施内植物叶片的温度，进入下一步骤；若不是，则减少或停止二氧化碳供应；

2）热成像仪拍摄植物叶面的热成像图案，上传至二氧化碳智能控制装置，二氧化碳智能控制装置根据图案中叶脉梗与叶片是否存在温差，来判断叶面是否处于脱水状态，若是，则减少或停止二氧化碳供应，若不是，则进入下一步骤；

3）若叶面不处于脱水状态，可以正常进行光合作用，二氧化碳智能控制装置通过内部环境综合感应器和外部环境综合感应器测得的各项数据，与对象植物生长数据库相关联，根据农业设施内外温度差、叶脉梗与叶面温度差等参数，自动计算出二氧化碳供给量；

4）二氧化碳智能控制装置根据计算得出的二氧化碳供给量，控制二氧化碳发生器和二氧化碳送风系统向农业设施内部送入相应体积的二氧化碳，保证光合作用的高效实施。

下面根据实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

从时钟获取的即时时间，二氧化碳智能控制装置判断是否植物可进行光合作用的时间段。光合作用时间是白天的时间，例如5点到19点。当判断植物不在光合作用时间段时，二氧化碳智能控制装置进行控制二氧化碳产生装置减少或关闭送风。由于日出和日落时间根据季节和面积而变化，操作者也可以任意设定光合作用时间段。

如图7所示，在光合作用时间段，二氧化碳智能控制装置从由热像仪拍摄的温度分布的图像中，确定叶脉梗部分和叶片部分位置。 当存在叶面脱水状态时，由于叶脉梗部分和叶片部分之间的温度差变小，因此，根据叶脉梗部分与叶片部分的温度差，可知是否处于叶面脱水状态，能判断植物是否正在进行光合作用(有无蒸腾作用)。

当确定植物在没有叶面脱水状态的情况下进行光合作用（存在蒸腾作用）时，二氧化碳智能控制装置从由热像仪捕获的图像测量叶面温度。二氧化碳智能控制装置通过图像识别计算被识别为叶子的平均温度作为叶温度。由于设施环境温度与叶温度之间的温度差与植物的光合作用速度正相关，所以二氧化碳智能控制装置基于农业设施内的温度和叶温的温度差，确定植物的光合作用速率。二氧化碳智能控制装置以判定的植物的光合作用速率为指标，通过切换阀门来控制二氧化碳的供给量。

二氧化碳智能控制装置在判定为有叶面脱水状态且植物不进行光合成作用(无蒸腾)的情况下，二氧化碳智能控制装置通过进行切换阀门，减少或切断二氧化碳的供给量。由此，二氧化碳智能控制装置根据植物实际的光合作用的状态，向植物供给适量的二氧化碳。

如上所述，二氧化碳送风装置，依据植物的叶脉梗部分与叶片部分之间的温度差，考虑到植物的光合作用的外部环境温度，通过温度差的方法确定了植物的光合作用状态。控制装置将适量的二氧化碳通过送风系统供应到植物。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种控制二氧化碳释放量的装置，其特征是包括二氧化碳供应装置，热成像仪，内部环境综合感应器，外部环境综合感应器；该装置整体安装于种植有植物的农业设施中，其中热成像仪、内部环境综合感应器设于农业设施的内部侧壁或支架上，外部环境综合感应器设于农业设施的外部一侧，二氧化碳供应装置设于农业设施的外部另一侧，并通过送风管道连接至农业设施内部；热成像仪通过缆线连接内部环境综合感应器和外部环境综合感应器，内部环境综合感应器和外部环境综合感应器通过缆线连接二氧化碳供应装置。

2.根据权利要求1所述的一种控制二氧化碳释放量的装置，其特征是所述的二氧化碳供应装置整体安装于农业设施的外部，并通过若干根送风管道连接至农业设施内部，每根管道上均设有气阀；其结构包括二氧化碳送风系统，二氧化碳智能控制装置，二氧化碳发生器，其中二氧化碳发生器通过管道连接二氧化碳送风系统，二氧化碳智能控制装置通过缆线分别连接二氧化碳发生器和二氧化碳送风系统，控制其运行。

3.根据权利要求2所述的一种控制二氧化碳释放量的装置，其特征是所述的二氧化碳发生器采用加装电磁阀的二氧化碳气瓶，或者采用用强酸和强碱反应生成二氧化碳的装置。

4.根据权利要求2所述的一种控制二氧化碳释放量的装置，其特征是所述的二氧化碳智能控制装置内设有通过总线连接的智能计算电子元器件，或者单芯片LSI等，用于存储控制的各种程序和数据；二氧化碳智能控制装置还通过缆线内部环境综合感应器、外部环境综合感应器和热成像仪，分别控制其运行，同时接受感应器和热成像仪传输的数据并进行分析；二氧化碳智能控制装置的内部设有时钟，与外部时间同步，从而根据白昼与夜晚时间判断植物光合作用时间范围。

5.根据权利要求2所述的一种控制二氧化碳释放量的装置，其特征是所述的二氧化碳送风系统内部设有送风机，可将二氧化碳持续送入农业设施内部，并根据二氧化碳智能控制装置的指令调节送风力度。

6.根据权利要求1所述的一种控制二氧化碳释放量的装置，其特征是所述的热成像仪的底部设有伺服机械装置，使热成像仪任意移动改变拍摄位置、角度，以便利于热像仪的自由移动计测。

7.根据权利要求1所述的一种控制二氧化碳释放量的装置，其特征是所述的内部环境综合感应器和外部环境综合感应器，均包括空气温度传感器、光敏传感器、介质温度传感器和二氧化碳浓度传感器，负责将上述传感器接收到的温度、光照强度、浓度等数据传输至二氧化碳智能控制装置。

8.如权利要求1所述的一种控制二氧化碳释放量的装置的控制方法，其特征是包括如下步骤：

1）二氧化碳智能控制装置首先判定是否处于可光合作用的时间区间，若是，则指挥热成像仪监测农业设施内植物叶片的温度，进入下一步骤；若不是，则减少或停止二氧化碳供应；

2）热成像仪拍摄植物叶面的热成像图案，上传至二氧化碳智能控制装置，二氧化碳智能控制装置根据图案中叶脉梗与叶片是否存在温差，来判断叶面是否处于脱水状态，若是，则减少或停止二氧化碳供应，若不是，则进入下一步骤；

3）若叶面不处于脱水状态，可以正常进行光合作用，二氧化碳智能控制装置通过内部环境综合感应器和外部环境综合感应器测得的各项数据，与对象植物生长数据库相关联，根据农业设施内外温度差、叶脉梗与叶面温度差等参数，自动计算出二氧化碳供给量；

4）二氧化碳智能控制装置根据计算得出的二氧化碳供给量，控制二氧化碳发生器和二氧化碳送风系统向农业设施内部送入相应体积的二氧化碳，保证光合作用的高效实施。

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