CN205284409U - 设施作物二氧化碳扩散管道及基于该管道的无线调控系统 - Google Patents

Abstract

一种设施作物二氧化碳扩散管道，包括一根与气罐连接的主管道和若干分管道，各分管道的直径均与主管道的直径相等，各分管道均垂直地连接在主管道上，各分管道相互平行且均位于主管道的同侧，各分管道上均等间距开有圆孔，该管道可保证相同流体空间的二氧化碳气体能够均匀地扩散至补偿空间内，各个分管道两端放置一对对流扇，促使二氧化碳气体在空间扩散方面更加均匀，防止局部高浓度的扩散补充导致的植株死亡，本实用新型还提供了基于该管道的无线调控系统，包括检测模块、主控模块和控制模块，通过无线通信，大大减小了传统检测方法对作物生长的影响，降低了布线的繁琐性，提高了检测点的自由性，在此基础上，也提高了设施作物作物的产量。

Description

设施作物二氧化碳扩散管道及基于该管道的无线调控系统

技术领域

本实用新型属于农业智能化技术领域，特别涉及一种设施作物二氧化碳扩散管道及基于该管道的无线调控系统。

背景技术

近年来，设施作物大棚环境监测在国内得到了相应的研究，并且实现了有线到无线的转变。但是，相比传统的检测以及控制方法，没有能够实现作物有效的补充二氧化碳，再具体控制方面，仅仅根据单一变量进行处理，本系统控制方法设计参考多变量设计方法，根据系统优化而得到最优控制方法。不同的植物对应不同的二氧化碳调控模型，从而避免了传统二氧化碳调控单一化的方式。对应不同植物，不同的光合作用模型，不同的二氧化碳的响应，不同作物通过优化算法得到的最优值会有不同的调控方式。

设施作物内如果种有植株较高的作物，在布置检测设备方面就要考虑空间布置等方面的注意事项，传感器的走线以及放置会比较麻烦，而通过采用无线方式会大大便捷数据的采集与信息的获取，同时为应用于多种场合的设施作物提供应用拓展的可能性。

设施作物由于植物生长比较复杂，通过无线传输检测数据比较有利，并且检测数据方面通过无线传输并不影响植物的自身生长，并且在检测位置的选择上有较大的灵活性。

传统的温室二氧化碳的补施多采用不可控的方式，且在二氧化碳扩散均匀性方面考虑甚少，针对上述缺点，通过对温室流体空间的二氧化碳气体扩散均匀性方面的研究，通过铺设气体扩散管道，设计二氧化碳不同的出气孔的大小以及增加对流扇等方式，促使气体更加精准的补充。

由于上述理由，有必要对调控二氧化碳的方法与原理上进一步改进以更好地促进植物自身的生长。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种设施作物二氧化碳扩散管道及基于该管道的无线调控系统，可以更精确地实现温室调控，更好地促进植物碳肥的需求。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种设施作物二氧化碳扩散管道，包括一根与气罐1连接的主管道2和若干分管道3，各分管道3的直径均与主管道2的直径相等，各分管道3均垂直地连接在主管道上，各分管道3相互平行且均位于主管道2的同侧，各分管道3上均等间距开有圆孔4，各分管道3两端均设置有一对对流扇。

根据伯努利原理可知，

本设计中，各个管道相对气罐出气口处的压强与流速相同，因此等距离开孔处的三个管道相对位置压强相同，考虑到管道是水平铺与整个设施作物上方。因此，各个节点重力势能保持相同，但是气体距离出气孔的相对深度不同，从而可得等间距开孔处的二氧化碳的压强为

从而可知压强随着距离出气孔的距离越远，压强越小。

由上述公式可以定量的计算得到各个出气孔处的压强值。在设计出气孔大小时，考虑压强与流速之间的关系，可知流速为

另外由流量与流量之间的关系可知S＝v·A，A为横截面积

从而最终可得最终确定出气孔深度与开气孔的大小之间的关系。

所述圆孔4的直径大小各不相同，其直径的大小满足出各圆孔4的二氧化碳气体的流速相同。

本实用新型还提供了基于所述设施作物二氧化碳扩散管道的无线调控系统，包括：

检测模块，包括设置在设施作物内的温度检测模块、二氧化碳浓度检测模块一和光照强度检测模块以及设置在设施作物外的二氧化碳浓度检测模块二；

主控模块，通过无线方式接收检测模块的检测数据，判断是否需要补充二氧化碳，在需要补充时，通过无线方式向控制模块发送指令；

控制模块，接收主控模块所发指令，控制储存有二氧化碳的气罐1的阀门启闭。

所述主控模块为单片机，单片机利用存储器对检测数据和预设调控值进行存储，检测模块连接有用于显示其检测数据的液晶显示屏，检测模块与主控模块之间基于ZigBee协议实现无线通信。

与现有技术相比，本实用新型的控制模式通过实验建立的优化算法而得到调控模型；然后，设施作物环境温度、二氧化碳浓度以及光照强度环境信息的采集，然后选择调控模型，对于不同植物具有不同的优化模型，并且检测设施作物外的二氧化碳浓度，从而实现精准调控，且避免了外界因素的影响有助于节约能源，并且促进植物的生长以及果实的生长，并且合理性利用碳肥，提出了自身的环境增长模式。该控制装置通过检测设施作物外的二氧化碳浓度，从而实现二氧化碳补充的最优化调控，从而实现精准化以及最优化。

附图说明

图1是本实用新型设施作物的气体管道输送布置图，点状线构成的环表示二氧化碳的扩散。

图2是本实用新型设施作物的整体系统图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

如图1所示，一种设施作物二氧化碳扩散管道，包括一根与气罐1连接的主管道2和若干分管道3，各分管道3的直径均与主管道2的直径相等，各分管道3均垂直地连接在主管道上，各分管道3相互平行且均位于主管道2的同侧，形成W形的方式，布置于整个温室空间。各分管道3上均等间距开有圆孔4，各分管道3两端均设置有一对对流扇，由于不停位置的出气压强不同，根据气体压强与流速之间的关系，各圆孔4大小不同，以保持各圆孔4的流速相同，实现整个温室空间二氧化碳浓度在较小空间之间的流速相同，实现整个气体空间均匀性扩撒，保证相同流体空间的二氧化碳气体能够均匀地扩散至补偿空间内，各分管道3均匀布置，促使气体也均匀地补充至整个温室空间，各分管道3两端均设置有一对对流扇，通过对流扇促进循环，促使二氧化碳气体在空间扩散方面更加均匀，防止局部高浓度的扩散补充导致的植株死亡。

本实用新型利用上述扩散管道，建立了一种设施作物二氧化碳调控系统，如图1所示，包括：

检测模块，包括设置在设施作物环境内的温度检测模块、二氧化碳浓度检测模块一和光照强度检测模块模块以及设置在设施作物环境外的二氧化碳浓度检测以及温度模块二；

主控模块，根据设施作物环境内植物的二氧化碳响应曲线实验，建立二氧化碳所需浓度模型，通过无线方式接收检测模块的检测数据，进行算法寻优，判断是否需要补充二氧化碳，在需要补充时，通过无线方式向控制模块发送指令；本实用新型中，主控模块主要包括单片机以及上位机部分，单片机利用存储器对检测数据和二氧化碳所需浓度模型得到的调控公式进行存储，检测模块连接有用于显示其检测数据的液晶显示屏，检测模块与主控模块之间基于ZigBee协议实现无线通信。单片机接收控制模块无线发送过来的数据，通过串口发送到工控屏上，并且在上位机处理再发送控制命令至单片机中，最后通过无线发送命令至控制模块。

控制模块，接收主控模块所发指令，控制二氧化碳补充设备的启闭。二氧化碳补充设备为设施作物环境内设置的二氧化碳气罐、对流扇以及通风设备，相应地，控制模块包括气罐控制单元、对流扇控制单元和通风设备控制单元。控制模块无线接收主控模块发送过来的数据，通过处理器的识别进行处理。当植物所需的二氧化碳浓度比设施作物环境内的二氧化碳浓度M高时，进一步与设施作物环境外的二氧化碳浓度N比较，由于室外二氧化碳浓度一般较低，如果设施作物环境外的二氧化碳浓度N大于植物所需的二氧化碳下浮百分之K时，其中K由作物的光合作用特性所决定，且设施作物环境外气温在合适范围内，则打开设施通风设备，向设施作物环境内直接输送空气，从而实现二氧化碳浓度调控；如果设施作物环境外的二氧化碳浓度N小于植物所需的二氧化碳下浮百分之K的浓度，则打开二氧化碳气罐，并根据打开时间实现定量补充二氧化碳，与二氧化碳气罐同步开启对流扇。本模块一旦开启工作，对流扇始终工作，而二氧化碳传感器气化吸热，长期开启气罐会导致罐体结冰，通过一定开关比的方式进行二氧化碳补充，且根据前期的二氧化碳扩散实验，确定要进行补充的时间，或者一旦设施环境二氧化碳超过上限，也关闭气罐以及对流扇。例如，可以通过开10s与关10s的方式进行补充。

上述系统的调控方法包括如下步骤：

步骤1：根据设施作物环境内植物的二氧化碳响应实验，建立二氧化碳所需浓度模型，预测植物的二氧化碳一天当中变化量，并且根据光照、二氧化碳浓度、温度三者之间关系确定二氧化碳的最优值；

步骤2：从而确定二氧化碳设施作物环境内外的浓度差；检测设施作物环境内的温度T、二氧化碳浓度M以及光照强度C，并且检测设施作物环境外二氧化碳的浓度N，从而确定二氧化碳设施作物环境内外的浓度差；

步骤3：根据检测到的设施作物环境内的温度T、二氧化碳浓度M以及光照强度C，根据寻优得到最优二氧化碳浓度值，查看二氧化碳浓度是否达到最优二氧化碳浓度值，若检测到二氧化碳浓度不在最优二氧化碳范围内，并且跟设施作物环境外的实际二氧化碳浓度进行对比，如果空气中二氧浓度大于设施作物环境内二氧化碳浓度，则打开通风设备向设施内释放空气，如若低于设施作物所需的二氧化碳，则通过打开二氧化碳气罐进行补充，并且根据扩散实验确定二氧化碳的补充时间。

具体执行步骤可如下S1-S5：

S1：根据实际调控植物进行模型选取，放置检测模块的位置应能够代表设施作物环境的实际参数，然后把主控模块放置在设施作物环境外，作为主控节点。开启二氧化碳气罐后，如何均匀的扩散至整个设施作物环境空间，这是二氧化碳补偿的关键一环。本实用新型将气罐放在设施作物环境内，通过建立二氧化碳扩散管道，气罐通过电磁阀经过流量计再通过气管导流至整个设施作物环境内，主控模块作为协调器建立网路，允许路由或者终端节点加入到网络，从而建立整个设施作物环境监测调控系统，整个系统的单片机采用CC2530，这是TI公司低功耗的单片机。

S2：在设施作物环境外放置一个二氧化碳传感器以及温度传感器，同时该节点作为终端节点，通过加入网络，再根据ZigBee协议进行传输至主控节点，该情况主要用于植物需要补充二氧化碳而空气中的浓度大于所需补充下浮百分之K时，其中K由作物的光合作用特性所决定，且设施作物环境外气温在合适范围内的情况，该情况下，打开通风设备，向设施作物环境内补充二氧化碳；若小于，则需要通过打开气罐与开启对流扇进行补充。

S3：进行补充二氧化碳时，根据单位平方的空间补充特定二氧化碳所需的时间，通过等比例放大至整个空间，确定整个空间所需要补充的时间，从而实现精准调控，防止植物因为过量补充，而导致的碳中毒，该段控制指令在主控程序里，通过ZigBee网络下发至控制节点，从而实现整个系统工作的稳定性。

S4：控制程序对应的控制算法对应不同的植物，因此，在烧录控制程序需要判断设施作物环境内所对应的植物，因为不同植物对应的生长模型不一样，通过建模以及优化而得到的调控结果就会不一样，因此会有对应的不同模型。因此，通过烧录不同模型的控制算法，因地制宜的满足植物二氧化碳最需量，从而实现精准化、智能化。该步骤在S1之前执行。

S5：执行控制方案。在本步骤中，监测模块通过采集设施作物环境内的二氧化碳浓度，光照强度以及温度，实现最底层物理量的采集，进一步，通过路由节点的射频模块，把温度，光照以及二氧化碳浓度无线发送至协调器，协调器通过射频接收函数接收到监测模块发送过来的数据，进行优化判断合理的调控值，从而实现最大化最优化的执行控制命令。然后通过执行时间判断，再通过射频函数发送控制指令至控制模块。从而确定是否启动单片机的IO引脚的高低电平，决定继电器、对流扇以及指示灯的闭合，从而实现电磁阀、对流扇以及通风设备的工作。然后再根据前期实验所得补偿时间的长短，进行控制单片机的通断与否。还有设施作物环境外的二氧化碳传感器，通过检测以及反馈，这样可以实现资源的最大化利用。

除了上述步骤，还包括以下内容，当检测到二氧化碳，光照以及温度值时，带入前期优化而得到的公式，得出此时植物所需补充的二氧化碳所需的最优值，如果设施作物所需的二氧化碳值低于空气中二氧化碳浓度值时，则不开启工作模式；如果设施作物环境所需的二氧化碳值高于空气中的二氧化碳浓度值，则打开二氧化碳气罐，通过输送管道传送至整个设施作物环境内，由于高浓度的二氧化碳对人体比较危险，因此，在补充二氧化碳时，人不应该待在设施作物环境内。

设施环境二氧化碳具体调控过程如下：检测节点监测设施作物环境内的二氧化碳浓度，光照强度以及温度三个变量，根据ZigBee协议无线传输至主控节点，主控节点进行判断以及计算分析，可以得到植物光合作用的二氧化碳浓度值，从而比较设施作物环境内的二氧化碳浓度，如果比设施作物环境内二氧化碳浓度高，则进行二氧化碳补偿；否则，则不补偿。

无线传感网络采用一个协调器以及三个路由节点构成的网络，检测节点作为路由器，向协调器发送数据，发送方式采用点对点方式进行输送数据，这样防止程序跑飞情况的发生，协调器接收路由节点发送过来的程序时，进行分析数据格式是否满足接收条件，如果满足，则进行接收处理，如果不满足无线发过来的数据格式，则不接受处理。协调器接收到的三个环境参数过后代入公式处理得到控制二氧化碳气罐以及对流扇的指令时，进行打包发送，协调器发送至作为控制节点的协调器，协调器发送至另外一个节点的协调器采用广播的形式，系统中三个路由器同时接受协调器发送过来的信息，协调器分别判断无线发送过来的数据，如果满足发送过来的数据，则进行接收处理，这就是整个系统无线组网的过程。

温度传感器通过单片机的IO口进行通信，光照传感器通过电压采集光照值的大小，采用AD端口进行采样，而二氧化碳传感器通过单片机的串口进行读取二氧化碳浓度值。

执行电磁阀以及对流扇的关断通过单片机的IO口进行控制，在驱动三极管进行放大信号，从而控制继电器的通断，进一步的控制电磁阀以及对流扇的工作与否。

下面讲述具体布置以及工作过程，并且以西北农林科技大学北校园艺基地为具体部署场地进行布置，从而验证整个工作过程。

西北农林科技大学北校园艺基地位处关中平原中部，渭河也流进而过，并且常年雨量充沛，光照比较充沛，设施作物对于二氧化碳的需求比较大，并且设施作物环境内的湿度比较大，因此考虑湿度对于电路板的腐蚀性等要求，还要考虑设施作物环境夏季温度过高等要求，因此，要求对设备的抗腐蚀抗高温以及无线数据准确性等方面提出较高要求。

温度、光照以及二氧化碳浓度传感器布置在设施作物环境内中心地带，高度放置在植物高度中间偏下部分，因为二氧化碳的相对分子质量比氧气大，因此设施作物环境内中靠近底部的二氧化碳浓度较大，因此二氧化碳传感器不能放置太高位置，这样对于植物实际所处的二氧化碳浓度检测较为精确。由于设施作物环境的形状一般是长方半圆体，这样在补充二氧化碳时要考虑到实际中二氧化碳扩散的均匀性，这里采用二氧化碳导气管以W型方式悬挂于设施顶端，这样对于补充二氧化碳气体时，能够均匀扩散整个设施作物环境。W型气罐靠近二氧化碳气罐较近的一端气压较大，远的一端气压较小，因此在开启二氧化碳气孔时，离气罐近的开气孔较小，远的一端开气孔较大，保证在皮管气压不相同时，二氧化碳气罐的出气量保持相同，使其整个空间二氧化碳浓度保持相对均匀。

给整个系统上电过程满足先给协调器通电，再给三个路由节点通电待协调器建立网络过后，再让三个路由节点加入到整个网络，构成整个检测调控的无线传感网络。

检测温度，光照以及二氧化碳三个环境参量，无线发送至主控节点，主控节点接收监测节点无线设施作物环境发送过来的数据进行计算分析；若最优二氧化碳传感器的浓度低于设施作物环境内的二氧化碳浓度，则不进行控制操作；若最优二氧化碳传感器的浓度高于实际的设施作物环境内的二氧化碳浓度，由于室外二氧化碳浓度一般较低，则判断设施作物环境外的空气二氧化碳浓度是否大于设施作物环境所需最优浓度下浮百分之K时，其中K由作物的光合作用特性所决定，且设施作物环境外气温在合适范围内，若大于，则打开通风设备，向设施作物环境内输送二氧化碳，若小于，则打开电磁阀，二氧化碳气体从气罐里面经过减压阀，在流经流量计到达管道处，进入W型管道实现分流，进而补充二氧化碳气体实行均匀化，从而实现二氧化碳补偿时效性的准确性。

所下载的程序提前烧录到无线传感器的处理器里面，整个系统分为三个模块，三个模块对应三个程序，并且考虑设施作物环境高湿环境，可能会造成电路板的腐蚀，因此在防湿防尘方面要考虑制作一个密封的空间，只留下一个接口供传感器接口使用，把主控模块放置在设施的监控室里面，而控制模块放置在设施作物环境外面，最后通过管道输送至设施作物环境里进行补充。

单片机的控制方式，由于不同的植物对应不同的程序，因此要根据植物烧录不同的程序才能实现最优化控制。还有不同设施作物环境体积对应不同的补偿时间，根据设施作物环境大小确定所需补偿时间。

本申请不仅可以用于设施作物环境的调控系统，而且还可以用于类似设施作物环境内进行补充二氧化碳气体，本专利对于拓展场地应用都有很大的应用示范作用。

Claims (4)

1.一种设施作物二氧化碳扩散管道，其特征在于，包括一根与气罐(1)连接的主管道(2)和若干分管道(3)，各分管道(3)的直径均与主管道(2)的直径相等，各分管道(3)均垂直地连接在主管道上，各分管道(3)相互平行且均位于主管道(2)的同侧，各分管道(3)上均等间距开有圆孔(4)，各分管道(3)两端均设置有一对对流扇。

2.根据权利要求1所述设施作物二氧化碳扩散管道，其特征在于，所述圆孔(4)的直径大小各不相同，其直径的大小满足出各圆孔(4)的二氧化碳气体的流速相同。

3.基于权利要求1所述设施作物二氧化碳扩散管道的无线调控系统，其特征在于，包括：

检测模块，包括设置在设施作物内的温度检测模块、二氧化碳浓度检测模块一和光照强度检测模块模块以及设置在设施作物外的二氧化碳浓度检测模块二；

主控模块，通过无线方式接收检测模块的检测数据，判断是否需要补充二氧化碳，在需要补充时，通过无线方式向控制模块发送指令；

控制模块，接收主控模块所发指令，控制储存有二氧化碳的气罐(1)的阀门启闭。

4.根据权利要求3所述基于设施作物二氧化碳扩散管道的无线调控系统，其特征在于，所述主控模块为单片机，单片机利用存储器对检测数据和预设调控值进行存储，检测模块连接有用于显示其检测数据的液晶显示屏，检测模块与主控模块之间基于ZigBee协议实现无线通信。