于鎵，楊延榮，趙輝，單慧勇，郭俊旺，衛(wèi)勇

溫室CO2氣肥增施控制器的設計

于鎵1,2，楊延榮1,通信作者，趙輝1，單慧勇1，郭俊旺1，衛(wèi)勇1

（1. 天津農(nóng)學院 工程技術學院，天津 300392；2. 天津龍川潔凈室運行管理有限公司，天津 300384）

為實現(xiàn)溫室內(nèi)CO2氣肥的精準控制，設計基于開源系統(tǒng)Arduino Mega 2560的CO2氣肥增施控制器。系統(tǒng)選擇MH-Z14、BH1750、SHT10、DS18B20等傳感器實現(xiàn)CO2濃度、光照強度、空氣溫度濕度、土壤溫度等環(huán)境參數(shù)采集，采用2G容量SD卡實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)海量存貯，LCD12864和4x4小鍵盤實現(xiàn)人機交互，通過遙控繼電器輸出控制氣肥發(fā)生器。采用模糊控制算法根據(jù)預設參數(shù)控制氣肥發(fā)生器的工作時長，實現(xiàn)溫室內(nèi)氣肥環(huán)境的調(diào)控。設計完成的氣肥增施控制器具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存貯、參數(shù)設置、自動報警、24 h內(nèi)極值數(shù)據(jù)查詢、氣肥發(fā)生器調(diào)控等功能；氣肥調(diào)控模式包括手動設置反應時間、手動設置目標濃度自動跟蹤、智能選擇目標濃度自動跟蹤三種模式。與課題組自制電加熱氣肥發(fā)生器聯(lián)合測試表明，氣肥增施控制器實現(xiàn)了預定設計功能。

溫室；CO2氣肥；模糊控制；Arduino Mega 2560

在封閉的設施溫室生產(chǎn)中，增施CO2氣肥是一種有效的增產(chǎn)提質(zhì)技術。傳統(tǒng)的氣肥增施方法有化學反應法、有機肥發(fā)酵法、通風換氣法、燃燒法等，均無法精準控制CO2的產(chǎn)氣速率，從而無法實現(xiàn)設施內(nèi)CO2濃度的精準實時調(diào)控[1-5]。鑒于此，以課題組自主研發(fā)的負壓電加熱型氣肥發(fā)生器作為氣源[6]，設計配套CO2氣肥補施控制器，探索實現(xiàn)設施溫室中CO2氣肥濃度的精準調(diào)控。

1 控制器整體設計

1.1 控制器功能分析

設施溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度等都是影響作物光合作用和CO2吸收效率的關鍵因素。如光照不足時，光合作用效率低，此時CO2過度補充將導致CO2濃度過高，影響作物的正常呼吸代謝。因此，高效CO2調(diào)控需要實時監(jiān)測溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強度等因素，并結合作物光合作用需求，決策CO2氣肥的調(diào)控[7-8]。

（1）數(shù)據(jù)采集功能

可對溫室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、土壤溫度、時間、當前發(fā)生器累計工作時間等參數(shù)進行采集[9]。采集頻率可自主設定，默認為1次/min。

（2）數(shù)據(jù)處理功能

可實時監(jiān)測顯示所采集的物理參數(shù)、時間日期等；可設定各環(huán)境參數(shù)正常范圍，當采集數(shù)據(jù)超過正常范圍時，對應數(shù)據(jù)顯示異常并啟動報警；具備數(shù)據(jù)存貯功能，依據(jù)設置的固定時間間隔存儲，默認3 min存儲一次。

（3）參數(shù)設定功能

不同種類環(huán)境參數(shù)檢測傳感器的選擇設定，以及時間調(diào)整設定、作物種類選擇、生長周期選擇等系統(tǒng)參數(shù)設置。

（4）控制輸出決策

系統(tǒng)設計具有三種控制模式：手動模式下設定反應器工作時間；自動模式下設定目標濃度；智能控制模式下依據(jù)用戶設定作物的種類、作物生長周期及采集的溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)等，由控制器內(nèi)置模型自主決策，實時調(diào)整系統(tǒng)目標濃度，動態(tài)優(yōu)化控制。

1.2 控制器總體方案設計

系統(tǒng)采用Arduino Mega 2560為主控制器，各功能模塊組成如圖1所示[10]。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 傳感器的選擇

溫濕度傳感器采用SHT10溫濕度傳感器，濕度測量范圍：0～100%，溫度測量范圍：-40.0～123.8 ℃；光照度選擇BH1750數(shù)字型光照傳感器，其量程為1～65 535 lx；CO2濃度傳感器選用河南鄭州煒盛電子科技有限公司的MH-Z14模塊，測量范圍為0～5 000 μmol/mol；土壤溫度傳感器采用美國達拉斯公司DS18B20，測溫范圍為-55～125 ℃，增量值為0.5 ℃，為了適應土壤溫度測量，傳感器外部用不銹鋼護套進行防護處理[11]。

2.2 驅動控制模塊設計

氣肥發(fā)生器采用電加熱碳酸氫銨的原理工 作[6]，在二代系統(tǒng)設計中，為便于布線，控制器與發(fā)生器之間通過無線通訊進行控制，實測溫室內(nèi)有遮擋情況下可靠通訊距離可達100 m，滿足溫室內(nèi)的使用環(huán)境需求。

2.3 SD卡接口設計

系統(tǒng)采用2GB的SD卡存儲數(shù)據(jù)，通過SPI接口與Arduino Mega 2560通訊。

2.4 時鐘接口

時鐘芯片采用DS1307，可提供年月日時分秒信息，內(nèi)置閏年補償。

2.5 報警模塊設計

在系統(tǒng)工作狀態(tài)異常時將有聲音報警，如發(fā)生器反應時間已到最大反應時間而未采取措施，或者檢測系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)長時間異常而未采取措施等狀態(tài)下，控制器發(fā)出聲音報警。報警電路采用蜂鳴器報警模塊。

3 系統(tǒng)人機界面設計

3.1 顯示界面功能設計

主界面顯示當前時間和環(huán)境參數(shù)值及系統(tǒng)運行狀態(tài)，如控制模式、反應時間等；參數(shù)設定界面可設置溫度、濕度、光強、CO2濃度報警值，手動、自動、智能控制模式及系統(tǒng)時間。顯示主界面從上到下第一行顯示控制模式、發(fā)生器工作狀態(tài)，第二行顯示當前CO2濃度和目標CO2濃度，第三行顯示溫濕度、光照強度，第四行顯示發(fā)生器的工作時間和剩余反應時間，第五行顯示時間日期。各個子頁面分別顯示詳細的參數(shù)信息或參數(shù)設定信息?？刂破鹘缑嫒鐖D2所示。由于信息量較大，從而選用LCD12864顯示屏，采用SPI方式和控制器通訊。

3.2 鍵盤接口設計

選擇使用4×4薄膜矩陣鍵盤，結合按鈕輸入，可方便輸入各種參數(shù)進行設置，查看各種參數(shù)及報警信息。

系統(tǒng)設置三個模式切換按鈕，控制發(fā)生器的啟動/停止按鈕、查看以及參數(shù)設定。按下“設定”按鈕后，通過矩陣鍵盤可以設置當前界面的參數(shù)，再按矩陣鍵盤的“*”鍵可以翻頁、設置其他參數(shù)，“#”鍵為確認輸入鍵。按下“查看”按鈕后，可以查看CO2濃度、土壤溫度、光照強度、溫度、濕度是否正常及各參數(shù)的歷史極值等信息。按下“啟動/停止”按鈕，可以控制發(fā)生器的工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 系統(tǒng)總體流程圖

軟件系統(tǒng)設計采用模塊化方式[12]，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4.2 模糊控制器設計

4.2.1 模糊控制器基本結構

系統(tǒng)設計采用二維模糊控制器作為氣肥發(fā)生器的控制器[13-15]，選擇CO2濃度偏差和偏差的變化率作為模糊控制器的兩個輸入變量。濃度偏差（）為決策控制器判定的適宜CO2濃度CO2（）與系統(tǒng)實時采集的當前CO2濃度CO2（）之間的差，如式（1）所示。用當前CO2濃度偏差（）和前一個時刻CO2濃度采樣值偏差（-1）作差，得到濃度偏差的偏差變化率（），如式（2）所示。

（）＝CO2（opt）－CO2（） （1）

（）＝（）－（-1） （2）

其中，—采樣周期；（）時刻CO2濃度偏差；（）時刻CO2濃度偏差變化率。

模糊控制器結構如圖4所示，對輸入信息CO2濃度偏差和偏差的變化率分別模糊化，再由、和模糊控制規(guī)則根據(jù)推理合成規(guī)則進行模糊推理，得到模糊控制量，最后將該模糊控制量解模糊，從而得到控制量，施加于被控對象。

4.2.2 模糊控制器輸入輸出語言變量

考慮到溫室CO2氣肥調(diào)控的實際情況和控制精度，確定溫室的CO2濃度偏差變化范圍的基本論域為[-150 μmol/mol，150 μmol/mol]，偏差變化率的基本論域為[-20 μmol/（mol·min），20 μmol/（mol·min），以CO2發(fā)生器工作時間作為控制器的輸出變量，其基本論域定為[0 min，30 min]。

4.2.3 輸入輸出模糊變量賦值

依據(jù)控制的實際要求，系統(tǒng)選擇形狀簡單、計算量小、且與其它隸屬度函數(shù)控制結果差別較小的三角形隸屬函數(shù)，對輸入變化量、和輸出量進行賦值。

4.2.4 模糊決策控制規(guī)則

考慮到模糊控制器為雙輸入單輸出模式，設計控制規(guī)則按照“if-and-then”形式編寫。根據(jù)溫室生產(chǎn)與科研人員長期積累的經(jīng)驗，模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 輸出模糊變量U的模糊控制規(guī)則表

4.2.5 模糊控制規(guī)則量化表

由于模糊推理和反模糊推理計算量較大，在實際應用中一般采用離線計算法獲得輸出量的模糊控制規(guī)則輸出量化表，再輸入到計算機或控制器當中，減少計算機的工作運算負擔。采用最大隸屬度法解模糊策略，模糊控制規(guī)則量化表如表2所示。

設計控制器將模糊規(guī)則計算出的量化值乘以輸出比例因子，作為發(fā)生器動作依據(jù)。

表2 輸出量U的模糊控制規(guī)則量化表

5 系統(tǒng)測試

圖5為冬季溫室番茄系統(tǒng)工作前后溫室中CO2濃度變化趨勢情況。系統(tǒng)未工作時，隨著光照強度逐漸加強，8:20后溫室中CO2濃度迅速下降至300 μmol/mol左右，該濃度水平一直保持到16:30后才逐漸上升，表明溫室內(nèi)只通過通風來補充CO2已經(jīng)不能滿足作物的需求。氣肥控制器工作在智能控制模式，采用內(nèi)置作物光合模型，結合設施內(nèi)溫度與光照參數(shù)，進行有限CO2氣肥資源優(yōu)化決策，當檢測到溫室中CO2濃度下降到預設閾值后開始補施CO2，在補施過程中，溫室內(nèi)CO2濃度保持在600 μmol/mol以上；15:00后補施量逐漸下降，17:30后系統(tǒng)停止補施，設施內(nèi)CO2濃度與未補施前基本持平。

6 結束語

為了實現(xiàn)對溫室內(nèi)CO2濃度的精準調(diào)控，設計以Arduino為控制核心的氣肥精準補施控制器，實現(xiàn)對溫室內(nèi)主要環(huán)境信息：溫度、濕度、光照強度、CO2濃度的采集和海量存儲；適應不同控制需求，系統(tǒng)設計手動、自動、智能三種控制方式。與課題組自主研發(fā)電加熱氣肥發(fā)生器聯(lián)合測試結果表明，該控制器可實現(xiàn)溫室內(nèi)CO2濃度的優(yōu)化調(diào)節(jié)，更好地滿足作物生長需求。

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Design of carbon dioxide gas fertilize control system for greenhouse

Yu Jia1,2, Yang Yanrong1,Corresponding Author, Zhao Hui1, Shan Huiyong1, Guo Junwang1, Wei Yong1

（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China; 2. Tianjin Longchuan Cleanroom Operations Management Co. Ltd., Tianjin 300384, China）

In order to realize the precise control of carbon dioxide gas fertilizer in the greenhouse, a carbon dioxide gas fertilizer application control system was designed, which was based on the open source system Arduino Mega 2560. The system selects MH-Z14, BH1750, SHT10, DS18B20 and other sensors to collect environmental parameters such as carbon dioxide concentration, light intensity, air temperature and humidity, soil temperature, etc., uses 2G capacity SD card to achieve mass storage of test data, LCD12864 and 4x4 keypads to achieve human machine interaction, through the remote control relay output to control the gas fertilizer generator. The fuzzy control algorithm was adopted to control the working hours of the gas fertilizer generator according to the present parameters to realize the control of the greenhouse gas fertilizer environment. The designed controller has the functions of data acquisition, data storage, parameter setting, automatic alarm, extreme data query in 24 hours, and gas fertilizer generator control. The gas fertilizer control mode includes three modes: manual setting of reaction time, manual setting of target concentration automatic tracking and intelligent selection of target concentration automatic tracking. The actual test of the electric heating gas fertilizer generator made by the project group shows that the air fertilizer application controller can realize the designed function.

greenhouse; carbon dioxide gas fertilizer; fuzzy control; Arduino Mega 2560

TP273.4；

A

1008-5394（2021）02-0067-05

10.19640/j.cnki.jtau.2021.02.014

2020-10-09

天津市企業(yè)優(yōu)秀科技特派員項目（19JCTPJC56700）；天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉化與推廣項目（201703080）

于鎵（1989—），男，助理工程師，碩士，主要從事電氣自動化方面的研究。E-mail：yujia198908@foxmail.com。

楊延榮（1976—），女，講師，碩士，主要從事機電一體化技術方面的研究。E-mail：tjshyyr@sina.com。

責任編輯：楊霞