棚室CO2 氣肥機作用機理與應用研究

姚 闖，張林雁，任守華*

（1.黑龍江八一農墾大學 信息與電氣工程學院，黑龍江 大慶163319；2.黑龍江八一農墾大學 人文學院，黑龍江 大慶163319）

1 概述

近年來，隨著設施農業的逐步發展，歐美等國家爭相采用環境控制技術，在育種、作物生長控制等領域將氣體施肥技術進行了深入的研究，研制了基于自動控制的溫室CO2控制系統[1，2]。目前國內大多采用人工操作的方式對棚室作物生長環境進行調控，自動化控制手段應用較少[3，4]。空氣中的二氧化碳含量約330umol/mol，在設施農業中，溫室大棚與外界環境之間處于隔離狀態，因此在作物進行光合作用一段時間后，會造成棚室內CO2濃度降低，影響作物進行光合作用[5]。文獻[6]表明，二氧化碳濃度的高低是直接影響水稻育秧生長發育的因素[6]。針對上述問題，提出了以ESP8266 芯片為核心，采用TELESKY 傳感器采集CO2濃度，并將收集到的數據上傳至上位機遠程控制平臺，進而通過硬件設備調控棚室CO2濃度的控制方案，實現溫室內CO2濃度的智能控制的目的，通過實驗尋求較為合理的棚室CO2濃度控制方案，為水稻育秧提供更加適宜的生長環境。

2 棚室氣肥機的作用機理與應用研究

2.1 CO2 對水稻育秧生長的影響

大氣CO2濃度增加會增加光合作用，降低葉分配指數、增加干物質生產和產量，大氣CO2濃度增加會縮短粳稻生育期，加劇溫室效應的主要來源是延長秈稻生育期二氧化碳濃度[7]。光合作用的原料是二氧化碳，植物的光合作用增強可以靠二氧化碳施肥，使光合作用效率提高。當二氧化碳濃度達到一定高度值，植物的光合作用效率不再隨二氧化碳濃度升高而增強。

2.2 溫室大棚中CO2 濃度檢測

早晚溫棚中的二氧化碳濃度變化是不同的：夜晚產出大量CO2。作物在晚上由于自身的生命機制進行呼吸作用、土壤中的大量微生物活動和有機質分解，會引起溫棚內CO2濃度迅速上升；白天消耗CO2。作物在日出后由于陽光的照射使光合作用加強，又迅速消耗夜間存儲的二氧化碳使其濃度下降，日出后的兩個小時后，要打開溫棚封閉裝置進行通風換氣，否則濃度將繼續下降，最終導致葉片的光合作用基本停止。因此，合理利用人工二氧化碳可以提高溫棚作物產量，這也是溫棚必須增施二氧化碳氣體的主要原因[8]。

3 棚室氣肥機系統整體設計方案

3.1 系統總體設計方案

該系統的微控制器核心是ESP8266 芯片，主要包含以下四部分：控制節點、數據采集節點、執行機構、上位機，系統總體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構

首先，使用數據采集節點中的設備監測溫室環境參數，把采集的光照，溫度和CO2濃度通過LoRa 網絡收集到的數據存儲在遠程控制平臺，主要是智能控制器信號通過繼電器對CO2發生器控制命令，觸發CO2發生器機制。根據水稻育秧所需的最優CO2濃度，在遠程控制平臺的控制策略進行設置濃度值。

3.2 硬件系統設計

CO2對水稻育秧的影響因子包括溫室內光照和溫度[8]，在光照強度弱和溫度低的狀況下都會影響光合作用，使效率下降，在這樣狀態下增加CO2的比較浪費成本，因此要在光溫一定條件下對CO2調控，要同時監測3 個環境因子：（1）溫室內的光照；（2）溫度；（3）此時CO2濃度。結合以上條件，本系統中采集數據節點的模塊主要包括ESP8266 處理器、CO2傳感器、溫度傳感器、光照傳感器以及外圍擴展模塊。

3.2.1 ESP8266 模塊及采集和存儲模塊

ESP8266WiFi 透傳模塊，主要特點是超低功耗。該模塊與傳感器通過LoRa 網絡連接，采集數據上傳服務器，獲取設置上傳數據間隔。時鐘模塊采用DS3231 芯片，主要功能：（1）計算采集間隔；（2）記錄采集時間。25Q32 芯片作為數據存儲模塊，將未成功上傳的傳感器數據存儲其中。采用鋰電池充電管理芯片TP4056 對鋰電池充電整體電路圖結構如圖2 所示：

圖2 整體電路圖結構

3.2.2 CO2傳感器模塊

本設備采集溫室大棚二氧化碳濃度選擇TELESK Y傳感器。性能穩定安全，廣泛應用于醫療、倉庫、工業控制和科研等領域。如圖3 所示。

圖3 TELESKY 傳感器

3.2.3 溫度傳感器模塊和光照傳感器模塊

綜合多種傳感器進行溫室環境監測對比及特性選定DTKTM-2011 測溫模塊用于連接多路數字式溫度傳感器，實現溫度的采集、數據上傳功能。光照傳感器采用BH1750FVI 芯片設計開發，實現光照強度的采集、數據上傳功能。

3.3 軟件系統設計

3.3.1 上位機

本系統中的上位機主要是基于Python 編程語言開發的Web 系統的遠程控制平臺，通過代理服務器將采集的數據信息和控制節點的信號發送到遠程控制平臺系統。采集節點和控制節點二者之間的通信協議是一致的，基于遙測傳輸協議（MQTT 協議）。MQTT 應用兩種消息模式：訂閱模式/發布模式。在應用中，數據采集節點、控制節點和上位機的發布主題與訂閱消息通過MQTT 協議與消息代理服務器作為橋梁進行連接。其功能如圖4 所示。

圖4 MQTT 協議

3.3.2 系統軟件設計

系統軟件主要是由Python 開發的CO2氣肥智能控制系統，主要由環境數據采集模塊、控制策略模塊和設備控制模塊三部分組成。環境數據采集模塊主要存儲傳輸的溫度、CO2濃度和光照數據。設備控制模塊的主要功能是把設備的狀態具體的顯示出來，并且可以進行手動切換和自動控制切換。控制策略按時間周期設定，主要包括定時控制和閥值控制。定時控制方法是設置啟動時間、間隔周期和周期數來執行操作。閥值控制方法根據用戶設置固定的CO2濃度值，根據濃度值的高低來滿足開啟和關閉條件。

系統開啟條件：光照強度>R，空氣溫度>T，CO2濃度

圖5 閥值主程序流圖

圖6 CO2 控制策略設置界面

3.4 系統調試

系統檢測水稻育秧生長狀態如表1。

表1 不同CO2 濃度（同等光照強度和溫度）的水稻育秧生長狀態比較

4 結論

本課題主要以ESP8266 為主控芯片，自主開發了一套溫棚CO2控制系統，能夠實現對溫棚內環境參數的監測，并通過LoRa 技術和MQTT 協議實現以及客戶端以及手機APP 顯示信息，根據溫棚內的環境信息反饋CO2濃度高低情況下打開和關閉系統，使CO2的利用率最大化，使水稻育秧在合理控制的CO2濃度下“健康茁壯”的生長。同時可以實現工廠化、智能化生產。