家庭植物工廠環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)設計.pdf

2018年 選用荷蘭17馬鈴薯品種與遼雜37等6個早熟高粱品種 在營口市鲅魚圈區(qū)熊岳鎮(zhèn)進行復種 關鍵詞 營口地區(qū) 馬鈴薯 高粱 復種 生育期 S 532 S 514 A 1671 0517 2020 05 0000 00 近年來 家庭植物工廠逐漸進入大眾視野 在品種 營養(yǎng)液一定的情況下 栽培室內(nèi)環(huán)境對果蔬生產(chǎn)效果起到 決定性作用 構建家庭植物工廠作物生產(chǎn)的最適環(huán)境條 件 將環(huán)境因子調(diào)控在最適宜作物生長的范圍內(nèi) 為家庭 植物工廠生產(chǎn)提供有力支撐 是獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果蔬的有力 保證 學者們借鑒人工光型植物工廠的設計經(jīng)驗 在家庭植 物工廠環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)的設計方面開展了大量的研究工 作 多以單片機作為核心控制單元 以LED作為人工光 源 控制因子以光和溫度為主 有的系統(tǒng)還包含濕度 CO2 等因子 控制方式逐漸由單機控制發(fā)展為基于物聯(lián)網(wǎng)技術 的遠程控制 目前 能源消耗較大 運行成本高仍是家庭 植物工廠存在的主要問題 關于家庭植物工廠控制模型的 研究還較為鮮見 1 4 在借鑒前人經(jīng)驗的基礎上 結(jié)合家庭植物工廠生產(chǎn)的 農(nóng)藝獨特性 利用模糊控制技術 設計開發(fā)了家庭植物工 廠環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng) 實現(xiàn)對家庭植物工廠生產(chǎn)過程中影響 作物生長的環(huán)境溫度 CO2濃度等環(huán)境因子實時調(diào)控 1 根據(jù)系統(tǒng)功能需求 設計系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示 系統(tǒng)由主控單元 信息采集單元及執(zhí)行控制單元3部分構 成 主控單元是系統(tǒng)的核心 負責接收信息采集單元采集 數(shù)據(jù) 進行數(shù)據(jù)處理并根據(jù)控制策略對執(zhí)行控制單元的各 種設備進行控制 信息采集單元由溫濕度傳感器 CO2濃度 傳感器構成 負責采集栽培室內(nèi)的環(huán)境因子數(shù)據(jù) 執(zhí)行控 制單元包括LED燈 A B兩組 風機和空調(diào)組成 通過 設備工作對栽培室內(nèi)植物生長的溫度 光照 CO2濃度等環(huán) 境因子進行調(diào)控 為植物的生長發(fā)育營造適宜的環(huán)境條件 1 系統(tǒng)采用MHW6070 1212 MR 6AD型觸摸屏PLC一體 機作為系統(tǒng)控制器 兼容三菱FX2N系列 采用7寸觸摸 屏 具有光耦隔離的12路開關量 6路4 20 mA模擬量信 號輸入 支持10路開關量輸出和2路0 10 V模擬量輸出 具有485通訊口 支持 MODBU RTU通信協(xié)議 選用LT CG 12型分體式空氣溫濕度傳感器 測量范圍 空氣溫 度 40 80 空氣濕度 0 100 RH 2路4 20 mA模擬量 信號輸出 選用LT CG A0500型CO2濃度傳感器 測量范 圍0 2000 ppm 測量精度 4 1路4 20 mA模擬量信號輸 出 傳感器信號線直接接入控制器對應模擬輸入口 控制 器通過0 10V模擬量信號輸出端口 分別通過AQMD3610NS A 直流電機驅(qū)動器對風機轉(zhuǎn)速進行控制及通過EECON QD變 頻模塊對空調(diào)壓縮機的運行頻率進行控制 2 2 1 1 1 fl 2 1 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院機電工程學院 北京 102208 2 淮北合鳴農(nóng)業(yè)裝備有限公司 安徽 淮北 235000 針對家庭植物工廠生產(chǎn)對環(huán)境條件的要求 開發(fā)了以空調(diào)與風機為執(zhí)行設備的環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng) 設 計了多因素模糊控制策略 實現(xiàn)了環(huán)境溫度 CO2濃度的綜合調(diào)控 試驗結(jié)果表明 系統(tǒng)運行狀態(tài)下 環(huán)境溫 度控制偏差小于 0 3 溫度上升響應速度大于1 24 h CO2濃度調(diào)控偏差小于24 ppm 濕度上升響應速度 大于52 4 ppm h 所設計環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定可靠 能夠滿足家庭植物工廠生長所需環(huán)境要求 家庭植物工廠 環(huán)境調(diào)控 裝置農(nóng)業(yè) 模糊控制 S 317 A 1671 0517 2020 05 0007 04 2020 05 10 楊學坤 1981 男 山東濰坊人 碩士 副 研究員 從事設施農(nóng)業(yè)裝備研究 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院2019年度科研項目 XY YF 19 23 第22卷第5期 2020年9月 遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院學報 Journal of Liaoning Agricultural Technical College Vol 22 No 5 Sep 2020 風機用以實現(xiàn)對栽培室內(nèi)空氣與外界空氣換氣 以滿 足栽培室內(nèi)溫度 CO2濃度等環(huán)境因子需求 根據(jù)栽培室的 體積 換氣頻率 次 時 按照下列公式來選擇 Q V n N 1 其中 Q表示單臺風機風量 m 3 h N表示風機數(shù)量 臺 V表示栽培室體積 m 3 n表示換氣次數(shù) 次 時 系統(tǒng)換氣次數(shù)n 20次 時 則總換氣量為10 2 m 3 h 根 據(jù)公式 1 選用1臺SJ4010HD2型軸流風機 功率為 1 2 W 風量為10 5 m 3 h 2 2LED 光是作物生長發(fā)育不可缺少的重要環(huán)境因子之一 LED光源光質(zhì)可調(diào) 節(jié)能高效 穩(wěn)定性強 響應時間快 無 污染 使用壽命長 成為家庭植物工廠的首選 在選擇光源 時 從光強 光質(zhì)兩個維度進行考慮 一般來說 考慮到家 庭植物工廠的經(jīng)濟性 家庭植物工廠人工光系統(tǒng)的光合光子 通量 PPF 設計為350 mol m 2 s 左右 研究表明 家 庭植物工廠作物采用波長為620 680 nm紅光和波長為400 500 nm的藍光按照6 1和7 1進行配比的光源最適合其 生長 系統(tǒng)采用4只植物生長燈 T5 24W 長度為0 8 m 間距0 4 m 垂直方向距離葉片0 3 m 試驗測得距離葉片 0 3 m處的光合光子通量 PPF 為367 5 mol m2 s 5 6 2 3 空調(diào)用以實現(xiàn)對栽培室內(nèi)空氣溫度的調(diào)節(jié) 以滿足作 物生長需求 壓縮機根據(jù)栽培室體積 升溫速度來選擇空 調(diào)功率 按照熱力學基本原理 系統(tǒng)總熱負荷可以表示為 Q Q漏 Q內(nèi) 2 其中 Q表示系統(tǒng)總熱負荷 Q漏表示系統(tǒng)泄漏熱負 荷 Q內(nèi)表示系統(tǒng)內(nèi)部熱負荷 1 系統(tǒng)泄漏熱負荷Q漏 系統(tǒng)泄漏熱負荷Q漏又包括由于隔熱層造成的泄漏熱負 荷Q漏 隔和由于開門造成的泄漏熱負荷Q漏 開兩部分 隔熱層造成的泄漏熱負荷Q漏 隔可以表示為 3 其中 t1和t2表示空調(diào)風進出口溫度 t3系統(tǒng)外溫度 A 表示柜體外表面積 k1 k2表示柜體內(nèi)外表面的換熱系數(shù) 表示隔熱層厚度 表示隔熱層導熱率 計算可得Q漏 隔 178 9 W 開門造成的泄漏熱負荷Q漏 開可以表示為 Q漏 隔 V1 hn 3 6 4 其中 V表示栽培室體積 表示空氣密度 h表示 進入栽培室內(nèi)空氣達到栽培室柜體溫度是其降溫降濕焓差 值 n表示開門次數(shù) 計算可得Q漏 開 18 0 W 綜上可得 Q漏 Q漏 隔 Q漏 開 196 9 W 2 系統(tǒng)內(nèi)部熱負荷Q內(nèi) 家庭植物工廠栽培室內(nèi)的熱負荷一般由LED燈管的熱 負荷Q內(nèi) LED和風機的熱負荷Q內(nèi) 風機構成 LED燈管的熱負荷Q內(nèi) LED可以表示為 Q內(nèi) LED nLED PLED 5 其中 nLED表示LED燈管數(shù)量 PLED表示單根LED燈管 功率 表示LED燈管位置對于熱負荷的影響系數(shù) 計算 可得LED燈管的熱負荷Q內(nèi) LED 48 0 W 風機的熱負荷Q內(nèi) 風機可以表示為 Q內(nèi) 風機 n風機 P風機 6 其中 n風機表示風機數(shù)量 P風機表示單個風機功 率 計算可得風機的熱負荷Q內(nèi) 風機 7 2 W 綜上可得 系統(tǒng)內(nèi)部熱負荷Q內(nèi) Q內(nèi) LED Q內(nèi) 風機 55 2 W 根據(jù)1和2結(jié)果綜合計算可得系統(tǒng)總熱負荷Q 252 1 W 出于可靠性和穩(wěn)定性考慮 增加10 的安全余量 即 系統(tǒng)的設計熱負荷為277 3 W 系統(tǒng)選用GZY 200型空 調(diào) 核心采用取QD65型壓縮機 功率360 W 制冷量為 600 W 可以滿足系統(tǒng)要求 3 家庭植物工廠環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)是一個非線性 多輸 入多輸出的復雜系統(tǒng) 7 系統(tǒng)采用模糊控制理論方法 建立 整套系統(tǒng)的模糊控制模型 采用非線性 時變控制 能夠 較好地解決環(huán)境因子控制問題 8 包括溫度和CO2濃度模糊 控制器 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構如圖2所示 9 10 2 為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行 將環(huán)境模糊控制系統(tǒng)設計成 由2個單輸入單輸出的溫度模糊控制系統(tǒng)和CO2濃度模糊控 制器組成 溫度模糊控制系統(tǒng)以栽培室內(nèi)空氣溫度偏差e 為輸入量 以空調(diào)控制為輸出量 CO2濃度模糊控制器以栽 培室內(nèi)CO2濃度為輸入量 以風機開啟模式作為系統(tǒng)輸出 量 加入溫度補償系數(shù)D以解決風機與溫度模糊控制之間 的矛盾 3 1 以栽培室內(nèi)溫度偏差e和溫差變化率 e作為溫度模糊 遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院學報8 控制器的輸入變量 設溫度偏差e對應的模糊集為E 溫度 偏差e在設定值的 2 2 范圍以內(nèi)為模糊控制區(qū) 范圍 以外是確定控制區(qū) 模糊狀態(tài)設計為5個 模糊集合定義為 E 極小 小 零 大 極大 即E NM N O P PM 表1 為溫度偏e隸屬度矢量值 溫度控制器的輸出量u為空調(diào)的控制模式 用5個模糊 狀態(tài)表示分別對應空調(diào)開啟模式 制冷全開 制冷半開 停 制熱半開 制熱全開 設輸出量U的基本論域為 2 1 0 1 2 當輸出量為負值時表示需要開啟空調(diào) 制冷進行降溫控制 為正值時表示需要開啟空調(diào)制熱進行 加熱 為零時表示不調(diào)控 1 e 模糊語言 集E NM N O P PM 語言變量論域 2 1 0 0 0 0 1 0 0 5 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 5 0 2 0 0 0 0 1 3 2CO 2 currency1 以栽培室內(nèi)CO2濃度與設定濃度偏差c作為CO2濃度模 糊控制器的輸入變量 以風機開啟模式U作為控制器的輸 出變量 系統(tǒng)以500 ppm作為栽培室內(nèi)CO2濃度的最低值 風機的開啟模式分為停 半開 全開 分別用 0 1 2 來表示 設風機的3種工作模式對應的CO2濃度模糊控制 器輸出量U的基本論域為 0 0 5 1 1 5 2 模糊語言 集合為 ZO PM PB CO2濃度模糊控制輸出量的隸屬 度值見表2 2 currency1 U 模糊語言 集U ZO PM PB 語言變量論域 0 1 0 0 0 5 0 5 0 0 1 0 0 5 1 1 5 0 1 0 2 0 0 1 4 為驗證所設計家庭植物工廠環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)控制性 能 在北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院機電工程學院搭建了氣霧栽培式 家庭植物工廠 2019年12月 2020年3月 在植物工廠內(nèi) 進行了生菜和苜蓿草栽培試驗 在實際生長過程中驗證及 測試控制系統(tǒng)的工作效果 4 1 環(huán)境溫度控制試驗于2019年12月17日進行 當天天 氣晴 室外最高氣溫4 最低氣溫 2 室內(nèi)氣溫最高溫 度24 3 最低溫度16 3 栽培室內(nèi)生菜處于幼苗期 溫 度控制目標21 2 空調(diào)處于制冷狀態(tài) LED燈作為主要 熱源可導致栽培室內(nèi)溫度升高 試驗采集8 00 16 00的試 驗數(shù)據(jù) 每15 min讀取1次溫度值 3 由圖5可知 栽培室溫度主要受空調(diào)控制 因LED燈 在試驗期間始終處于開啟狀態(tài)導致栽培室溫度持續(xù)升高趨 勢 空調(diào)運行時 可使栽培室溫度迅速降低 因為栽培室 溫度的實際值比較靠近預設值 空調(diào)處于制冷半開狀態(tài) 試驗表明 栽培室溫度調(diào)控平均響應速度大于1 24 h 控制偏差小于0 3 控制穩(wěn)定性較好 4 2 CO 2 currency1 環(huán)境CO2濃度控制試驗于2020年1月10日進行 室內(nèi) 氣溫最高溫度22 4 最低溫度16 1 平均CO2濃度 558 1 ppm 栽培室內(nèi)生菜處于發(fā)棵期 CO2濃度控制目標 500 ppm 風機處于全開狀態(tài) 試驗采集8 00 16 00的試 驗數(shù)據(jù) 每15 min 讀取1次CO2濃度值 4 CO 2 currency1 由圖4可知 栽培室CO2濃度主要受風機控制 因LED 燈在試驗期間始終處于開啟狀態(tài) 生菜始終處于光合作用 之中 風機停止運行時 CO2濃度始終處于下降狀態(tài) 風機 開啟后可在5 min內(nèi)完成換氣 栽培室CO2濃度與室內(nèi)CO2 濃度基本持平 試驗表明 栽培室CO2濃度平均響應速度 大于52 4 ppm h 控制偏差小于24 ppm 控制穩(wěn)定性符合 要求 5 楊學坤等 家庭植物工廠環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)設計 9 為了滿足氣霧栽培式家庭植物工廠作物生產(chǎn)需求 開 發(fā)了1套環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng) 設計了2套模糊控制模型 實 現(xiàn)了溫度 CO2濃度2種核心環(huán)境因素的監(jiān)測與控制 試驗 結(jié)果表明 設計環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)功能準確 性能穩(wěn)定可靠 達到設計指標要求 1 范建 國內(nèi)首例家庭版植物工廠在京誕生 N 科技日 報 2010 12 08 012 2 韓丹 劉華 衛(wèi)勇 薩良兵 家庭式微植物工廠監(jiān)控系統(tǒng) 設計 J 農(nóng)業(yè)工程 2017 7 04 36 40 53 3 程崢 基于嵌入式和設備云平臺的家庭植物工廠系統(tǒng)設 計 D 天津 天津工業(yè)大學 2019 4 張倩倩 氣霧栽培式家庭植物工廠的設計及噴霧頻率的 優(yōu)化研究 D 杭州 浙江大學 2017 5 楊其長 魏靈玲 劉文科 植物工廠系統(tǒng)與實踐 M 北 京 化學工業(yè)出社 2015 58 6 劉文科 楊其長 植物工廠LED照明應用的幾點思考 J 照明工程學報 2015 26 04 98 102 7 戴劍鋒 羅衛(wèi)紅 喬曉軍 王成 基于模型的溫室加溫控 制目標優(yōu)化系統(tǒng)研究 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2006 11 187 191 8 艾海波 基于嵌入式平臺的微型植物工廠控制系統(tǒng)研究 D 太原 太原理工大學 2014 9 任延昭 模塊化多因素關聯(lián)控制智能溫室設計研究 D 北京 中國農(nóng)業(yè)大學 2018 10 謝秋菊 蘇中濱 Ji Qin Ni 密閉式豬舍多環(huán)境因子調(diào) 控系統(tǒng)設計及調(diào)控策略 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2017 33 06 163 170 Design of environmental factor regulation system for home plant factory YANG Xuekun 1 HU Yaomei 1 ZHENG Shichao 2 1 School of Mechanical and Electrical Engineering Beijing Agricultural Vocational College Beijing 1002208 China 2 Huaibei Heming Agricultural Equipment Co LTD Huaibei 235000 China Abstract In order to meet the requirements of environmental conditions in the production of family plant plants a control system of environmental factors was developed with air conditioner and fan as the implementation equipment and a multi factor fuzzy control strategy was designed to realize the comprehensive control of environmental temperature and CO2 concentration The test results show that the deviation of environmental temperature control is less than 0 3 and the response rate of temperature rise is greater than 1 24 h The deviation of CO2 concentration control is less than 24ppm and the response rate of humidity rise is more than 52 4 ppm h The overall performance of the designed environmental factor regulation system is stable and reliable which can meet the environmental requirements for the growth of family plant plants Key words domestic plant factories environmental regulation plant agriculture fuzzy control 4 呂旭聰 翁星等 福建紅曲中紅曲菌的分離鑒定及菌株 特性研究 J 中國食品學報 2012 02 88 97 5 李鐘慶 郭芳 紅曲菌的形態(tài)與分類學 M 北京 中國輕 工業(yè)出版社 2003 108 6 俞斐 張根元 比色法測定幾種常見藥用食品中的膽固 醇含量 J 安徽醫(yī)藥 2004 8 3 217 220 7 肖連冬 王志強 降膽固醇紅曲霉菌株的分離及其降解 性能研究 J 中國釀造 2015 34 5 74 77 Separation of Cholesterol lowering Monascus and Research of Cultural Conditions LI Hongmiao Liaoning Agricultural Technical College Yingkou 115009 China Abstract In this study four strains of Monascus were isolated from commercial Monascus and the strain M2 with the strongest ability of degrading cholesterol was screened by using chromogenic reagent of iron vitriol The results showed that the opti mum inoculum amount was 8 the optimum fermentation temperature was 30 C and the initial pH value of fermentation medi um was 4 6 Key words Monascus cholesterol inoculum amount temperature incipient pH currency1 6 遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院學報10