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的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
[0009] -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。
[0010] 根据伯努利原理可知，
[0011] 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）
[0012] 从而可知压强随着距离出气孔的距离越远，压强越小。
[0013] 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
[0014] 另外由流量与流量之间的关系可知S = V · A，A为横截面积
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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：
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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】
[0023] 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。
[0024] 图2是本实用新型设施作物的整体系统图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。
[0026] 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。
[0027] 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：
[0028] 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；
[0029] 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。
[0030] 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IOs与关IOs的方式进行补充。
[0031 ]上述系统的调控方法包括如下步骤：
[0032]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；
[0033] 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；
[0034] 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。
[0035] 具体执行步骤可如下S1-S5:
[0036] SI: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