CN1961653A - 规模化组培苗生长环境二氧化碳浓度自动调控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种规模化组培苗生长环境二氧化碳浓度自动调控装置，属于植物生长调控技术领域。由CO2自动精确施放装置、CO2浓度自动在线箱内循环监测装置、信号处理板以及控制器和上位机组成。控制器是以C8051F005单片机为核心的嵌入式系统，控制器软件采用MCS－51汇编语言编写，上位机软件采用VB6.0设计。采用定压、定量高纯度CO2精确施放和CO2浓度自动箱内循环在线监测，其监测和调控精度高，并能用于研究组培苗对CO2的同化速率，能够满足规模化组培育苗对环境调控的需求和组培环境建模的要求。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种规模化组培苗生长环境二氧化碳浓度自动调控装置，属于植物生长调控技术领域，专用于组培苗商品化生产和规模化生产的环境调控。
二、背景技术
传统育苗设施及其环境阻碍了组培苗商品化生产和规模化应用。运用大型育苗设施和综合环境调控工程技术，组织工厂化、规模化生产，是实现组培苗成为商品普遍应用于农业生产的必然前提。基于组培苗生长过程的设施环境控制包括控制要求和控制方法。控制要求是指能够满足组培苗各生长阶段要求的适宜环境参数组合，即光合生长模型。控制方法以控制要求为基础，寻求以工程手段实现光合模型所确立的环境条件。
日本研发了大型组培设施及其环境调控装置，采用强制通风或箱外循环间歇监测的方法对组培气体微环境中的CO2浓度实施监测和调控，CO2浓度信息采集监测与调控的自动化程度有待提高。中国在引进日本无糖组培新技术的同时也开始研发大型组培设施，但对组培微环境的监测和调控还只实现了CO2施放的半自动控制。徐志刚等(农业工程学报，2003，19(6)：14～17)以A/D卡配合计算机研制出组培微环境控制系统，但该系统不能脱离计算机工作，当计算机出错时，会造成系统运行无法运行，只能实现半自动、非精量的CO2施放与调控。李传业等(中国农业大学学报2004，9(4)：30～34)开发了基于PLC的无糖组培微环境控制系统，其监测精度不高，CO2的施放与调控仍没有实现自动化和精确化。
组培微环境气体CO2浓度监测和调控精度低、自动化程度低是上述系统的最主要问题，不能满足组培苗生长要求，更不能用于CO2同化速率的研究分析。
三、发明内容
技术问题 本发明的目的在于提供一种规模化组培苗生长环境二氧化碳浓度自动调控装置，克服现有技术对环境气体CO2浓度监测和调控精度低的问题，可实现连续在线监测，监测和调控精度高，数据自动保存，环境CO2浓度实现自动化控制。
技术方案
1、一种规模化组培苗生长环境二氧化碳浓度自动调控装置，由CO2自动精确施放装置、CO2浓度自动在线箱内循环监测装置、信号处理板以及控制器和上位机组成，其特征在于：
(1)CO2自动精确施放装置由CO2气罐、减压罐、调压阀、2个电磁阀、设置于2个电磁阀之间的长度为L的施放管、2个固态继电器和组培箱组成，组培箱由透光材料制成，施放管的进口通过电磁阀与调压阀相连，出口端通过电磁阀与组培箱相连，固态继电器通过通讯线与控制器相连；调压阀与减压罐相连，减压罐与CO2气罐相连。
(2)CO2浓度自动在线箱内循环监测装置，位于组培箱内，由监测装置和风机组成：监测装置的核心部件是GMD20D CO2浓度传感器，信号通过通讯线传至信号处理板；风机由固态继电器驱动，固态继电器接收来自控制器的信号；
(3)信号处理板由放大电路和滤波电路组成，其输出电压信号被控制器外端接口中的A/D通道采集；信号处理板用于接收并调理监测装置传送的信号，使输出的电压信号符合控制器外端接口的要求；
(4)控制器是以C8051F005单片机为核心的嵌入式系统，包括键盘、LCD显示器、JTAG接口、外端接口、SPI串行口、C8051F005单片机，外接端口包括4个12位模拟量A/D输入通道和4个I/O输出端，1个A/D输入通道用于采集CO2浓度信号，预留3个A/D输入通道作为功能扩展；4个I/O输出端分别用来驱动固态继电器以控制电磁阀；设置JTAG接口用于调试系统或将程序存入程序存储器并与上位机联机，在正常运行时此接口无用；JTAG接口与RS232间的协议转换由Cygnal公司提供的串行适配器EC2实现，控制程序可随时通过此接口修改；控制器与上位机的通讯采用串行通讯的方式；SPI串行口设为预留口；
(5)控制器软件采用MCS-51汇编语言编写，上位机软件采用VB6.0设计；
其工作过程是：CO2气罐提供高浓度、高压气源，通过减压阀向减压罐充气，减压罐通过调压阀向施放管充气；根据生长需要在控制器中设定CO2浓度设置点，CO2浓度自动在线箱内循环监测装置采集CO2浓度信息并输送至信号处理板和控制器，当满足CO2施放条件时，控制器输出控制信号至固态继电器，固态继电器启动电磁阀打开，CO2气体从施放管进入组培箱内，当实时监测数据在设定范围时，控制器显示组培箱内实时CO2浓度，并同步采集施气后的CO2浓度，施放管内CO2气体压力由调压阀设定并保持恒定，施放管的容积决定每次施放的气体量。为自动配合监测装置的信号采集，控制器根据程序设定向控制风机的固态继电器发出信号，自动开启风机，促使气体流经监测装置，以确保信号采集的真实性和准确度。
有益效果
本发明以C8051F005单片机为核心的控制器，采用定压、定量高纯度CO2精确施放和CO2浓度自动箱内循环在线监测，研制新型组培苗生长环境调控装置，克服现有技术对环境气体CO2浓度监测和调控精度低的问题，实现连续在线监测，监测和调控精度高、数据自动化保存，环境CO2浓度实现自动化控制。并能用于研究组培苗对CO2的同化速率，能够满足规模化组培育苗对环境调控的需求和组培环境建模的科研要求。当不需要记录数据时，控制器可脱离上位机单独工作。
组培苗在农林和园艺科研及生产中的应用价值与前景日益突显，但传统组培环境致使组培苗生长发育严重异常，已成为制约其广泛应用的首要原因。低CO2浓度是传统组培环境特征之一，使得组培苗不能发展其光合自养能力，被迫转作异养或兼养型生长(以培养基中的糖为碳源)。而培养基加糖，既加大成本又增大杂菌污染和苗群损失的机率，还抑制组培苗的光合能力，苗在移栽后不能适应外界光合自养环境，大量死亡。本发明装置能够促进组培苗快速正常地生长，降低育苗成本。
大型育苗设施多采用开放式和半开放式2种类型，半开放式较适宜于目前的经济和设备条件。与已有的系统相比，本装置具有如下特点：(1)采用CO2自动精确施放装置对组培苗生长环境实施高浓度CO2气体的直接自动精确施放，调控精度高和自动化程度高，调控过程简单、可靠；(2)采用半开放式装置类型，可直接采用该系统测量数据，并建立的光合作用模型，能够直接用于大型半开放式组培育苗装置的环境控制；(3)采用CO2传感器在线监测组培环境中CO2浓度变化，不再需要抽取组培环境气体实施分析监测。已有的测量装置都采用CO2红外分析仪，该仪器至少需要0.3L·min-1的气体流量才能进行测量，扰动到测量环境，现场真实性不高，更不能实现在线连续监测。(4)本装置可实现连续在线监测，数据自动化保存。(5)环境CO2浓度自动化控制，控制点可按需设定。
四、附图说明
图1规模化组培苗生长环境二氧化碳浓度自动调控装置示意图
图2控制器硬件结构示意图
图3控制器软件流程示意图
图4CO2传感器在组培箱内测点布置图
图注说明：
1.CO2气罐2.减压阀3.调压阀4.电磁阀5.电磁阀6.组培箱7.CO2监测装置8.控制器9.上位机10.固态继电器11.风机12.固态继电器13.固态继电器14.减压罐15.CO2施放装置16.外接端口17.LCD显示器18.键盘19.SPI串行口20.C8051F005单片机21.JTAG接口8.控制器22.信号处理板23.放大电路24.滤波电路
五、具体实施方式
本发明装置由CO2自动精确施放装置15、CO2浓度自动在线箱内循环监测装置、信号处理板22、控制器8(又称下位机)和上位机9组成。如图1所示。
(1)CO2自动精确施放装置主要由CO2气罐1、减压罐14、调压阀3、电磁阀4和电磁阀5、设置于电磁阀4和电磁阀5之间的长度为L的施放管、固态继电器12和固态继电器13、组培箱6组成。组培箱采用透光材料制成；调压阀3与减压罐4相连，减压罐4通过减压阀2与CO2气罐1相连。
(2)CO2浓度自动在线箱内循环监测装置主要由监测装置7和风机11组成。监测装置7的核心部件是GMD20D CO2浓度传感器；风机11由固态继电器10驱动，固态继电器接10收来自控制器8的信号，并根据指令开启并驱动风机11工作；
(3)信号处理板22由放大电路23和滤波电路24组成，其输出电压信号被控制器外端接口16中的A/D通道采集；信号处理板22用于接收并调理监测装置7传送的信号，使输出的电压信号符合控制器外端接口的要求；如图2所示；
(4)控制器8是以C8051F005单片机为核心的嵌入式系统，包括外端接口16、LCD显示器17、键盘18、SPI串行口19、JTAG接口21。C8051F005是与MCS-51内核及指令系统完全兼容的集成混合信号的片上系统(System On Chip)，片内集成了数据采集和控制系统常用的模拟部件，其数字交叉开关能将内部数字系统资源定向到外部I/O口上，是目前功能最强大8位单片机之一。外接端口包括4个12位模拟量A/D输入通道和4个I/O输出端，1个A/D输入通道用于采集CO2浓度信号，预留3个A/D输入通道作为功能扩展，4个I/O输出端分别用来驱动固态继电器以控制电磁阀；设置JTAG接口用于调试系统或将程序存入程序存储器并与上位机联机，在正常运行时此接口无用；JTAG接口与RS232间的协议转换由Cygnal公司提供的串行适配器EC2实现，控制程序可随时通过此接口修改；控制器8与上位机9的通讯采用串行通讯的方式；SPI串行口设为预留口；如图2所示；
(5)控制器软件采用MCS-51汇编语言编写，上位机系统软件采用VB6.0设计；软件流程图如图3所示，属于本领域普通技术人员所熟知的程序编写知识；
其工作过程是：CO2气罐1提供高浓度、高压气源，通过减压阀2向减压罐14充气，减压罐通过调压阀3向施放管充气；根据生长需要在控制器8中设定CO2浓度设置点，CO2浓度自动在线箱内循环监测装置采集CO2浓度信息并输送至信号处理板22和控制器8，当满足CO2施放条件时，控制器按设定的时间间隔先后输出2路控制信号，分别送至固态继电器13和12，固态继电器13先启动电磁阀4打开，CO2气体从减压罐和调压阀进入施放管，然后固态继电器12再启动电磁阀5打开，施放管内的CO2气体进入组培箱内，使组培箱内气体的CO2浓度再次恢复到设置点；当实时监测数据在设定范围时，控制器显示组培箱内实时CO2浓度，并同步采集施气后的CO2浓度；施放管内CO2气体压力由调压阀设定并保持恒定，施放管的容积决定每次施放的气体量。为自动配合监测装置的信号采集，控制器根据程序设定向固态继电器10发出信号，自动启动风机11，促使气体流经监测装置，以确保信号采集的真实性和准确度。
CO2定压定量精确施放的控制原理，如图1所示，
施放管内CO2气体压力可根据需要调节，设通过调压阀将施放管内的气体压力调定为P1；组培箱内容积为V，箱内气压恒为一个大气压(P0)；电磁阀4和电磁阀5间的管道内径为d，长度为L。箱内CO2浓度的控制增量可根据生长需要任意设定，当确定为Cc后，即能以d、L和P1中的任意一个参数作为调节参数，精确调节CO2的施放量，实现CO2气体的自动精确施放，以满足系统对Cc的控制要求，计算公式如下。
本装置对组培箱内CO2浓度调控的分布均匀性
在箱内上下两层各取5个测点，测点分布位置见图4。采用遥控移动玩具汽车将传感器移动到选定测点分别检测，测得数据如表1。测试结果表明箱内CO2浓度分布的最大偏差±10μL·L-1，最大偏差率1％，表明本装置能够实现对组培箱内生长环境中CO2浓度的高精度控制。
表1 组培箱内CO2浓度的分布
| 测量位置 | 测点2 | 测点5 | 测点1 | 测点4 | 测点3 |
| CO2浓度C/μL·L-1 | 8807909601000 | 8907909701000 | 8807909601000 | 8807909601000 | 8707909601000 |
| 1140 | 1140 | 1140 | 1130 | 1140 |
本装置在组培苗生长中的应用
1材料与方法
将驱蚊香草和冬青及大花蕙兰组培苗分别在25±2℃温度、12小时光照、40μmol·m2·s-1PPFD和410μmol·mol-1CO2浓度的环境下培养10d后移入环境调控组培箱内，温度与光周期与上述相同，光量和CO2浓度参数的控制如表2和表3。
2结果与分析
所有实验数据重复2次，采用LSD法进行多重比较，使用SAS8.2软件做差异显著性测验，实验结果分析如表2和表3。
表2 设定浓度Ct与控制浓度C1的比较以及CO2同化速率(驱蚊香草和冬青组培苗)
| 光量/μmol·m2·s-1 | 100 | |||
| 设定浓度Ct/μL·L-1控制浓度C1/μL·L-1CO2同化速率/mg·h-1 | 1460 | 1560 | 1770 | 1820 |
| 1460 147015.00D 19.57C | 1558 156723.20B 24.19B | 1771 177025.42B 24.75B | 1815 181932.59A 32.75A | |
表3 设定浓度Ct与控制浓度C1的比较以及CO2同化速率(大花蕙兰组培苗)
| 光量/μmol·m2·s-1 | 100 | |||
| 设定浓度Ct/μL·L-1控制浓度C1/μL·L-1CO2同化速率/mg·h-1 | 960 | 990 | 1150 | 1200 |
| 940 9709.32F 10.73E | 989 99411.63E 12.67D | 1147 115215.20C 15.34CB | 1199 120117.93A 16.27B | |
实验数据表明：控制装置能够将环境的CO2实际控制浓度C1精确地保持在设定浓度值Ct附近，控制误差率最大不超过±2％。该系统能够精确地调控组培环境中CO2浓度；依据数据记录，能够研究组培苗的光合同化速率与CO2浓度、光合光量子通量密度等诸环境因子之间的关系。
3结论
采用C8051F005而设计的嵌入式系统、高纯度(浓度为99％)CO2定压定量供给和自动箱内循环在线监测技术，研制出新型组培气体环境CO2浓度自动控制系统，成功解决了CO2气体难以自动精确施放和CO2控制精度低的问题，实现了组培微环境CO2浓度的按需设定和自动控制，既可用于研究不同组培微环境因子对组培苗同化CO2速率的影响效应，又能满足规模化组培育苗的生产要求。
Claims (1)
1、一种规模化组培苗生长环境二氧化碳浓度自动调控装置，由CO2自动精确施放装置、CO2浓度自动在线箱内循环监测装置、信号处理板以及控制器和上位机组成，其特征在于：
(1)CO2自动精确施放装置由CO2气罐、减压罐、调压阀、2个电磁阀、设置于2个电磁阀之间的长度为L的施放管、2个固态继电器和组培箱组成，组培箱由透光材料制成，施放管的进口通过电磁阀与调压阀相连，出口端通过电磁阀与组培箱相连，固态继电器通过通讯线与控制器相连；调压阀与减压罐相连，减压罐与CO2气罐相连；
(2)CO2浓度自动在线箱内循环监测装置，位于组培箱内，由监测装置和风机组成：监测装置的核心部件是GMD20D CO2浓度传感器，信号通过通讯线传至信号处理板；风机由固态继电器驱动，固态继电器接收来自控制器的信号；
(3)信号处理板由放大电路和滤波电路组成，其输出电压信号被控制器外端接口中的A/D通道采集；信号处理板用于接收并调理监测装置传送的信号，使其输出的电压信号符合控制器外端接口的要求；
(4)控制器是以C8051F005单片机为核心的嵌入式系统，包括键盘、LCD显示器、JTAG接口、外端接口、SPI串行口、C8051F005单片机，外接端口包括4个12位模拟量A/D输入通道和4个I/O输出端，1个A/D输入通道用于采集CO2浓度信号，预留3个A/D输入通道作为功能扩展；4个I/O输出端分别用来驱动固态继电器以控制电磁阀；设置JTAG接口用于调试系统或将程序存入程序存储器并与上位机联机，在正常运行时此接口无用；JTAG接口与RS232间的协议转换由Cygnal公司提供的串行适配器EC2实现，控制程序可随时通过此接口修改；控制器与上位机的通讯采用串行通讯的方式；SPI串行口设为预留口；
(5)控制器软件采用MCS-51汇编语言编写，上位机软件采用VB6.0设计；
其工作过程是：CO2气罐提供高浓度、高压气源，通过减压阀向减压罐充气，减压罐通过调压阀向施放管充气；根据生长需要在控制器中设定CO2浓度设置点，CO2浓度自动在线箱内循环监测装置采集CO2浓度信息并输送至信号处理板和控制器，当满足CO2施放条件时，控制器输出控制信号至固态继电器，固态继电器启动电磁阀打开，CO2气体从施放管进入组培箱内，当实时监测数据在设定范围时，控制器显示组培箱内实时CO2浓度，并同步采集施气后的CO2浓度，施放管内CO2气体压力由调压阀设定并保持恒定，施放管的容积决定每次施放的气体量，为自动配合监测装置的信号采集，控制器根据程序设定向控制风机的固态继电器发出信号，自动开启风机，促使气体流经监测装置。
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