設施作物二氧化碳擴散管道及基于該管道的無線調控系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于農業智能化技術領域，特別涉及一種設施作物二氧化碳擴散管道 及基于該管道的無線調控系統。
【背景技術】
[0002] 近年來，設施作物大棚環境監測在國內得到了相應的研究，并且實現了有線到無 線的轉變。但是，相比傳統的檢測以及控制方法，沒有能夠實現作物有效的補充二氧化碳， 再具體控制方面，僅僅根據單一變量進行處理，本系統控制方法設計參考多變量設計方法， 根據系統優化而得到最優控制方法。不同的植物對應不同的二氧化碳調控模型，從而避免 了傳統二氧化碳調控單一化的方式。對應不同植物，不同的光合作用模型，不同的二氧化碳 的響應，不同作物通過優化算法得到的最優值會有不同的調控方式。
[0003] 設施作物內如果種有植株較高的作物，在布置檢測設備方面就要考慮空間布置等 方面的注意事項，傳感器的走線以及放置會比較麻煩，而通過采用無線方式會大大便捷數 據的采集與信息的獲取，同時為應用于多種場合的設施作物提供應用拓展的可能性。
[0004] 設施作物由于植物生長比較復雜，通過無線傳輸檢測數據比較有利，并且檢測數 據方面通過無線傳輸并不影響植物的自身生長，并且在檢測位置的選擇上有較大的靈活 性。
[0005] 傳統的溫室二氧化碳的補施多采用不可控的方式，且在二氧化碳擴散均勻性方面 考慮甚少，針對上述缺點，通過對溫室流體空間的二氧化碳氣體擴散均勻性方面的研究，通 過鋪設氣體擴散管道，設計二氧化碳不同的出氣孔的大小以及增加對流扇等方式，促使氣 體更加精準的補充。
[0006] 由于上述理由，有必要對調控二氧化碳的方法與原理上進一步改進以更好地促進 植物自身的生長。
【發明內容】
[0007] 為了克服上述現有技術的缺點，本實用新型的目的在于提供一種設施作物二氧化 碳擴散管道及基于該管道的無線調控系統，可以更精確地實現溫室調控，更好地促進植物 碳肥的需求。
[0008] 為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案是：
[0009] -種設施作物二氧化碳擴散管道，包括一根與氣罐1連接的主管道2和若干分管道 3，各分管道3的直徑均與主管道2的直徑相等，各分管道3均垂直地連接在主管道上，各分管 道3相互平行且均位于主管道2的同側，各分管道3上均等間距開有圓孔4,各分管道3兩端均 設置有一對對流扇。
[0010] 根據伯努利原理可知，
[0011] 本設計中，各個管道相對氣罐出氣口處的壓強與流速相同，因此等距離開孔處的 三個管道相對位置壓強相同，考慮到管道是水平鋪與整個設施作物上方。因此，各個節點重 力勢能保持相同，但是氣體距離出氣孔的相對深度不同，從而可得等間距開孔處的二氧化 碳的壓強）
[0012] 從而可知壓強隨著距離出氣孔的距離越遠，壓強越小。
[0013] 由上述公式可以定量的計算得到各個出氣孔處的壓強值。在設計出氣孔大小時， 考慮壓強與流速之間的關系，可知流速為
[0014] 另外由流量與流量之間的關系可知S = V · A，A為橫截面積
[0015] 從而最終可得，最終確定出氣孔深度與開氣孔的大小之 間的關系。
[0016] 所述圓孔4的直徑大小各不相同，其直徑的大小滿足出各圓孔4的二氧化碳氣體的 流速相同。
[0017] 本實用新型還提供了基于所述設施作物二氧化碳擴散管道的無線調控系統，包 括：
[0018] 檢測模塊，包括設置在設施作物內的溫度檢測模塊、二氧化碳濃度檢測模塊一和 光照強度檢測模塊以及設置在設施作物外的二氧化碳濃度檢測模塊二；
[0019] 主控模塊，通過無線方式接收檢測模塊的檢測數據，判斷是否需要補充二氧化碳， 在需要補充時，通過無線方式向控制模塊發送指令；
[0020] 控制模塊，接收主控模塊所發指令，控制儲存有二氧化碳的氣罐1的閥門啟閉。
[0021] 所述主控模塊為單片機，單片機利用存儲器對檢測數據和預設調控值進行存儲， 檢測模塊連接有用于顯示其檢測數據的液晶顯示屏，檢測模塊與主控模塊之間基于ZigBee 協議實現無線通信。
[0022] 與現有技術相比，本實用新型的控制模式通過實驗建立的優化算法而得到調控模 型;然后，設施作物環境溫度、二氧化碳濃度以及光照強度環境信息的采集，然后選擇調控 模型，對于不同植物具有不同的優化模型，并且檢測設施作物外的二氧化碳濃度，從而實現 精準調控，且避免了外界因素的影響有助于節約能源，并且促進植物的生長以及果實的生 長，并且合理性利用碳肥，提出了自身的環境增長模式。該控制裝置通過檢測設施作物外的 二氧化碳濃度，從而實現二氧化碳補充的最優化調控，從而實現精準化以及最優化。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本實用新型設施作物的氣體管道輸送布置圖，點狀線構成的環表示二氧化 碳的擴散。
[0024] 圖2是本實用新型設施作物的整體系統圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和實施例詳細說明本實用新型的實施方式。
[0026] 如圖1所示，一種設施作物二氧化碳擴散管道，包括一根與氣罐1連接的主管道2和 若干分管道3,各分管道3的直徑均與主管道2的直徑相等，各分管道3均垂直地連接在主管 道上，各分管道3相互平行且均位于主管道2的同側，形成W形的方式，布置于整個溫室空間。 各分管道3上均等間距開有圓孔4,各分管道3兩端均設置有一對對流扇，由于不停位置的出 氣壓強不同，根據氣體壓強與流速之間的關系，各圓孔4大小不同，以保持各圓孔4的流速相 同，實現整個溫室空間二氧化碳濃度在較小空間之間的流速相同，實現整個氣體空間均勻 性擴撒，保證相同流體空間的二氧化碳氣體能夠均勻地擴散至補償空間內，各分管道3均勻 布置，促使氣體也均勻地補充至整個溫室空間，各分管道3兩端均設置有一對對流扇，通過 對流扇促進循環，促使二氧化碳氣體在空間擴散方面更加均勻，防止局部高濃度的擴散補 充導致的植株死亡。
[0027] 本實用新型利用上述擴散管道，建立了一種設施作物二氧化碳調控系統，如圖1所 示，包括：
[0028] 檢測模塊，包括設置在設施作物環境內的溫度檢測模塊、二氧化碳濃度檢測模塊 一和光照強度檢測模塊模塊以及設置在設施作物環境外的二氧化碳濃度檢測以及溫度模 塊二；
[0029] 主控模塊，根據設施作物環境內植物的二氧化碳響應曲線實驗，建立二氧化碳所 需濃度模型，通過無線方式接收檢測模塊的檢測數據，進行算法尋優，判斷是否需要補充二 氧化碳，在需要補充時，通過無線方式向控制模塊發送指令;本實用新型中，主控模塊主要 包括單片機以及上位機部分，單片機利用存儲器對檢測數據和二氧化碳所需濃度模型得到 的調控公式進行存儲，檢測模塊連接有用于顯示其檢測數據的液晶顯示屏，檢測模塊與主 控模塊之間基于ZigBee協議實現無線通信。單片機接收控制模塊無線發送過來的數據，通 過串口發送到工控屏上，并且在上位機處理再發送控制命令至單片機中，最后通過無線發 送命令至控制模塊。
[0030] 控制模塊，接收主控模塊所發指令，控制二氧化碳補充設備的啟閉。二氧化碳補充 設備為設施作物環境內設置的二氧化碳氣罐、對流扇以及通風設備，相應地，控制模塊包括 氣罐控制單元、對流扇控制單元和通風設備控制單元。控制模塊無線接收主控模塊發送過 來的數據，通過處理器的識別進行處理。當植物所需的二氧化碳濃度比設施作物環境內的 二氧化碳濃度M高時，進一步與設施作物環境外的二氧化碳濃度N比較，由于室外二氧化碳 濃度一般較低，如果設施作物環境外的二氧化碳濃度N大于植物所需的二氧化碳下浮百分 之K時，其中K由作物的光合作用特性所決定，且設施作物環境外氣溫在合適范圍內，則打開 設施通風設備，向設施作物環境內直接輸送空氣，從而實現二氧化碳濃度調控;如果設施作 物環境外的二氧化碳濃度N小于植物所需的二氧化碳下浮百分之K的濃度，則打開二氧化碳 氣罐，并根據打開時間實現定量補充二氧化碳，與二氧化碳氣罐同步開啟對流扇。本模塊一 旦開啟工作，對流扇始終工作，而二氧化碳傳感器氣化吸熱，長期開啟氣罐會導致罐體結 冰，通過一定開關比的方式進行二氧化碳補充，且根據前期的二氧化碳擴散實驗，確定要進 行補充的時間，或者一旦設施環境二氧化碳超過上限，也關閉氣罐以及對流扇。例如，可以 通過開IOs與關IOs的方式進行補充。
[0031 ]上述系統的調控方法包括如下步驟：
[0032]步驟1:根據設施作物環境內植物的二氧化碳響應實驗，建立二氧化碳所需濃度模 型，預測植物的二氧化碳一天當中變化量，并且根據光照、二氧化碳濃度、溫度三者之間關 系確定二氧化碳的最優值；
[0033] 步驟2:從而確定二氧化碳設施作物環境內外的濃度差;檢測設施作物環境內的溫 度T、二氧化碳濃度M以及光照強度C，并且檢測設施作物環境外二氧化碳的濃度N，從而確定 二氧化碳設施作物環境內外的濃度差；
[0034] 步驟3:根據檢測到的設施作物環境內的溫度T、二氧化碳濃度M以及光照強度C，根 據尋優得到最優二氧化碳濃度值，查看二氧化碳濃度是否達到最優二氧化碳濃度值，若檢 測到二氧化碳濃度不在最優二氧化碳范圍內，并且跟設施作物環境外的實際二氧化碳濃度 進行對比，如果空氣中二氧濃度大于設施作物環境內二氧化碳濃度，則打開通風設備向設 施內釋放空氣，如若低于設施作物所需的二氧化碳，則通過打開二氧化碳氣罐進行補充，并 且根據擴散實驗確定二氧化碳的補充時間。
[0035] 具體執行步驟可如下S1-S5:
[0036] SI:根據實際調控植物進行模型選取，放置檢測模塊的位置應能夠代表設施作物 環境的實際參數，然后把主控模塊放置在設施作物環境外，作為主控節點。開啟二氧化碳氣 罐后，如何均勻的擴散至整個設施作物環境空間，這是二氧化碳補償的關鍵一環。本實用新 型將氣罐放在設施作物環境內，通過建立二氧化碳擴散管道，氣罐通過電磁閥經過流量計 再通過氣管導流至整個設施作物環境內，主控模塊作為協調器建立網路，允許路由或者終 端節點加入到網絡，從