溫室二氧化碳自動化裝置

① 怎麼實現大棚的溫濕度自動控制

應用自動控制和電子計算機實現農業生產和管理的自動化，是農業現代化的重要標志之一,近年來電子技術和信息技術的飛速發展，帶來了溫室控制方面的一場革命,對於農業生產的增產增質增量產生了巨大的經濟效益與社會效應。隨著國民經濟的迅速發展，現代農業得到了長足的進步，溫室工程已成為高效農業的一個重要組成部分。計算機自動控制的智能溫室自問世以來，已成為現代農業發展的重要手段和措施。它的功能在於以先進的技術和現代化設施，人為控製作物生長的環境條件，使作物生長不受自然氣候的影響，做到常年工廠化，進行高效率，高產值和高效益的生產。

一個完整的溫室大棚自動控制系統，包括以下幾個部分：

1現場的監測元件：包括溫度監測、濕度監測、CO2濃度等監測元件。這些裝置相當於整個控制系統的眼睛，實時監測大棚的狀況，以便實施控制。

2執行結構：如各種泵，加熱器，CO2 發生裝置，照明控制裝置等執行機構。這些裝置相當於整個控制系統的手，自動控制系統的指令通過這些設備得到執行，以達到控制目標。

3A/D和D/A轉換模塊。因為自動控制系統不能識別各種電信號，必須轉換成標準的數字信號才能為計算機所識別，同樣計算機發出的也是標準的數字信號。這些設備如同人的神經系統，把各個信號傳遞到大腦，並把控制信號傳遞到各執行機構。

4控制系統主機：主機實施各種控制方案，並依據不同的環境、作物、生長期實施不同的控制方案。是這個控制系統的核心，相當於大腦。

5人機交互系統：工作人員可以通過人機交互系統了解系統的工作情況，並可通過人機交互系統對控制系統下發人工指令，設定控制主機的工作環境。人機交互系統通過紫金橋組態軟體就可以實現系統的人機交互。

以上的分類是一個典型的控制系統，根據系統的繁簡情況，系統的配置會有所增減。如有的小系統，就直接用計算機做為控制系統主機了，和人機交互系統合二為一了。

功能敘述

溫室環境包括非常廣泛的內容，但通常所說的溫室環境主要指空氣與土壤的溫濕度、光照、CO2濃度等。計算機通過各種感測器接收各類環境因素信息，通過邏輯運算和判斷控制相應溫室設備運作以調節溫室環境。輸出和列印設備可幫助種植者作全面細致的數據分析，保存歷史數據。系統主要具備以下幾部分功能：

1、綜合環境控制

採用計算機實現環境參數比較分析，四季連續工況調控系統。，比例調節環境溫度、濕度與通風。CO2 發生裝置按需比例調節環境CO2濃度，夏季室外屋頂噴淋，在保證室內光照強度的前提下，組合調節環境溫度與通風，達到強制降低環境溫度的效果。通過計算機對溫室各電動執行器進行整體調節，自動調控到作物生長所需求的溫、濕、光、水、氣等條件，另外通過臭氧消毒凈化器對溫室進行消毒。

2、肥水灌溉控制

採用計算機肥水灌溉運籌系統。根據作物區的需要，對水培區的營養液成分，PH和EC值進行綜合調控。對基培和土培區主要是根據作物生產需要，設定基質、土壤的水勢值，自動調節滴灌、噴灌系統的灌溉時間和次數。

3、緊急狀態處理

採用計算機實測環境參數、狀態極限值反饋報警保護系統。根據作物的各項參數設定溫室環境的極限值和作物生長環境參數極限值報警保護系統，提高了整個系統安全性。

4、信息處理

採用計算機集散控制信息管理系統。信息處理由中心控制計算機完成。主機通過局部數字通訊網路與現場控制機相連，實現遠動雙向控制及全系統集中數據處理。其功能包括運行實時參數執行器模擬狀態顯著，歷史數據存儲、檢索，數據平均值報表、曲線顯示與列印。

下面我們以葡萄溫室和黃瓜、番茄溫室為例，介紹其生長參數：

葡萄溫室：

a、在冬季休眠期約90多天需保持溫室內溫度為5℃。休眠期以後白天需控制溫室內溫度為25-30℃，夜間需控制在15-18℃。

b、濕度需保持在50-75%不能超過95%。

c、光照強度應保持在45000-55000勒克斯

d、二氧化碳濃度在上午日出後到10點左右保持在1000PPM左右。

e、PH值保持在7-7.5。

f、EC值離子總濃度保持在1‰-2‰，隨時進行調整。

黃瓜、番茄溫室：

a、在苗期需保持溫室內溫度在13-15℃，定植後白天上午應保持在25-28℃，下午應保持在20-25℃，夜間應保持在15-18℃。

b、濕度黃瓜在白天保持在70-75%，夜間保持在85-90%；番茄白天保持在65-75%，夜間保持在75-85%。

c、光照強度番茄應保持在50000勒克斯左右，保證12個小時光照；黃瓜應保持在40000勒克斯左右，保證8-10小時光照。

d、二氧化碳濃度在上午日出後到10點左右保持在1000PPM左右。

e、PH值保持在6.5-7.5。

f、EC值離子總濃度保持在1‰-2‰，隨時進行調整。
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② 二氧化碳製取裝置

二氧化碳（carbon dioxide），一種碳氧化合物，化學式為CO2，化學式量為44.0095[1]，常溫常壓下是一種無色無味[2]或無色無嗅而其水溶液略有酸味[3]的氣體，也是一種常見的溫室氣體[4]，還是空氣的組分之一（佔大氣總體積的0.03%-0.04%[5]）。在物理性質方面，二氧化碳的熔點為-56.6℃，沸點為-78.5℃，密度比空氣密度大（標准條件下），溶於水。在化學性質方面，二氧化碳的化學性質不活潑，熱穩定性很高（2000℃時僅有1.8%分解），不能燃燒，通常也不支持燃燒，屬於酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，因與水反應生成的是碳酸，所以是碳酸的酸酐。[2][3]

二氧化碳一般可由高溫煅燒石灰石或由石灰石和稀鹽酸反應製得，主要應用於冷藏易腐敗的食品（固態）、作致冷劑（液態）、製造碳化軟飲料（氣態）和作均相反應的溶劑（超臨界狀態）等。[2]關於其毒性，研究表明：低濃度的二氧化碳沒有毒性，高濃度的二氧化碳則會使動物中毒。[6]

中文名
二氧化碳
外文名
carbon dioxide
別名
碳酸氣、碳酸酐、乾冰（固態）等[7]
化學式
CO2
分子量
44.0095[1]
快速
導航
分子結構

理化性質

產生途徑

制備方法

主要應用

計算化學數據

安全措施

相關法規
研究簡史
原始社會時期，原始人在生活實踐中就感知到了二氧化碳的存在，但由於歷史條件的限制，他們把看不見、摸不著的二氧化碳看成是一種殺生而不留痕跡的凶神妖怪而非一種物質。[10]
3世紀時，中國西晉時期的張華（232年－300年）在所著的《博物志》一書記載了一種在燒白石（CaCO3）作白灰（CaO）過程中產生的氣體，這種氣體便是如今工業上用作生產二氧化碳的石灰窯氣。[10]
17世紀初，比利時醫生海爾蒙特（即揚·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特，Jan Baptista van Helmont，1580年－1644年）發現木炭燃燒之後除了產生灰燼外還產生一些看不見、摸不著的物質，並通過實驗證實了這種被他稱為「森林之精」的二氧化碳是一種不助燃的氣體，確認了二氧化碳是一種氣體；還發現燭火在該氣體中會自然熄滅，這是二氧化碳惰性性質的第一次發現。不久後，德國化學家霍夫曼（即弗里德里希·霍夫曼，Friedrich Hoffmann，1660年－1742年）對被他稱為「礦精（spiritus mineralis）」的二氧化碳氣體進行研究，首次推斷出二氧化碳水溶液具有弱酸性。[10]
1756年，英國化學家布萊克（即約瑟夫·布萊克，Joseph Black，1728年－1799年）第一個用定量方法研究了被他稱為「固定空氣」的二氧化碳氣體，二氧化碳在此後一段時間內都被稱作「固定空氣」。[11]
1766年，英國科學家卡文迪許（即亨利·卡文迪許，Henry Cavendish，1731年－1810年）成功地用汞槽法收集到了「固定空氣」，並用物理方法測定了其比重及溶解度，還證明了它和動物呼出的和木炭燃燒後產生的氣體相同。[12]
1772年，法國科學家拉瓦錫（即安托萬-洛朗·拉瓦錫，Antoine-Laurent de Lavoisier，1743年－1794年）等用大火鏡聚光加熱放在汞槽上玻罩中的鑽石，發現它會燃燒，而其產物即「固定空氣」。同年，科學家普里斯特利（即約瑟夫·普里斯特利，Joseph Priestley，1733年－1804年）研究發酵氣體時發現：壓力有利於「固定空氣」在水中的溶解，溫度增高則不利於其溶解。這一發現使得二氧化碳能被應用於人工製造碳酸水（汽水）。[12]
1774年，瑞典化學家貝格曼（即托貝恩·奧洛夫·貝格曼，Torbern Olof Bergman，1735年－1784年）在其論文《研究固定空氣》中敘述了他對「固定空氣」的密度、在水中的溶解性、對石蕊的作用、被鹼吸收的狀況、在空氣中的存在、水溶液對金屬鋅、鐵的溶解作用等的研究成果。[11]
1787年，拉瓦錫在發表的論述中講述將木炭放進氧氣中燃燒後產生的「固定空氣」，肯定了「固定空氣」是由碳和氧組成的，由於它是氣體而改稱為「碳酸氣」。同時，拉瓦錫還測定了它含碳和氧的質量比（碳佔23.4503%，氧佔76.5497%），首次揭示了二氧化碳的組成。[10] [11]
1797年，英國化學家坦南特（即史密森·坦南特，Smitbson Tennant，1761年－1815年，[13] 又譯「台耐特」[14] 等）用分析的方法測得「固定空氣」含碳27.65%、含氧72.35%。[10]
1823年，英國科學家法拉第（即邁克爾·法拉第，Michael Faraday，1791年－1867年）發現加壓可以使「碳酸氣」液化。同年，法拉第和戴維（即漢弗里·戴維，Humphry Davy，1778年－1829年，又譯「笛彼」）首次液化了「碳酸氣」。[15] [16] [17]
1834年或1835年，德國人蒂羅里爾（即阿德里安·讓·皮埃爾·蒂羅里爾，Adrien-Jean-Pierre Thilorier，1790年－1844年，又譯「蒂洛勒爾」、「狄勞里雅利」[18] 、「奇洛列」[19] 等）成功地製得乾冰（固態二氧化碳）。[20] [21]
1840年，法國化學家杜馬（即讓-巴蒂斯特·安德烈·杜馬，Jean-Baptiste André Dumas，1800年－1884年）把經過精確稱量的含純粹碳的石墨放進充足的氧氣中燃燒，並且用氫氧化鉀溶液吸收生成的「固定空氣」，計算出「固定空氣」中氧和碳的質量分數比為72.734：27.266。此前，阿伏伽德羅（即阿莫迪歐·阿伏伽德羅，Amedeo Avogadro，1776年8月9日—1856年7月9日）於1811年提出了假說——「在同一溫度和壓強下，相同體積的任何氣體都含有相同數目的分子。」化學家們結合氧和碳的原子量得出「固定空氣」中氧和碳的原子個數簡單的整數比是2：1，又以阿伏伽德羅於1811年提出的假說為依據，通過實驗測出「固定空氣」的分子量為44，從而得出「固定空氣」的化學式為CO2，與此化學式相應的名稱便是「二氧化碳」。[11]

③ 智能溫室的系統原理

溫室大棚自動化控制系統是根據溫室大棚內的溫濕度、土壤水分、土壤溫度等感測器採集到的信息，利用RS485匯流排將感測器信息送給485轉232的轉換器，接到上位計算機上進行顯示，報警，查詢。監控中心將收到的采樣數據以表格形式顯示和存儲，然後將其與設定的報警值相比較，若實測值超出設定范圍，則通過屏幕顯示報警或語音報警，並列印記錄。與此同時，監控中心可向現場控制器發出控制指令，監測儀根據指令控制風機、水泵等設備進行降溫除濕等操作，以保證溫室內作物的生長環境。監控中心也可以通過報警指令來啟動現場監測儀上的聲光報警裝置，通知溫室管理人員採取相應措施來確保溫室內的環境正常。
物聯網技術在智能溫室中的應用
實際上，物聯網技術是將各種感知技術、現代網路技術和人工智慧與自動化技術聚合與集成應用。
在溫室環境里，單棟溫室可利用物聯網技術，成為無線感測器網路一個測量控制區，採用不同的感測器節點和具有簡單執行機構的節點，如風機、低壓電機、閥門等工作電流偏低的執行機構，構成無線網路，來測量基質濕度、成分、pH值、溫度以及空氣濕度、氣壓、光照強度、二氧化碳濃度等，再通過模型分析，自動調控溫室環境、控制灌溉和施肥作業，從而獲得植物生長的最佳條件。
對於溫室成片的農業園區，物聯網也可實現自動信息檢測與控制。通過配備無線感測節點，每個無線感測節點可監測各類環境參數。通過接收無線感測匯聚節點發來的數據，進行存儲、顯示和數據管理，可實現所有基地測試點信息的獲取、管理和分析處理，並以直觀的圖表和曲線方式顯示給各個溫室的用戶，同時根據種植植物的需求提供各種聲光報警信息和簡訊報警信息，實現溫室集約化、網路化遠程管理。
此外，物聯網技術可應用到溫室生產的不同階段。在溫室准備投入生產階段，通過在溫室裡布置各類感測器，可以實時分析溫室內部環境信息，從而更好地選擇適宜種植的品種；在生產階段，從業人員可以用物聯網技術手段採集溫室內溫度、濕度等多類信息，來實現精細管理，例如遮陽網開閉的時間，可以根據溫室內溫度、光照等信息來感測控制，加溫系統啟動時間，可根據採集的溫度信息來調控等；在產品收獲後，還可以利用物聯網採集的信息，把不同階段植物的表現和環境因子進行分析，反饋到下一輪的生產中，從而實現更精準的管理，獲得更優質的產品。
物聯網智能溫室技術的發展與優勢
據悉，物聯網溫室項目建設內容來源於北京市農業機械研究所和北京京鵬環球科技股份有限公司承擔的國家科技部863項目《植物工廠化生產低碳設施與裝備的研究》，以及市科委「十二五」重點課題《盆花生產關鍵技術和裝備的研發示範》，重點進行低碳物聯網溫室的建築結構、配套系統、新能源與工廠化裝備高度技術集成與創新，在示範溫室中進行果菜、花卉、草莓和種苗的試驗、展示與生產。京鵬科技公司已經在通州京鵬現代農業科技成果展示園成功完成物聯網溫室項目。
溫室應用物聯網技術，可達到改善產品品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的，尤其是可實現溫室管理的高效和精準。對於規模化的溫室設施而言，如果藉助人工來調控溫室內的環境條件，需要大量人手和時間，而且存在難以避免的人工誤差。如果應用物聯網技術，就只需點擊滑鼠，在最短的時間里完成人工操作，而且非常嚴謹，這也是業內看好物聯網在現代農業中應用的重要原因。
隨著物聯網技術普及應用，普通用戶可以通過計算機或手機隨時接收各種實時採集的精確感測器數據，還可以通過遙控溫室內的視頻感測器，觀察溫室的全面情況。產品出圃後，可以由對應的條形碼，隨時檢索到其流通過程。業界普遍認為，物聯網農業智能監控系統將在設施農業中得到更廣泛應用。