一种利用PID控制的温室集群臭氧智能消毒方法以及消毒装置与流程

本发明涉及农业工程技术领域，尤其涉及一种用于生产的臭氧消毒方法以及具有PID控制功能的温室臭氧消毒装置。

背景技术：

设施农业作为封闭或半封闭的种植环境，通过采用现代化农业工程技术、机械技术和信息装备技术，实现了摆脱传统自然环境依赖的新型农业生产方式，并通过温度、湿度、光照、CO₂浓度及营养液含量等环境因子，以及作物生长发育各个环节的智能调控，创造作物最优的生产条件。当前设施农业快速发展的同时，也面临着一系列的技术瓶颈与挑战。设施农业生产中作物“忍冻挨饿”的局面时常发生。各类温室大棚、农业设施使用过程中存在早晚温差大、夏热冬凉、太阳辐射不均匀、土壤连作障碍等不利的生产因素，严重影响和阻碍了作物的正常生长。日光温室生产中，由于高温、高湿封闭的生态环境和连茬种植、蔬菜品种相对单一，为病虫害的发生、蔓延提供了有利条件。

在病虫害防治方面，目前国内外提倡“预防为主，综合防治”，温室空间消毒作为绿色、环保、经济的防治手段得到大量推广和应用，常用的消毒技术有高温闷棚、土壤药剂消毒和温室药剂熏蒸消毒，但这三种消毒方法均需要人工参与、消毒周期长、消毒效果不显著，而且消毒药剂具有腐蚀性，对人体危害较大。

臭氧是一种氧化性极强、功能多样化、极具开发价值的气体，对细菌、霉菌、真菌等微生物具有极强的杀灭力，其杀菌速度较氯快300-600倍、杀菌能力是氯的2倍，被广泛用于污水处理、空气净化、粮食储藏、果蔬保鲜、食品加工、医疗卫生、水产养殖、畜禽养殖及设施农业等行业和领域。另外，在一定浓度下，臭氧能与细菌、霉菌、真菌等微生物发生生化反应，用于灭菌消毒。作为一种高度不稳定、极易分解的强氧化性气体，臭氧无论在气体状态，还是溶解于水的状态，都极易分解为氧气，不产生二次残留污染。但必须注意臭氧对于植株的危害，O₃进入叶肉时，气孔及叶肉组织对O₃扩散具有较强的阻抗作用，同时也阻止了CO₂的进入和扩散。O₃能破坏叶肉栅状组织细胞，O₃本身具备破坏叶绿体的能力并阻碍光合反应中部分电子传递系统；O₃能损害细胞渗透性，使细胞液大量渗出，部分植物还有乙烯逸出，使植物自身早期老化等。因此，臭氧应用于设施农业时，对于臭氧浓度及作用时间的控制显得尤为重要，如有不慎容易造成作物损伤乃至作物减产。

臭氧技术作为农业空间消毒的一个重要组成部分，各种类型的臭氧发生装置日趋成熟，痕量臭氧发生装置标准气体发生装置、智能型臭氧发生装置、基于单片机控制的臭氧发生装置、基于等离子体的水下臭氧发生装置，分别从臭氧应用对象(空气与水体)，臭氧产气量稳定性(可控与不可控)等角度入手，通过臭氧气源选择(空气与氧气)、调理电路设计与技术方案调整，进而实现对臭氧的智能化管理。但面向复杂多变的设施农业使用环境，臭氧高度不稳定的特点阻碍了其应用潜力的发挥，特别是在设施农业、温室大棚的空间消毒与病虫害防治方面，痕量臭氧发生装置、智能型臭氧发生装置在高温高湿的环境条件下均不能发挥臭氧的最佳效能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多用途、多场合的臭氧消毒方法。其能根据臭氧使用环境建立起臭氧浓度与使用环境特征参数间的关系模型，进而自动调整臭氧使用的适宜浓度、作用时间，采用PID(Proportion-Integral-Derivative，比例-积分-微分)控制方法，进行臭氧消毒控制。

所述PID控制方法可以把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制方法可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

具体而言，本发明提供了一种利用PID控制的温室集群臭氧智能消毒方法，所述方法包括以下步骤：

(1)设定待消毒温室环境中的适宜臭氧浓度；

(2)向所述待消毒温室环境中通入臭氧；

(3)自所述通入臭氧时起，间歇采集环境参数，获得实际臭氧浓度；

(4)比较所述实际臭氧浓度与适宜臭氧浓度的数值大小，采用PID控制方法控制臭氧的通入，具体为：

当所述实际臭氧浓度大于适宜臭氧浓度时，停止通入臭氧；

当所述实际臭氧浓度小于适宜臭氧浓度时，继续通入t分钟臭氧后，停止通入臭氧；所述t由公式：C＝343×t^0.0166-345.6计算得到，其中，C为所述适宜臭氧浓度与实际臭氧浓度的差值，单位为mg/m³。

本发明所述步骤(1)中，所述适宜臭氧浓度可以依据温室中所种植作物的特性等因素进行确定，在确定时可以参考温室的实际环境进行确定。具体而言，所述适宜臭氧浓度可以为待消毒环境中的臭氧浓度最佳值C₁或待消毒环境中的臭氧浓度下限值C_下。作为本发明的一种优选方案，所述适宜臭氧浓度不小于3mg/m³，优选为5～10mg/m³。

本发明步骤(2)中，所述通入臭氧的浓度以不小于300mg/min为宜。作为本发明的一种优选方案，向待消毒温室环境中通入臭氧的速度为0.1～0.4mg·m^-3·min^-1，优选为0.2～0.3mg·m^-3·min^-1。本发明通过大量实验发现，采用该适宜的速度通入臭氧，可以确保后续的通入过程能够实现精确控制。

本发明步骤(3)中，所述间歇采集环境参数优选以1～10min为间隔进行采集，更优选以3～7min为间隔。在实际操作中，最优选以5min为间隔进行采集。采用间歇采集的方式可以防止监控不及时导致的使臭氧浓度过高，造成臭氧浪费或对农作物造成伤害，同时可以确保操作的便捷性。

本发明所述步骤(3)中，环境参数的采集模式可以为多种，可根据实际应用情况进行选择。

作为本发明的一种具体方案，所述环境参数可以为臭氧浓度C₀，在此情况下，实际臭氧浓度即等于C₀。

作为本发明的一种具体方案，所述环境参数可以为温度T和湿度RH；在此情况下，所述实际臭氧浓度C₂通过以下公式计算得到：C₂＝-0.059T-0.047RH+15.701，单位为mg/m³。

本发明所述步骤(4)中，基于臭氧施用空间环境参数，建立臭氧气体浓度与作用时间的关系模型，作为PID控制的功能算法。

具体而言，为将臭氧消毒技术更好地应用于设施农业生产、设施蔬菜种植与设施空间消毒，一方面尽可能减少对正常设施生产活动的干扰、避免对设施作业人员的损伤，另一方面尽可能规避连栋温室、日光温室等设施作业空间白天较为复杂多变的气候环境，更重要的是寻求设施农业适宜的臭氧释放浓度与作用时间，降低对设施蔬菜生长生理的影响。因此，运用臭氧气体进行设施空间消毒时，一般情况下安排在夜晚进行，同时要求臭氧浓度不能过大，也不能太小。国内外有大量研究不同环境作用下臭氧的衰减速率，但释放时间与臭氧浓度、温湿度高低与臭氧分解速率之间的定量关系资料报道较少。

臭氧在不同环境作用下内会自行分解与衰减，随着臭氧释放时间进行着一定规律的变化。本发明通过长时间大量的实验研究，对不同释放时间下的臭氧浓度进行拟合结果表明：臭氧浓度最高值和释放时间有很好的非线性关系，其回归模型拟合结果为Y＝343X^0.0166-345.6；其中，Y代表臭氧浓度，X代表臭氧释放时间。

作为本发明的一种优选方案，所述方法包括以下步骤：

(1)设定待消毒温室环境中的适宜臭氧浓度，所述适宜臭氧浓度不小于3mg/m³；

(2)以0.1～0.4mg·m^-3·min^-1、优选以0.2～0.3mg·m^-3·min^-1的速度向所述待消毒温室环境中通入臭氧；

(3)自所述通入臭氧时起，以3～7min为间隔采集环境参数，获得实际臭氧浓度；

(4)比较所述实际臭氧浓度与适宜臭氧浓度的数值大小，采用PID控制方法控制臭氧的通入，具体为：

当所述实际臭氧浓度大于适宜臭氧浓度时，停止通入臭氧；

当所述实际臭氧浓度小于适宜臭氧浓度时，继续通入t分钟臭氧后，停止通入臭氧；所述t由公式：C＝343×t^0.0166-345.6计算得到，其中，C为所述适宜臭氧浓度与实际臭氧浓度的差值，单位为mg/m³。

为了便于实际操作，确保良好、稳定的消毒效果，本发明自步骤(2)所述通入臭氧时起进行计时，优选总时间达到20～40min、更优选总时间达到30min后停止消毒。

本发明进一步提供了一种具有PID控制功能的温室集群臭氧智能消毒装置，所述装置包括外源供气系统、臭氧发生系统、传感数据采集模块以及臭氧消毒PID控制模块。

所述装置中，外源供气系统主要用于提供干净、有稳定流量的、合格的原料气体，通过空气压缩机将空气压缩，经过滤(水汽分离器)、干燥(干燥塔)、计量(流量计)后将臭氧气源送入臭氧发生系统，有效提高臭氧浓度并充分保护臭氧发生管，在臭氧发生室的中频高压电场内部分氧气转化为臭氧。

所述装置中，臭氧发生系统作为臭氧发生装置的核心部分，前端连接外源供气系统，臭氧发生系统内布置有内循环水冷散热系统，包括水箱、水泵。所述臭氧发生系统核心为臭氧放电室，其采用双放电技术，通过一定频率的高压电流制造高压电晕电场，进而激活空气中的氧气，致使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应制造臭氧气体。所述臭氧发生系统为手自动一体，可提供多种运行模式，适应于多种场合、多种工况的运行需要。由所述臭氧发生系统产生的臭氧可通过塑料软管进行传输；作为一种具体的实施方式，可每隔1.0m均匀布置Φ2.5mm的臭氧出气孔。

所述内循环水冷散热系统可以与冷却水系统相连。所述冷却水系统为臭氧发生器提供合格的冷却水，采用内循环水冷散热系统，无需外接水源，将臭氧产生过程中释放的热量带走，保证了臭氧发生器的长期稳定运行，降低发生器内的放电温度，保持温度稳定，避免由于温度升高加速臭氧分解，保证臭氧无衰减。

所述装置还可以包括与所述臭氧发生系统出口相连的尾气破坏系统。该系统可以有效去除尾气中残留的臭氧，快速分解臭氧气体为氧气。按照臭氧尾气排放规定，环境允许的臭氧浓度应小于0.1ppm。如果直接排入大气，会造成大气环境污染。所述尾气破坏系统通过加热分解法实现尾气破坏，并配备有臭氧浓度计量仪表。

所述装置中，所述传感数据采集模块用于实时采集环境参数。可包括温度传感器和湿度传感器，或包括臭氧浓度传感器。

所述装置中，臭氧PID控制模块主要用于量身定制农业生产过程所需的臭氧消毒浓度，其流程示意图可参考图1。具体而言，所述臭氧消毒PID控制模块接收由所述传感数据采集模块传出的环境参数，采用PID控制方法控制臭氧的通入，并驱动所述外源气体供气系统为臭氧发生系统提供气源。所述臭氧PID控制模块通过固态继电器驱动外源气体供气系统，用于启动或关闭臭氧源气体。所述臭氧PID控制模块配备有手动开关、定时器控制开关和自动开关，提供多种运行模式。优选地，所述臭氧PID控制模块可配置有RJ45接口和无线通信接口，主控程序集成有TCP/IP协议和HTTP协议，用于支持远程通信、远程管理的控制模式，两者需要可根据应用现场特点进行定制，以达到更高的使用效率。

本发明优选将所述各系统和模块均设置于密封箱体中。具体而言，所述箱体外形不限，优选呈长方体状。所述箱体隔热、防潮且可移动。考虑设施农业生产过程中的高湿环境，避免棚膜滴露与温室潮湿腐蚀系统装置，箱体顶端设有防雨罩；防雨罩在铅垂方向上呈倒梯形，通过柱脚与箱体连为一体。所述箱体布置有利于移动的地脚轮。所述箱体还包括用于密封箱体柜门和箱体的环状密封条。箱体正面设置有控制所述各系统和模块的开关和/或触摸屏，具体可包括气阀、水泵、制臭氧、臭氧放电电流调节按钮、空气流量计量及调节开关、用于自控程序运行的触摸屏等。

所述装置在实际应用中，通过传感数据采集模块获取臭氧施用空间的环境参数，建立臭氧浓度变化与环境特征参数间的关系模型，校正适宜于该空间的臭氧运行参数与控制算法，实现外源气体供气系统与臭氧发生系统自动控制，进而自动调整臭氧消毒释放浓度与作用时间；同时，可适于不同蔬菜品种、蔬菜生长不同阶段的臭氧消毒浓度集成于系统，即多功能、全范围的使用臭氧消毒。

本发明进一步保护所述方法或所述装置在日光温室集群中的应用。本发明提供的具有臭氧PID控制模块的臭氧消毒装置可被应用到日光温室集群，在所述装置设置RJ45接口和无线通信接口的基础上，基于网络通信技术，可以将其作为一个个网络节点，每个节点均能独立进行设施空间作业；同时也能通过连接到网络到控制中心实现对全部节点或部分节点进行集中控制、统一管理，并能对其中的每个节点分别控制、单独管理。

本发明提供的技术方案可以取得显著效果，包括：

(1)实现安全高效低成本的臭氧消毒：臭氧可实现一施多用，同时防治多种病虫害，而且防治费用低，与喷施农药相比，施放臭氧更为方便、高效、安全，可大大减少农药的使用量，避免施用高毒、高残留农药，从而降低用药成本；

(2)量身定制适应性控制的臭氧消毒：本发明根据设施作物的生长特点与环境特征，确定合适的臭氧消毒浓度与作用时间，规避臭氧浓度过大对作物植株造成损伤，避免臭氧浓度过小对病虫害不起任何作用；

(3)集群管控一体化式的臭氧消毒：本发明可以根据日光温室集群布局、设施园区分布，通过气体管道系统或滴灌系统，实施一体化臭氧消毒，并通过接入园区网络，实现统一管理、集中管控。

附图说明

图1为本发明所述PID控制模块的流程示意图。

图2为实施例3提供的臭氧消毒装置结构示意图；图中，1、气源，2、水汽分离器，3、干燥塔，4、流量计，5、臭氧放电室，6、水泵，7、水箱，8、散热器，9、臭氧浓度测量仪表。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

选定一栋日光温室，长度50m、跨度7m、脊高3.7m；采用如下方法进行臭氧消毒：

(1)设定待消毒温室环境中臭氧浓度的下限值C_下为6.94mg/m³；

(2)以0.26mg·m^-3·min^-1的速度向所述待消毒温室环境中通入臭氧；

(3)自所述通入臭氧时起，以5min为间隔采集环境参数，即实际臭氧浓度C₀；

(4)比较所述实际臭氧浓度与适宜臭氧浓度的数值大小，采用PID控制方法控制臭氧的通入，具体为：

当所述C₀＞C_下时，停止通入臭氧；

当所述C₀＜C_下时，继续通入t分钟臭氧后，停止通入臭氧；所述t由公式：C＝343×t^0.0166-345.6计算得到，其中，C为C_下与C₀的差值，即C＝C_下-C₀，单位为mg/m³；

(5)重复步骤(3)～(4)；自步骤(2)所述通入臭氧时起，时间达到30min，停止消毒。

参考医药工业洁净室(区)沉降菌的测试方法(GB/T16294-2010)，测试方法采样沉降法，利用培养基平皿取样。沿着日光温室长度方向、跨度方向的中间点均匀布置3个采样点，每个采样点放置Φ90mm×15mm的培养皿进行采样，取样后利用恒温恒湿箱进行培养。通过对比臭氧消毒前后的真菌、细菌总数，进而计算出日光温室臭氧消毒的杀菌率。

试验结果表明，通过日光温室臭氧消毒试验，对比臭氧消毒前后的微生物生长状况与总数变化，施用浓度为6.94mg/m³的臭氧进行消毒时，臭氧消毒对真菌的杀菌率为66.3％，对细菌的杀菌率为55.6％。

实施例2

与实施例1相比，区别仅在于：

步骤(1)中，设定最佳臭氧浓度C₁为适宜臭氧浓度；

步骤(3)中，实时采集环境参数温度T和湿度RH，采用公式C₂＝-0.059T-0.047RH+15.701计算实际臭氧浓度C₂。

实施例3

一种具有PID控制功能的温室臭氧消毒装置(如图2所示)，包括密封箱体，所述密封箱体内部包含外源供气系统、臭氧发生系统、传感数据采集模块以及臭氧消毒PID控制模块；

所述箱体隔热、防潮且可移动，其表面设有控制所述各系统和模块的开关和/或触摸屏；

所述外源供气系统包括依次顺序连接的气源1、水汽分离器2、干燥塔3、流量计4；

所述臭氧发生系统内设置臭氧放电室5，所述臭氧放电室的入口与所述流量计的出口相连；所述臭氧放电室内产生的臭氧通过每隔1.0m均匀布置Φ2.5mm臭氧出气孔的塑料软管进行传输；

所述臭氧发生系统内还设有内循环水冷散热系统，由内部设置水泵6的水箱7和散热器8相连而成；所述内循环水冷散热系统与冷却水系统相连；

所述臭氧发生系统的出口端与尾气破坏系统相连，用于将尾气中残留的臭氧快速分解为氧气；所述尾气破坏系统设置臭氧浓度测量仪表9，用于监测臭氧浓度；

所述传感数据采集模块用于实时采集环境参数；该模块包括温度传感器和湿度传感器，或包括臭氧浓度传感器；

所述臭氧消毒PID控制模块接收由所述传感数据采集模块传出的环境参数，采用PID控制方法控制臭氧的通入，并驱动所述外源气体供气系统为臭氧发生系统提供气源；所述臭氧消毒PID控制模块配置有RJ45接口和无线通信接口，主控程序集成有TCP/IP协议和HTTP协议，用于支持远程通信、远程管理的控制模式。

采用本实施例提供的装置可以实现实施例1或实施例2所述的方案。

实验例：臭氧浓度与温度、湿度间二元线性回归方程的确定

综合考虑设施农业空间夜晚的实际环境条件及臭氧气体适宜的作用环境参数，本发明选用人工气候箱作为理想的模型试验环境，试验温度选定10℃、20℃和30℃，环境湿度选为70％、80％和90％。通过获取不同温度、湿度的条件下，臭氧气体浓度与释放时间的关系模型，进而寻找适合于设施空间使用的臭氧消毒控制算法。

不同温度梯度下的臭氧浓度与作用时间的关系式如表1所示。其中，Y代表为臭氧气体浓度，单位为mg/m³；X代表为作用时间，单位为min。

表1：不同温度梯度下的臭氧浓度与作用时间的关系

不同湿度梯度下的臭氧浓度与释放时间的关系式如表2所示。式中Y代表为臭氧气体浓度，单位为mg/m³；X代表为作用时间，单位为min。

表2：不同湿度梯度下的臭氧浓度与作用时间的关系

在此基础上，通过对施用环境2个主要因素(温度、湿度)进行正交试验，得到臭氧浓度与温度(T)、湿度(RH)之间的二元线性回归方程Y＝-0.059T-0.047RH+15.701。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。