日光温室CO2气肥智能调控系统设计与研究

牛曼丽 李新旭 李红 张彦军 雷喜红

|摘要|为解决冬春季日光温室CO2亏缺的问题，结合温室特点，设计了一套以STM32系列芯片为核心的CO2气肥智能调控系统，包括数据采集节点、控制节点、执行机构和上位机4部分。该系统采用NB-IOT无线通信技术和MQTT协议，将温度、光照及CO2浓度作为控制的综合评判依据，实现了对CO2的监测和智能调控。系统应用情况表明，该系统运行可靠，具有较强可扩展性和良好的应用前景。

引言

CO2是作物光合作用的核心原料，是影响作物生长发育的关键因子之一。北方冬春季温室蔬菜生产中，作物所需CO2长期处于亏缺状态，影响了作物的产量和品质[1-2]。国内外种植实践证明，在作物生长最旺盛期间，合理地提高CO2浓度可提高20%以上的产量[3-6]。

发达国家如荷兰、英国、日本等早在20世纪70～80年代，就开始大力推广和应用设施CO2施肥技术[7-8]，并设计研发了自动化温室CO2控制系统。荷兰将天然气锅炉燃烧产生的废气经过冷却、净化后，通过控制系统和专用管道输送进温室，实现了CO2的高效利用，温室内CO2浓度可以达到700 μmol/mol以上，满足番茄生长需要[9]。日本通过模型控制温室内温湿度、CO2浓度、光照等因子达到作物生长最优光合环境，实现了作物产量最大化[10]。国外的CO2调控设备一般应用在规模较大的连栋温室内，成本昂贵，并且由于气象环境差异较大，不适用于国内日光温室。目前，国内普遍采用CO2吊袋肥、有机肥料发酵、秸秆反应堆发酵、碳酸氢氨受热分解等方式进行气肥补充[11-12]，需要人工进行管理，不能实现自动化调控。

针对上述问题，本项目的研发基于液化CO2气瓶的气肥智能调控系统，以STM32芯片为核心，采用光照、温度、CO2浓度传感器进行环境监测，并将采集到的数据通过NB-IOT通信技术和MQTT通信协议上传至上位机远程控制平台，根据控制策略的设置，产生相应的控制信号，进而控制CO2发生器的开启和关闭，从而实现对温室内CO2浓度的智能调控，为作物生长提供适宜的生长环境。

系统总体设计

本系统以STM32系列微控制器为核心，包括数据采集节点、控制节点、执行机构和上位机4部分，系统总体结构框图如图1所示。

首先，数据采集节点中的环境参数监测装置对温室内光照、温度和CO2浓度进行实时监测，把采集到的数据通过NB-IOT网络上传存储到远程控制平台，当温度、光照和CO2浓度满足平台设置的控制策略时，对智能控制器发送控制信号，智能控制器通过继电器对CO2发生器发出控制命令，实现对CO2发生器的自动控制。由于不同作物所需的最优CO2浓度不同，所以在远程控制平台的控制策略设置时，可以根据不同作物设置不同的控制策略。

系统硬件设计

数据采集节点

作物对CO2的需求是随着温室内光照和温度条件的变化而变化的[13]，当光照较弱和温度较低时，光合作用的效率下降，此时增施CO2的经济效益不高，因此对CO2的调控要结合光温条件来调节，要同时监测温室内的光照、温度和CO2浓度3个环境因子。因此本系统中数据采集节点主要包括CO2传感器模块、温度传感器模块、光照传感器模块、STM32处理器及外围扩展模块。

◆CO2传感器模块

CO2传感器采用英国GSS第三代COZIR-Ambient传感器（图2）。其主要特点是超低功耗（3.5 mW）、采用串口输出、高性能、响应时间短（30 s）、精度高（±50 μmol/mol）、工作环境（-25～55℃，0～95% RH）、便于传

感器校准。测量范围0～5000 μmol/mol，适合于应用在农业大棚领域，满足智能温室传感器电池供电和无线信息传输的需要。

◆温度传感器模块

在设计开发过程中选择了多种传感器进行温室环境监测对比，综合数据及特性选定HDC1080。HDC1080是一款由美国德州儀器研发的具有集成温度传感器的数字湿度传感器，其能够以超低功耗提供出色的测量精度，在高湿度环境下具有出色的稳定性。HDC1080支持较大的工作电源电压范围，具有低功耗和高稳定性优势。电源电压范围为2.7～5.5 V，I2C接口，温度精度为±0.2℃，经过出厂校准。

◆光照传感器模块

光照传感器基于BH1750FVI芯片设计开发，将BH1750FVI芯片以及外围电路集成到一块PCBA上，引出通讯引脚连接到主板上。BH1750FVI是一款由日本RHOM株式会社研发的数字型光强度传感器集成芯片。BH1750FVI 的波长范围为380～560 nm，测量总量程为0～65535 lx，I2C总线通信，通过50 Hz/60 Hz除光噪音功能实现稳定的测定，误差变动为±20%，运行温度为-40～85℃，其VCC接口需要接3.3 V左右电压。

◆STM32处理器及外围扩展模块

温室环境数据的采集比较频繁，设备能耗高，针对此问题，数据采集节点整体上采用低功耗模式进行了设计。主控采用低功耗STM32L051C8芯片，通过GPIO、UART、ADC、I2C等外设及外围电路采集温室信息。通信模块为上海SIMCOM的NB-IOT模块7020C，具有信号强度大、窄带宽、功耗低等优点。通过NB-IOT网络将传感器采集数据上传至服务器，并从服务器获取设置信息，设置上传数据间隔。

时钟模块采用高精度DS1302芯片，用于计算采集间隔、记录采集时间（图3）。

数据存储部分，采用16 M的Flash存储器 GD25Q128C，用于存储未成功上传的传感器数据（图4）。

温室内采用有线电源供电会阻碍工人劳作，降低设备使用的灵活性，因此本设备采用太阳能供电，采用锂电池充电管理芯片TP4057对锂电池充电（图5）。

控制节点

控制节点是日光温室内所用可控制设备联网的入口，控制节点的核心处理器以STM32F103C8作为主控芯片和外围电路组成。STM32F103C8包括ARM处理器及其扩展接口，通过外设UART接口控制通信模块，发送控制指令給执行机构。STM32F103C8具有64 KB可编程闪存和20 KB的RAM，呈现出性能高、资源丰富等优势。通信模块为上海SIMCOM公司的SIM7020C模块，主要用来获取温室内CO2发生器开关状态和平台发出的控制信号，通过NB-IOT网络上传。

当光照、温度及CO2浓度满足控制策略中的CO2发生器开启条件时，power-control输出高电平，则三极管Y1（SS8050）导通，从而使MOS管Q8（AO3401）导通，进而将MOS管Q12（AO3400）导通，此时P4两端即会产生12 V电压，12 V电压驱动继电器导通，继电器导通导致接在继电器两个端子上的交流接触器吸合，电磁阀打开，CO2气罐开始工作。控制电路如图6所示。

交流接触器导通后会输出一个闭合信号给我们的光耦检测点P17，闭合信号导致光耦U10接通，CHECK处即可识别到信号，此时表示该电路控制的强电部分设备开始工作。光耦EL357N（B）（TA）-G使中央处理单元和执行原件驱动电路在电气上完全隔离，从而避免了强电干扰或毁坏芯片，检测部分电路见图7。

执行机构

执行机构为CO2发生器，CO2发生器由若干个液化CO2气瓶、若干减压阀、连通管、电磁阀和离心风机、输气管路组成，电磁阀位于连通管与输送管路中央，离心风机为气体提供传输动力。其中减压阀长期处于开启状态，离心风机为气体传输提供动力，开启电磁阀后，离心风机通过485总线开启，通过设计的“M”型输气管道上的小气孔将气体均匀扩散至设施空间中。由于CO2密度大于空气，输送管道架设位于作物冠层，以免气体向下运行作物不能及时补充到气体。

上位机

本系统中的上位机主要是远程控制平台，基于Java语言开发的web系统，用来接收数据采集节点采集的传感器数据和控制节点的信号，并发送控制信号给控制节点。采集节点和控制节点之间的通信协议都是MQTT（Message Queue Telemetry Transport）协议，即遥测传输协议。

MQTT提供了订阅/发布两种消息模式，更为简约、轻量，易于使用，特别适合于带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定等受限环境的消息分发。MQTT的完成由消息代理服务器和客户端组成。在本系统中，数据采集节点、控制节点和上位机使用 MQTT 协议与消息代理服务器相连接，发布和订阅主题与消息。本系统中消息代理服务器端使用Mosquitto开源消息代理软件来完成消息推送协议（图8）。

系统软件设计

系统软件主要是CO2气肥智能调控系统，采用Java开发，主要包括环境数据采集模块、控制策略模块、设备控制模块3部分。环境数据采集模块主要时对传输来的温度、CO2浓度、光照3个参数的数据进行存储、查询和显示。设备控制模块主要功能是设备状态显示、手动与自动控制的切换。

控制策略设置采用四时段分时设置，策略主要有时序控制、阈值控制。时序控制方法是根据设置开启时长和间隔周期、循环次数来进行施放;阈值控制方法根据用户输入设置CO2发生装置的开启和关闭条件;开启条件为当光照度大于R、空气温度大于T且CO2浓度小于C时开启，流程图见图9，其中R的单位为lx，T的单位为℃，C的单位为μmol/mol，具体值都需要用户进行设置，可根据不同作物进行设置，设置界面见图10。

运行结果

系统于2018年12月～2019年3月在北京市昌平区特菜大观园主栽番茄的37号日光温室进行了测试应用。策略设置为白天当空气温度大于20℃、光照度大于20000 lx、CO2浓度小于500 μmol/mol时，打开电磁阀;当CO2浓度高于700 μmol/mol时，关闭电磁阀。

为作物补充系统设置每10 min采集一次CO2浓度数据，每天光温满足条件的情况下一般在10：00～14：00，这段时间是作物光合作用最旺盛的阶段。文章选取了2018年12月30日为典型日，对获取的数据进行分析评价。如图10～11所示，当光照度达到20000 lx以上，光合作用速率加快，CO2消耗增多，降低到500 μmol/mol以下后电磁阀开启，通过补施，一天中光合作用旺盛期的CO2平均浓度在575 μmol/mol，满足了作物生长需要。

结论

该研究以STM32系列芯片为控制核心，设计研发了一套CO2气肥智能调控系统，该系统能够实现对温室内温度、光照和CO2浓度3个环境参数的监测，并通过NB-IOT技术和MQTT协议实现与远程控制平台的通信，在温光条件最适宜、CO2亏缺的情况下施放CO2，最大化提高了CO2的资源利用率，满足了作物生长对CO2的需求。同时，该系统具有很好的扩展性，可以扩展应用到连栋温室中，对连栋温室内作物补充CO2，促进作物产量和品质的提高，实现工厂化、智能化生产。

参考文献

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作者简介：牛曼丽（1986-），女，工程师，主要从事农业信息化与物联网关键技术研究、应用与示范推广工作。

*通信作者：李新旭（1984-），男，高级农艺师，主要从事设施蔬菜栽培技术试验、示范和推广工作。

[引用信息]牛曼丽，李新旭，李红岺，等.日光温室CO2气肥智能调控系统设计与研究[J].农业工程技术，2020，40（19）：53-57.