專利名稱:適用于溫室環(huán)境的二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)系統(tǒng)、方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及設(shè)施生產(chǎn)二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種適用于溫室環(huán)境的二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)系統(tǒng)、方法。
背景技術(shù):
合理的(X)2氣肥增施能夠提高作物光合作用率和抗逆性,促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育,提高品質(zhì),已經(jīng)成為目前溫室大棚重要增產(chǎn)增收技術(shù)之一。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)20多年的推廣, 一般采用自然酵解、固體二氧化碳顆粒、適量通風(fēng)、化學(xué)反應(yīng)等方法獲取CO2氣肥,氣體發(fā)生量大都通過(guò)人工計(jì)算獲取,并且增施過(guò)程中很少采用CO2檢測(cè)裝置,因此無(wú)法獲知當(dāng)前CO2 濃度,這往往導(dǎo)致施肥量不足,達(dá)不到預(yù)期效果。一旦人工計(jì)算、操作失誤,增施CO2濃度過(guò)高會(huì)對(duì)綠色植物光合系統(tǒng)造成破壞,會(huì)出現(xiàn)葉片卷曲、凋謝甚至誘發(fā)營(yíng)養(yǎng)元素缺乏,引發(fā)作物高溫危險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境及操作、生產(chǎn)人員生命造成危害。因此,監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)CO2含量, 對(duì)傳統(tǒng)增施方法和設(shè)備提供技術(shù)補(bǔ)充,方便實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、合理增施(X)2氣肥具有重要作用。但由于二氧化碳測(cè)量需要與空氣接觸,目前已有的產(chǎn)品不能夠滿足溫室環(huán)境,實(shí)際使用過(guò)程中高溫高濕環(huán)境會(huì)影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí),二氧化碳傳感器目前主要依賴國(guó)外,國(guó)外常用的產(chǎn)品采用NWR(非分光紅外)原理,如二氧化碳傳感器生產(chǎn)商GE 公司的T6004、6613,Alphasense的IRC-A1,韓國(guó)ELT公司的Η550等,產(chǎn)品功耗較大,平均功耗在0. 2W左右,峰值功耗近1W,響應(yīng)時(shí)間約30s。采用半導(dǎo)體原理如費(fèi)加羅TGS4160,功耗更大,響應(yīng)時(shí)間更慢,不適合在缺電的溫室大棚中使用。英國(guó)T-MAC技術(shù)公司采用EnOcean 的無(wú)線模塊構(gòu)建WIST (無(wú)線二氧化碳傳感器),為了解決能耗問(wèn)題,該產(chǎn)品采用太陽(yáng)能電池板,并降低測(cè)量頻率以提高電池使用壽命,但是該產(chǎn)品主要面向工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用,依然不能夠應(yīng)用到溫室大棚生產(chǎn)過(guò)程中。目前市面已有的WIST大都采用無(wú)線模塊加二氧化碳傳感器的方式構(gòu)建,主要應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)、暖通等環(huán)境。公開號(hào)為CN101881762A的中國(guó)專利申請(qǐng)“一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大范圍二氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”提出一種無(wú)線監(jiān)測(cè)方案,主要用于大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)。公開號(hào)為CN201387340的中國(guó)專利“一種二氧化碳遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置”提出一種采用GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))短信模塊的無(wú)線測(cè)量方法。公開號(hào)為CN201141847的中國(guó)專利也提出了類似的方案。在二氧化碳控制方面,一般采將二氧化碳采集與控制設(shè)備集成一體,通過(guò)一定的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳濃度的控制。例如,公開號(hào)為CN201145848的中國(guó)專利“日光溫室二氧化碳監(jiān)控儀”中提出以2000ppm為臨界點(diǎn)監(jiān)控溫室二氧化碳的濃度。在二氧化碳校對(duì)方面,公開號(hào)為CN101975839A的中國(guó)專利申請(qǐng)“0)2氣體傳感器在空氣中零點(diǎn)自校準(zhǔn)方法”提出一種在空氣環(huán)境中,利用測(cè)量值與空氣標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。公開號(hào)為CN101874735A的中國(guó)專利申請(qǐng)“一種用于二氧化碳濃度計(jì)算的多參數(shù)補(bǔ)償方法”主要針對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,充分考慮溫度、呼吸衰減等參數(shù)的影響進(jìn)行測(cè)量補(bǔ)償。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)“二氧化碳校準(zhǔn)氣體發(fā)生器的二氧化碳傳感器”通過(guò)內(nèi)部加熱機(jī)構(gòu)產(chǎn)生二氧化碳進(jìn)行自校準(zhǔn)。武曉利、張廣軍等(北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2003. (1) :59-62) 提出紅外二氧化碳傳感器動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)與改進(jìn),建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型提高二氧化碳測(cè)量的動(dòng)態(tài)特性。二氧化碳傳感器生產(chǎn)商GE提出“ABC_Logic”自校驗(yàn)方式,采用14天為一個(gè)校對(duì)周期,測(cè)量的二氧化碳濃度需要降低到室外濃度至少3次,系統(tǒng)將會(huì)記錄該最低的讀數(shù),每 24小時(shí)為一個(gè)分析周期。如果發(fā)現(xiàn)對(duì)該基準(zhǔn)讀數(shù)有統(tǒng)計(jì)差別,校對(duì)因數(shù)將被考慮加到以后的(X)2濃度讀數(shù)中,ABC_Logic系統(tǒng)需要被連續(xù)運(yùn)行3周才能校準(zhǔn)完成。由此可見,現(xiàn)有技術(shù)的方案主要是針對(duì)工業(yè)、暖通、化工、環(huán)境等領(lǐng)域應(yīng)用,二氧化碳測(cè)量與控制技術(shù)比較成熟,相關(guān)不同測(cè)量原理的傳感器都有相應(yīng)的成熟解決方案,在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)大都采用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案,由于二氧化碳測(cè)量需要和空氣充分接觸,很多在其它領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)品在高溫高濕環(huán)境下其測(cè)量精度和穩(wěn)定性得到很大考驗(yàn),很多傳感器會(huì)發(fā)生測(cè)量漂移,嚴(yán)重會(huì)損壞價(jià)格不菲的傳感器,造成一定的損失,因此需要在設(shè)施生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量方式及結(jié)構(gòu)做出調(diào)整,以滿足特殊環(huán)境下準(zhǔn)確測(cè)量。由于傳感器很多采用紅外光電監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體、電化學(xué)等原理進(jìn)行采集,國(guó)內(nèi)缺少成熟產(chǎn)品,很多產(chǎn)品依賴進(jìn)口探頭。目前業(yè)內(nèi)傳感器功耗較大,應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面在能量消耗方面較大,很多采用大電池、太陽(yáng)能方式進(jìn)行能源補(bǔ)充,不能夠滿足無(wú)能源補(bǔ)充的設(shè)施環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量,需要在能源消耗方面做出優(yōu)化。溫室施加(X)2過(guò)程的控制程序在溫室氣候控制系統(tǒng)中是一個(gè)最復(fù)雜的控制過(guò)程, 因?yàn)檫@一控制過(guò)程與溫室氣候控制系統(tǒng)中的很多環(huán)境條件有關(guān)系,它必須對(duì)許多環(huán)境條件的變化隨時(shí)做出響應(yīng)。溫室種植作物對(duì)CO2的準(zhǔn)確消耗量是隨時(shí)變化的,而且(X)2消耗也受到環(huán)境溫度、日照輻射和作物不同的生長(zhǎng)期等因素的影響,目前(X)2施肥很多依據(jù)(X)2測(cè)量?jī)x器的數(shù)值和個(gè)人經(jīng)驗(yàn),并沒有考慮其它環(huán)境因素的影響。目前二氧化碳校對(duì)很多是采用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校對(duì),需要笨重昂貴的氣體發(fā)生裝置或購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)氣體校對(duì),操作復(fù)雜。同時(shí)在校對(duì)、測(cè)量過(guò)程中,人、動(dòng)植物的影響較大。尤其在溫室生產(chǎn)環(huán)境下,往往需要將傳感器返回原廠進(jìn)行校對(duì),耗時(shí)長(zhǎng),因此會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生較大的不利影響。
發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)一種適用于溫室環(huán)境的二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)系統(tǒng)和方法。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種適用于溫室環(huán)境的二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)系統(tǒng),包括相互連接的無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置和無(wú)線控制裝置,無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置安裝在溫室環(huán)境中,無(wú)線控制裝置安裝在溫室操作間;所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置用于采集溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值、空氣溫度和濕度數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)不同作物在不同生長(zhǎng)期氣肥的標(biāo)準(zhǔn)值,所采集的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值作為二氧化碳濃度施肥時(shí)機(jī)和施肥量的決策依據(jù),還用于以多種校對(duì)方式進(jìn)行二氧化碳校對(duì);所述無(wú)線控制裝置用于通過(guò)獲取來(lái)自所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)值和控制指令來(lái)進(jìn)行二氧化碳施肥控制。優(yōu)選地,所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置包括第一微處理器、無(wú)線二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、光合有效輻射傳感器、第一無(wú)線傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,其中,無(wú)線二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、光合有效輻射傳感器、第一無(wú)線傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊分別與第一微處理器連接;所述第一無(wú)線傳輸模塊用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置與所述無(wú)線控制裝置間的無(wú)線傳輸,所述無(wú)線二氧化碳傳感器、光合有效輻射傳感器和溫濕度傳感器分別用于采集溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值以及空氣溫度和濕度數(shù)據(jù),所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)不同作物在不同生長(zhǎng)期氣肥的標(biāo)準(zhǔn)值,所述第一微處理器用于控制所述無(wú)線二氧化碳傳感器、光合有效輻射傳感器和溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并用于從控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊獲取所述標(biāo)準(zhǔn)值,依據(jù)所采集的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值做出二氧化碳濃度施肥時(shí)機(jī)和施肥量的控制決策。優(yōu)選地,所述無(wú)線控制裝置包括第二微處理器、第二無(wú)線傳輸模塊、驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路、隔離防護(hù)電路和雙向可控硅,其中,所述第二無(wú)線傳輸模塊和驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路分別與第二微處理器連接,所述驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路、隔離防護(hù)電路和雙向可控硅依次相連,所述第二無(wú)線傳輸模塊與第一無(wú)線傳輸模塊連接;所述第二微處理器用于根據(jù)所述數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)值據(jù)和控制指令通過(guò)驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路、隔離防護(hù)電路和控制雙向可控硅來(lái)進(jìn)行二氧化碳施肥控制。優(yōu)選地,所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置還包括保護(hù)罩、白色塑料盤、電路板和防護(hù)盒;其中,所述第一微處理器、無(wú)線二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、光合有效輻射傳感器、 第一無(wú)線傳輸模塊均安裝在所述電路板上;所述電路板固定于防護(hù)盒內(nèi),所述保護(hù)罩包括多個(gè)所述白色塑料盤;所述防護(hù)盒固定于白色塑料盤上,且位于所述保護(hù)罩內(nèi)。優(yōu)選地,所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置還包括固定件、天線、光傳感器接口和天線饋線接口 ;其中,所述光合有效輻射傳感器接口及天線饋線接口安裝在所述電路板上;所述光合有效輻射傳感器和天線固定于所述固定件上,并分別連接到所述光合有效輻射傳感器接口及天線饋線接口上。優(yōu)選地,所述溫濕度傳感器和無(wú)線二氧化碳傳感器焊接于所述電路板8上。優(yōu)選地,所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置還包括供電電源和升壓電路及多路電源開關(guān),所述供電電源通過(guò)升壓電路及多路電源開關(guān)與所述第一微處理器模塊連接,用于為無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置的各個(gè)模塊供電。優(yōu)選地,所述無(wú)線控制裝置還包括變壓及防護(hù)設(shè)備和電源轉(zhuǎn)換電路,所述變壓及防護(hù)設(shè)備通過(guò)所述電源轉(zhuǎn)換電路與所述第二微處理器連接,用于對(duì)來(lái)自電網(wǎng)的高壓電進(jìn)行變壓與防護(hù),并通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路為無(wú)線控制裝置的各個(gè)模塊供電。優(yōu)選地,第一微處理器和第二微處理器均采用MSP430F2132芯片。本發(fā)明還提供了一種利用所述系統(tǒng)進(jìn)行溫室環(huán)境的二氧化碳測(cè)控的方法,包括以下步驟Si、所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置獲取無(wú)線二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、光合有效輻射傳感器所采集的溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值、空氣溫度和濕度數(shù)據(jù),并將采集的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中所存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)送到無(wú)線控制裝置中;S2、所述無(wú)線控制裝置將所采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行相關(guān)比較,如果符合相關(guān)條件且具有施肥設(shè)備則開啟施肥泵;如果不符合相關(guān)條件或沒有施肥設(shè)備則打開風(fēng)機(jī)或天窗通風(fēng)。本發(fā)明還提供了一種利用所述系統(tǒng)進(jìn)行溫室環(huán)境的二氧化碳校對(duì)的方法,包括以
Al、所述無(wú)線控制裝置對(duì)無(wú)線二氧化碳傳感器設(shè)定校對(duì)方式,當(dāng)無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置獲得校對(duì)指令,就進(jìn)入校對(duì)模式;A2、無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置判斷進(jìn)入哪種校對(duì)模式,當(dāng)為校對(duì)模式0時(shí),把無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置放到溫室外部,無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置打開第一微處理器的時(shí)鐘并以一定的時(shí)間間隔測(cè)量二氧化碳濃度,比較前后兩次測(cè)量值的差值,當(dāng)連續(xù)存在差值小于一定閾值的濃度η次時(shí),則判定當(dāng)前二氧化碳濃度為大氣中的濃度,采用一定的數(shù)值校對(duì)當(dāng)前讀數(shù),η為正整數(shù);當(dāng)為校對(duì)模式1時(shí),將無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置放到溫室環(huán)境中,提高二氧化碳的測(cè)量頻率,計(jì)算前后兩次的測(cè)量數(shù)據(jù)變化率,跟蹤溫室內(nèi)部二氧化碳變化拐點(diǎn),并通過(guò)存儲(chǔ)在無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置中的二氧化碳濃度值進(jìn)行校對(duì);當(dāng)為校對(duì)模式2時(shí),將無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置置于無(wú)二氧化碳環(huán)境中進(jìn)行零點(diǎn)校對(duì);當(dāng)為校對(duì)模式3時(shí),無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置采集溫室環(huán)境的溫度濕度數(shù)據(jù),并調(diào)用溫濕度校準(zhǔn)曲線對(duì)無(wú)線二氧化碳傳感器進(jìn)行校對(duì),實(shí)現(xiàn)溫濕度補(bǔ)償。(三)有益效果本發(fā)明提供了一種適用于溫室環(huán)境的無(wú)線二氧化碳測(cè)、控、校一體化解決方案,通過(guò)整體測(cè)量結(jié)構(gòu)與封裝的優(yōu)化滿足設(shè)備在溫室環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行,利用無(wú)線技術(shù)將測(cè)量設(shè)備與控制設(shè)備分離,綜合光合有效輻射、溫濕度等環(huán)境影響,改變傳統(tǒng)施氣肥方式, 提供可靠的二氧化碳環(huán)境測(cè)控模式。同時(shí),提供在線空氣環(huán)境輔助校準(zhǔn)、設(shè)施二氧化碳變化速率跟蹤校準(zhǔn)、高溫高濕補(bǔ)償?shù)榷喾N校準(zhǔn)模式,直接在溫室環(huán)境下遠(yuǎn)程校對(duì),降低校對(duì)難度,提高傳感器測(cè)量精度,為溫室環(huán)境下二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)、二氧化碳施肥提供可靠準(zhǔn)確的依據(jù)。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)示意圖及其實(shí)施方式示意;圖2為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)中無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置的第一部分結(jié)構(gòu)示意圖;圖3為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)中無(wú)線控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖及其實(shí)施方式示
辰、 圖4、圖5為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)中無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置的第二、第三部分結(jié)構(gòu)示意圖;圖6為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳施肥的測(cè)控邏輯示意;圖7為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳施肥的校對(duì)邏輯示意。其中,1保護(hù)罩;2鐵質(zhì)固定件;3光合有效輻射傳感器;4天線;5、7螺絲;6白色塑料盤;8電路板;9溫濕度傳感器;10防護(hù)盒;11光合有效輻射傳感器接口 ; 12天線饋線接口 ; 13-1第一微處理器;13-2第二微處理器;14無(wú)線二氧化碳傳感器;15底部接口裝置; 16無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置;17施肥泵;18無(wú)線控制裝置;19通風(fēng)設(shè)備;20供電電源;21_1 第一無(wú)線傳輸模塊;21-2第二無(wú)線傳輸模塊;22數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊;23段碼液晶屏變壓及防護(hù)設(shè)備;25電源轉(zhuǎn)換電路J6驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路;27隔離防護(hù)電路;觀雙向可控硅;29 風(fēng)機(jī);30天窗;31升壓電路及多路電源開關(guān);32溫室環(huán)境;33溫室操作間。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明,但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示,依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)包括無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16、無(wú)線控制裝置18,無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16安裝在溫室環(huán)境32中,無(wú)線控制裝置18安裝在溫室操作間33,無(wú)線控制裝置18連接施肥泵17(本實(shí)施例中為二氧化碳施肥泵),風(fēng)機(jī)四或天窗 30。通過(guò)無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16與無(wú)線控制裝置18之間的通信,實(shí)現(xiàn)二氧化碳施肥、校對(duì)自動(dòng)化、智能化。圖1中的虛線所表示的模塊并非無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16的一部分, 僅用于示意其實(shí)施方式。如圖2所示,無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16包括第一微處理器13-1 (本實(shí)施例中采用 MSP430F2132芯片)、無(wú)線二氧化碳傳感器14 (GSS)、溫濕度傳感器9、光合有效輻射傳感器
3、供電電源20、第一無(wú)線傳輸模塊21-1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊22。其中,無(wú)線二氧化碳傳感器14、 溫濕度傳感器9、光合有效輻射傳感器3、供電電源20、第一無(wú)線傳輸模塊21-1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊22分別與第一微處理器13-1連接。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊22用于存儲(chǔ)不同作物在不同生長(zhǎng)期的二氧化碳?xì)夥蕵?biāo)準(zhǔn)值(即專家知識(shí)數(shù)據(jù)),所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16通過(guò)無(wú)線二氧化碳傳感器14、溫濕度傳感器 9以及光合有效輻射傳感器3采集溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值、空氣溫度和濕度數(shù)據(jù)并從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊22獲取標(biāo)準(zhǔn)值,所采集的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值作為二氧化碳濃度施肥時(shí)機(jī)和施肥量的決策依據(jù)。第一無(wú)線傳輸模塊21-1為無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16提供無(wú)線傳輸手段。供電電源20采用兩節(jié)5號(hào)電池,通過(guò)升壓電路及多路電源開關(guān)31為無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16的其它各個(gè)部件提供3. 3V電源,當(dāng)需要與某個(gè)部件通信時(shí)便打開該供電電源20,不通信時(shí)即關(guān)閉供電電源20,這樣可以降低系統(tǒng)功耗,延長(zhǎng)工作時(shí)間。如圖3所示,無(wú)線控制裝置18包括第二微處理器13-2、第二無(wú)線傳輸模塊21_2、 段碼液晶屏23、變壓及防護(hù)設(shè)備24、電源轉(zhuǎn)換電路25、驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路26、隔離防護(hù)電路27和雙向可控硅觀。無(wú)線控制裝置18通過(guò)第二無(wú)線傳輸模塊21-2獲得來(lái)自無(wú)線二氧化碳傳感器14、溫濕度傳感器9以及光合有效輻射傳感器3所采集的數(shù)據(jù)以及來(lái)自第一微處理器13-1的控制指令,該數(shù)據(jù)和控制指令經(jīng)過(guò)第二微處理器13-2(本實(shí)施例中采用 MSP430F2132芯片)處理,通過(guò)段碼液晶屏23顯示該數(shù)據(jù)和控制狀態(tài),第二微處理器13_2 通過(guò)驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路26、隔離防護(hù)電路27和控制雙向可控硅28對(duì)風(fēng)機(jī)四、天窗30或施肥泵17進(jìn)行開閉控制,從而來(lái)進(jìn)行二氧化碳施肥控制。電網(wǎng)中的變壓及防護(hù)設(shè)備M對(duì)高壓電進(jìn)行變壓與防護(hù),通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路25為無(wú)線控制裝置18的運(yùn)行供電。其中,驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路沈用于提高第二微處理器13-2的控制驅(qū)動(dòng)能力,為雙向可控硅觀提供可靠的驅(qū)動(dòng)及觸發(fā)信號(hào),隔離防護(hù)電路27用于對(duì)控制裝置18提供保護(hù),防止風(fēng)機(jī)和天窗等設(shè)備對(duì)控制裝置18產(chǎn)生電流反沖以及外部干擾(如雷擊、電磁干擾、電源擾動(dòng)等);雙向可控硅觀用于對(duì)風(fēng)機(jī)等電機(jī)設(shè)備提供開關(guān)、調(diào)速等操作。圖3中的虛線所表示的模塊并非無(wú)線控制裝置18的一部分,僅用于示意其實(shí)施方式。如圖4、圖5所示,無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16還包括保護(hù)罩1、鐵質(zhì)固定件2、天線
4、螺絲5、白色塑料盤6、螺絲7、電路板8、防護(hù)盒10、光合有效輻射傳感器接口11、天線饋線接口 12、底部接口裝置15。無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16的第一微處理器13-1、無(wú)線二氧化碳傳感器14、溫濕度傳感器9、光合有效輻射傳感器3、供電電源20、第一無(wú)線傳輸模塊 21-1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊22均安裝在電路板8上,電路板8通過(guò)四個(gè)螺絲7固定于透氣防護(hù)盒 10里,通過(guò)底部接口裝置15固定于白色塑料盤6上,并置于多個(gè)中間開孔的白色塑料盤6 組成的保護(hù)罩1中,為二氧化碳相關(guān)信息采集提供多層防護(hù),使整個(gè)無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16適合溫室的高溫高濕環(huán)境。保護(hù)罩1頂部采用鐵質(zhì)固定件2和螺絲5固定,光合有效輻射傳感器3和天線4固定于鐵固定件2上,并通過(guò)連接線分別連接到內(nèi)部電路板8的光合有效輻射傳感器接口 11及天線饋線接口 12。溫濕度傳感器9、二氧化碳傳感器14焊接于電路板8上。整個(gè)裝置16通過(guò)鐵質(zhì)固定件2可固定于溫室墻壁、橫梁或支撐柱上。本發(fā)明系統(tǒng)的測(cè)控原理如下如圖6所示,首先,無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16獲取無(wú)線二氧化碳傳感器14、溫濕度傳感器9、光合有效輻射傳感器3所采集的溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值、空氣溫度和濕度數(shù)據(jù),并將采集的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊22中所存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)送到控制裝置18中,控制裝置18將二者進(jìn)行相關(guān)比較,如果符合相關(guān)條件(指當(dāng)前二氧化碳濃度、光合有效輻射、溫濕度為合適的施肥環(huán)境)并具有施肥設(shè)備的情況下開啟二氧化碳施肥泵, 如果不符合相關(guān)條件或沒有施肥裝置即打開風(fēng)機(jī)或天窗通風(fēng)以提高溫室二氧化碳濃度。如果當(dāng)前光合有效輻射值低于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中的專家知識(shí)設(shè)置點(diǎn)、或者不處于合適施肥溫度、濕度范圍即關(guān)閉二氧化碳施肥泵,并等待合適的條件到來(lái)。通過(guò)多種環(huán)境因子綜合調(diào)控溫室二氧化碳濃度,容易獲得合適的二氧化碳施肥時(shí)機(jī),提高二氧化碳施肥效率,降低成本,提高產(chǎn)量和品質(zhì)。本發(fā)明系統(tǒng)的校對(duì)原理如下如圖7所示,系統(tǒng)具有4種校對(duì)方式,校對(duì)方式是通過(guò)無(wú)線控制裝置18對(duì)無(wú)線二氧化碳傳感器14進(jìn)行設(shè)定,當(dāng)無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16進(jìn)入時(shí)通過(guò)無(wú)線獲得校對(duì)指令,即進(jìn)入校對(duì)模式,并判斷進(jìn)入何種校對(duì)模式,當(dāng)為校對(duì)模式0時(shí),把無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16 放到溫室外部環(huán)境穩(wěn)定的地方,裝置16打開第一微處理器13-1的時(shí)鐘并以2分鐘的時(shí)間間隔測(cè)量二氧化碳濃度,并比較前后兩次測(cè)量值的差值,當(dāng)連續(xù)存在差值小于20ppm的濃度10次時(shí),即判定當(dāng)前二氧化碳濃度為大氣中的濃度,采用400ppm數(shù)值校對(duì)當(dāng)前讀數(shù);當(dāng)進(jìn)入校對(duì)模式1,裝置16將在溫室環(huán)境內(nèi)開展校對(duì),首先提高二氧化碳的測(cè)量頻率,并計(jì)算前后兩次的數(shù)據(jù)變化率,以跟蹤溫室內(nèi)二氧化碳濃度變化的拐點(diǎn),通過(guò)存儲(chǔ)在裝置16中的二氧化碳濃度值進(jìn)行校對(duì)。本模式根據(jù)設(shè)施生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳變化存在的一定規(guī)律,及晚上二氧化碳濃度增加、早上濃度會(huì)漸漸減少的趨勢(shì)來(lái)跟蹤獲取溫室內(nèi)濃度的拐點(diǎn),以準(zhǔn)確的固定值進(jìn)行校對(duì);當(dāng)進(jìn)入校對(duì)模式2時(shí),將無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16置于無(wú)二氧化碳環(huán)境,當(dāng)環(huán)境穩(wěn)定后,進(jìn)行零點(diǎn)校對(duì);當(dāng)進(jìn)入校對(duì)模式3時(shí)無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置16將采集環(huán)境溫度濕度,并調(diào)用溫濕度校準(zhǔn)曲線(由二氧化碳探頭廠商提供)對(duì)傳感器14進(jìn)行校對(duì),實(shí)現(xiàn)溫濕度補(bǔ)償,提高在設(shè)施環(huán)境中的測(cè)量精度。全部校對(duì)過(guò)程都是通過(guò)無(wú)線控制裝置18進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)操作,其中校對(duì)模式1 實(shí)現(xiàn)在溫室環(huán)境中直接校對(duì),將人畜、植物、環(huán)境的影響降到最低,減少校對(duì)成本,提高測(cè)量精度。由以上實(shí)施例可以看出,本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于
1、針對(duì)設(shè)施應(yīng)用,環(huán)境二氧化碳感知及采集通訊裝置采用多層防輻射罩、防水透氣密閉封裝等防護(hù)方式,即可滿足二氧化碳測(cè)量所需通風(fēng)透氣條件,亦能對(duì)感測(cè)探頭及電路在設(shè)施環(huán)境的多級(jí)防護(hù),實(shí)現(xiàn)設(shè)施高溫高濕環(huán)境下可靠測(cè)量;2、采用低功耗無(wú)線分立測(cè)控方式,設(shè)備之間可以相互通訊,利用測(cè)量結(jié)果結(jié)合存儲(chǔ)其中設(shè)施作物二氧化碳施肥知識(shí)庫(kù),根據(jù)測(cè)量的光合有效輻射、溫濕度、二氧化碳濃度, 綜合判斷最佳施肥時(shí)機(jī)、施肥量,為施肥者提供操作信息或控制施肥裝置和通風(fēng)裝置調(diào)節(jié)二氧化碳濃度,實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度智能調(diào)控,最大限度提高氣肥施肥效率,提高品質(zhì)和產(chǎn)量;3、結(jié)合無(wú)線技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)采用外部空氣環(huán)境輔助校準(zhǔn)、設(shè)施二氧化碳變化速率跟蹤校準(zhǔn)、高溫高濕度補(bǔ)償?shù)榷喾N校準(zhǔn)模式,可以在設(shè)施生產(chǎn)環(huán)境中直接校準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能自校準(zhǔn),將人畜、植物、環(huán)境的影響降為最低,減少校對(duì)成本,提高測(cè)量精度。與現(xiàn)有的技術(shù)比較,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、本發(fā)明優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用多種防護(hù)方式,使二氧化碳測(cè)量受設(shè)施環(huán)境影響最小;2、利用無(wú)線技術(shù)、多傳感器融合技術(shù),提出二氧化碳變化速率跟蹤校準(zhǔn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)在溫室二氧化碳多變環(huán)境中可靠校對(duì),降低校對(duì)成本,提高測(cè)量精度;3、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室二氧化碳測(cè)控過(guò)程中深入應(yīng)用,二氧化碳測(cè)量裝置與風(fēng)機(jī)、 天窗、施肥裝置分離,構(gòu)成二氧化碳測(cè)控集散裝置,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性;4、在完成傳感器校對(duì)過(guò)程中,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室溫濕度、光合有效輻射等參數(shù)測(cè)量, 并在操作室中的無(wú)線控制設(shè)備上顯示,方便實(shí)施環(huán)境調(diào)控措施實(shí)現(xiàn)溫室關(guān)鍵參數(shù)的采集。以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和變型,這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種適用于溫室環(huán)境的二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)系統(tǒng),其特征在于,包括相互連接的無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)和無(wú)線控制裝置(18),無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)安裝在溫室環(huán)境(32)中,無(wú)線控制裝置(18)安裝在溫室操作間(33);所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)用于采集溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值、空氣溫度和濕度數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)不同作物在不同生長(zhǎng)期氣肥的標(biāo)準(zhǔn)值,所采集的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值作為二氧化碳濃度施肥時(shí)機(jī)和施肥量的決策依據(jù),還用于以多種校對(duì)方式進(jìn)行二氧化碳校對(duì);所述無(wú)線控制裝置(18)用于通過(guò)獲取來(lái)自所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)的數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)值和控制指令來(lái)進(jìn)行二氧化碳施肥控制。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)包括第一微處理器(13-1)、無(wú)線二氧化碳傳感器(14)、溫濕度傳感器(9)、光合有效輻射傳感器(3)、 第一無(wú)線傳輸模塊01-1)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(22),其中,無(wú)線二氧化碳傳感器(14)、溫濕度傳感器(9)、光合有效輻射傳感器(3)、第一無(wú)線傳輸模塊Q1-1)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊02)分別與第一微處理器(13-1)連接;所述第一無(wú)線傳輸模塊01-1)用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)與所述無(wú)線控制裝置(18)間的無(wú)線傳輸,所述無(wú)線二氧化碳傳感器(14)、光合有效輻射傳感器C3)和溫濕度傳感器(9)分別用于采集溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值以及空氣溫度和濕度數(shù)據(jù),所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊0 用于存儲(chǔ)不同作物在不同生長(zhǎng)期氣肥的標(biāo)準(zhǔn)值,所述第一微處理器(13-1)用于控制所述無(wú)線二氧化碳傳感器(14)、光合有效輻射傳感器( 和溫濕度傳感器(9)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并用于從控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊0 獲取所述標(biāo)準(zhǔn)值,依據(jù)所采集的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值做出二氧化碳濃度施肥時(shí)機(jī)和施肥量的控制決策。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述無(wú)線控制裝置(18)包括第二微處理器 (13-2)、第二無(wú)線傳輸模塊(21-2)、驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路(沈)、隔離防護(hù)電路(XT)和雙向可控硅( ),其中,所述第二無(wú)線傳輸模塊01- 和驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路06)分別與第二微處理器(13- 連接,所述驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路(沈)、隔離防護(hù)電路(XT)和雙向可控硅 (28)依次相連,所述第二無(wú)線傳輸模塊01-2)與第一無(wú)線傳輸模塊01-1)連接;所述第二微處理器(13- 用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)值和控制指令通過(guò)驅(qū)動(dòng)及過(guò)零檢測(cè)電路(26)、隔離防護(hù)電路(XT)和控制雙向可控硅08)來(lái)進(jìn)行二氧化碳施肥控制。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)還包括保護(hù)罩(1)、白色塑料盤(6)、電路板⑶和防護(hù)盒(10);其中,所述第一微處理器(13-1)、無(wú)線二氧化碳傳感器(14)、溫濕度傳感器(9)、光合有效輻射傳感器(3)、第一無(wú)線傳輸模塊 (21-1)均安裝在所述電路板(8)上;所述電路板(8)固定于防護(hù)盒(10內(nèi),所述保護(hù)罩包括多個(gè)所述白色塑料盤(6);所述防護(hù)盒(10)固定于白色塑料盤(6)上,且位于所述保護(hù)罩(1)內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng),其特征在于,所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)還包括固定件、天線G)、光合有效輻射傳感器接口(11)和天線饋線接口(12);其中,所述光合有效輻射傳感器接口(11)及天線饋線接口(1 安裝在所述電路板(8)上;所述光合有效輻射傳感器C3)和天線固定于所述固定件( 上,并分別連接到所述光合有效輻射傳感器接口(11)及天線饋線接口(12)上。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述溫濕度傳感器(9)和無(wú)線二氧化碳傳感器(14)焊接于所述電路板(8)上。
7.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)還包括供電電源00)和升壓電路及多路電源開關(guān)(31),所述供電電源OO)通過(guò)升壓電路及多路電源開關(guān)(31)與所述第一微處理器模塊(13-1)連接,用于為無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)的各個(gè)模塊供電。
8.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其特征在于,所述無(wú)線控制裝置(18)還包括變壓及防護(hù)設(shè)備04)和電源轉(zhuǎn)換電路(25),所述變壓及防護(hù)設(shè)備04)通過(guò)所述電源轉(zhuǎn)換電路05)與所述第二微處理器(13-2)連接,用于對(duì)來(lái)自電網(wǎng)的高壓電進(jìn)行變壓與防護(hù),并通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路05)為無(wú)線控制裝置(18)的各個(gè)模塊供電。
9.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其特征在于,第一微處理器(13-1)和第二微處理器 (13-3)均采用 MSP430F2132 芯片。
10.一種利用權(quán)利要求1 9之一所述的系統(tǒng)進(jìn)行溫室環(huán)境的二氧化碳測(cè)控的方法,其特征在于,包括以下步驟51、所述無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)獲取無(wú)線二氧化碳傳感器(14)、溫濕度傳感器 (9)、光合有效輻射傳感器C3)所采集的溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值、空氣溫度和濕度數(shù)據(jù),并將采集的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊0 中所存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)送到無(wú)線控制裝置(18)中;52、所述無(wú)線控制裝置(18)將所采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行相關(guān)比較,如果符合相關(guān)條件且具有施肥設(shè)備則開啟施肥泵;如果不符合相關(guān)條件或沒有施肥設(shè)備則打開風(fēng)機(jī)或天窗通風(fēng)。
11.一種利用權(quán)利要求1 9之一所述的系統(tǒng)進(jìn)行溫室環(huán)境的二氧化碳校對(duì)的方法,其特征在于,包括以下步驟Al、所述無(wú)線控制裝置(18)對(duì)無(wú)線二氧化碳傳感器(14)設(shè)定校對(duì)方式,當(dāng)無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)獲得校對(duì)指令,就進(jìn)入校對(duì)模式;A2、無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)判斷進(jìn)入哪種校對(duì)模式,當(dāng)為校對(duì)模式O時(shí),把無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)放到溫室外部,無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)打開第一微處理器 (13-1)的時(shí)鐘并以一定的時(shí)間間隔測(cè)量二氧化碳濃度,比較前后兩次測(cè)量值的差值,當(dāng)連續(xù)存在差值小于一定閾值的濃度η次時(shí),則判定當(dāng)前二氧化碳濃度為大氣中的濃度,采用一定的數(shù)值校對(duì)當(dāng)前讀數(shù),η為正整數(shù);當(dāng)為校對(duì)模式1時(shí),將無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16) 放到溫室環(huán)境中,提高二氧化碳的測(cè)量頻率,計(jì)算前后兩次的測(cè)量數(shù)據(jù)變化率,跟蹤溫室內(nèi)部二氧化碳變化拐點(diǎn),并通過(guò)存儲(chǔ)在無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)中的二氧化碳濃度值進(jìn)行校對(duì);當(dāng)為校對(duì)模式2時(shí),將無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)置于無(wú)二氧化碳環(huán)境中進(jìn)行零點(diǎn)校對(duì);當(dāng)為校對(duì)模式3時(shí),無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)采集溫室環(huán)境的溫度濕度數(shù)據(jù),并調(diào)用溫濕度校準(zhǔn)曲線對(duì)無(wú)線二氧化碳傳感器(14)進(jìn)行校對(duì),實(shí)現(xiàn)溫濕度補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明涉及設(shè)施生產(chǎn)二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)技術(shù)領(lǐng)域。公開了一種適用于溫室環(huán)境的二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)系統(tǒng)、方法,系統(tǒng)包括無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)和無(wú)線控制裝置(18);無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)用于采集溫室二氧化碳施肥濃度、光合有效輻射值、空氣溫度和濕度數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)不同作物在不同生長(zhǎng)期氣肥標(biāo)準(zhǔn)值并作為二氧化碳濃度施肥時(shí)機(jī)、施肥量的決策依據(jù);無(wú)線控制裝置(18)用于獲取來(lái)自無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)的數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)值和控制指令進(jìn)行二氧化碳施肥控制。無(wú)線二氧化碳測(cè)量裝置(16)采用氣體濃度變化速率跟蹤、室外氣體濃度、溫濕度補(bǔ)償?shù)刃?duì)方式進(jìn)行二氧化碳校對(duì)。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境下的二氧化碳的測(cè)控與校對(duì)。
文檔編號(hào)G01N33/00GK102523954SQ201110452470
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者吳文彪, 張馨, 田洪武, 趙春江, 鄭文剛, 鮑鋒 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心