温室二氧化碳自动化装置

① 怎么实现大棚的温湿度自动控制

应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一,近年来电子技术和信息技术的飞速发展，带来了温室控制方面的一场革命,对于农业生产的增产增质增量产生了巨大的经济效益与社会效应。随着国民经济的迅速发展，现代农业得到了长足的进步，温室工程已成为高效农业的一个重要组成部分。计算机自动控制的智能温室自问世以来，已成为现代农业发展的重要手段和措施。它的功能在于以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。

一个完整的温室大棚自动控制系统，包括以下几个部分：

1现场的监测元件：包括温度监测、湿度监测、CO2浓度等监测元件。这些装置相当于整个控制系统的眼睛，实时监测大棚的状况，以便实施控制。

2执行结构：如各种泵，加热器，CO2 发生装置，照明控制装置等执行机构。这些装置相当于整个控制系统的手，自动控制系统的指令通过这些设备得到执行，以达到控制目标。

3A/D和D/A转换模块。因为自动控制系统不能识别各种电信号，必须转换成标准的数字信号才能为计算机所识别，同样计算机发出的也是标准的数字信号。这些设备如同人的神经系统，把各个信号传递到大脑，并把控制信号传递到各执行机构。

4控制系统主机：主机实施各种控制方案，并依据不同的环境、作物、生长期实施不同的控制方案。是这个控制系统的核心，相当于大脑。

5人机交互系统：工作人员可以通过人机交互系统了解系统的工作情况，并可通过人机交互系统对控制系统下发人工指令，设定控制主机的工作环境。人机交互系统通过紫金桥组态软件就可以实现系统的人机交互。

以上的分类是一个典型的控制系统，根据系统的繁简情况，系统的配置会有所增减。如有的小系统，就直接用计算机做为控制系统主机了，和人机交互系统合二为一了。

功能叙述

温室环境包括非常广泛的内容，但通常所说的温室环境主要指空气与土壤的温湿度、光照、CO2浓度等。计算机通过各种传感器接收各类环境因素信息，通过逻辑运算和判断控制相应温室设备运作以调节温室环境。输出和打印设备可帮助种植者作全面细致的数据分析，保存历史数据。系统主要具备以下几部分功能：

1、综合环境控制

采用计算机实现环境参数比较分析，四季连续工况调控系统。，比例调节环境温度、湿度与通风。CO2 发生装置按需比例调节环境CO2浓度，夏季室外屋顶喷淋，在保证室内光照强度的前提下，组合调节环境温度与通风，达到强制降低环境温度的效果。通过计算机对温室各电动执行器进行整体调节，自动调控到作物生长所需求的温、湿、光、水、气等条件，另外通过臭氧消毒净化器对温室进行消毒。

2、肥水灌溉控制

采用计算机肥水灌溉运筹系统。根据作物区的需要，对水培区的营养液成分，PH和EC值进行综合调控。对基培和土培区主要是根据作物生产需要，设定基质、土壤的水势值，自动调节滴灌、喷灌系统的灌溉时间和次数。

3、紧急状态处理

采用计算机实测环境参数、状态极限值反馈报警保护系统。根据作物的各项参数设定温室环境的极限值和作物生长环境参数极限值报警保护系统，提高了整个系统安全性。

4、信息处理

采用计算机集散控制信息管理系统。信息处理由中心控制计算机完成。主机通过局部数字通讯网络与现场控制机相连，实现远动双向控制及全系统集中数据处理。其功能包括运行实时参数执行器模拟状态显著，历史数据存储、检索，数据平均值报表、曲线显示与打印。

下面我们以葡萄温室和黄瓜、番茄温室为例，介绍其生长参数：

葡萄温室：

a、在冬季休眠期约90多天需保持温室内温度为5℃。休眠期以后白天需控制温室内温度为25-30℃，夜间需控制在15-18℃。

b、湿度需保持在50-75%不能超过95%。

c、光照强度应保持在45000-55000勒克斯

d、二氧化碳浓度在上午日出后到10点左右保持在1000PPM左右。

e、PH值保持在7-7.5。

f、EC值离子总浓度保持在1‰-2‰，随时进行调整。

黄瓜、番茄温室：

a、在苗期需保持温室内温度在13-15℃，定植后白天上午应保持在25-28℃，下午应保持在20-25℃，夜间应保持在15-18℃。

b、湿度黄瓜在白天保持在70-75%，夜间保持在85-90%；番茄白天保持在65-75%，夜间保持在75-85%。

c、光照强度番茄应保持在50000勒克斯左右，保证12个小时光照；黄瓜应保持在40000勒克斯左右，保证8-10小时光照。

d、二氧化碳浓度在上午日出后到10点左右保持在1000PPM左右。

e、PH值保持在6.5-7.5。

f、EC值离子总浓度保持在1‰-2‰，随时进行调整。
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② 二氧化碳制取装置

二氧化碳（carbon dioxide），一种碳氧化合物，化学式为CO2，化学式量为44.0095[1]，常温常压下是一种无色无味[2]或无色无嗅而其水溶液略有酸味[3]的气体，也是一种常见的温室气体[4]，还是空气的组分之一（占大气总体积的0.03%-0.04%[5]）。在物理性质方面，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，密度比空气密度大（标准条件下），溶于水。在化学性质方面，二氧化碳的化学性质不活泼，热稳定性很高（2000℃时仅有1.8%分解），不能燃烧，通常也不支持燃烧，属于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，因与水反应生成的是碳酸，所以是碳酸的酸酐。[2][3]

二氧化碳一般可由高温煅烧石灰石或由石灰石和稀盐酸反应制得，主要应用于冷藏易腐败的食品（固态）、作致冷剂（液态）、制造碳化软饮料（气态）和作均相反应的溶剂（超临界状态）等。[2]关于其毒性，研究表明：低浓度的二氧化碳没有毒性，高浓度的二氧化碳则会使动物中毒。[6]

中文名
二氧化碳
外文名
carbon dioxide
别名
碳酸气、碳酸酐、干冰（固态）等[7]
化学式
CO2
分子量
44.0095[1]
快速
导航
分子结构

理化性质

产生途径

制备方法

主要应用

计算化学数据

安全措施

相关法规
研究简史
原始社会时期，原始人在生活实践中就感知到了二氧化碳的存在，但由于历史条件的限制，他们把看不见、摸不着的二氧化碳看成是一种杀生而不留痕迹的凶神妖怪而非一种物质。[10]
3世纪时，中国西晋时期的张华（232年－300年）在所著的《博物志》一书记载了一种在烧白石（CaCO3）作白灰（CaO）过程中产生的气体，这种气体便是如今工业上用作生产二氧化碳的石灰窑气。[10]
17世纪初，比利时医生海尔蒙特（即扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特，Jan Baptista van Helmont，1580年－1644年）发现木炭燃烧之后除了产生灰烬外还产生一些看不见、摸不着的物质，并通过实验证实了这种被他称为“森林之精”的二氧化碳是一种不助燃的气体，确认了二氧化碳是一种气体；还发现烛火在该气体中会自然熄灭，这是二氧化碳惰性性质的第一次发现。不久后，德国化学家霍夫曼（即弗里德里希·霍夫曼，Friedrich Hoffmann，1660年－1742年）对被他称为“矿精（spiritus mineralis）”的二氧化碳气体进行研究，首次推断出二氧化碳水溶液具有弱酸性。[10]
1756年，英国化学家布莱克（即约瑟夫·布莱克，Joseph Black，1728年－1799年）第一个用定量方法研究了被他称为“固定空气”的二氧化碳气体，二氧化碳在此后一段时间内都被称作“固定空气”。[11]
1766年，英国科学家卡文迪许（即亨利·卡文迪许，Henry Cavendish，1731年－1810年）成功地用汞槽法收集到了“固定空气”，并用物理方法测定了其比重及溶解度，还证明了它和动物呼出的和木炭燃烧后产生的气体相同。[12]
1772年，法国科学家拉瓦锡（即安托万-洛朗·拉瓦锡，Antoine-Laurent de Lavoisier，1743年－1794年）等用大火镜聚光加热放在汞槽上玻罩中的钻石，发现它会燃烧，而其产物即“固定空气”。同年，科学家普里斯特利（即约瑟夫·普里斯特利，Joseph Priestley，1733年－1804年）研究发酵气体时发现：压力有利于“固定空气”在水中的溶解，温度增高则不利于其溶解。这一发现使得二氧化碳能被应用于人工制造碳酸水（汽水）。[12]
1774年，瑞典化学家贝格曼（即托贝恩·奥洛夫·贝格曼，Torbern Olof Bergman，1735年－1784年）在其论文《研究固定空气》中叙述了他对“固定空气”的密度、在水中的溶解性、对石蕊的作用、被碱吸收的状况、在空气中的存在、水溶液对金属锌、铁的溶解作用等的研究成果。[11]
1787年，拉瓦锡在发表的论述中讲述将木炭放进氧气中燃烧后产生的“固定空气”，肯定了“固定空气”是由碳和氧组成的，由于它是气体而改称为“碳酸气”。同时，拉瓦锡还测定了它含碳和氧的质量比（碳占23.4503%，氧占76.5497%），首次揭示了二氧化碳的组成。[10] [11]
1797年，英国化学家坦南特（即史密森·坦南特，Smitbson Tennant，1761年－1815年，[13] 又译“台耐特”[14] 等）用分析的方法测得“固定空气”含碳27.65%、含氧72.35%。[10]
1823年，英国科学家法拉第（即迈克尔·法拉第，Michael Faraday，1791年－1867年）发现加压可以使“碳酸气”液化。同年，法拉第和戴维（即汉弗里·戴维，Humphry Davy，1778年－1829年，又译“笛彼”）首次液化了“碳酸气”。[15] [16] [17]
1834年或1835年，德国人蒂罗里尔（即阿德里安·让·皮埃尔·蒂罗里尔，Adrien-Jean-Pierre Thilorier，1790年－1844年，又译“蒂洛勒尔”、“狄劳里雅利”[18] 、“奇洛列”[19] 等）成功地制得干冰（固态二氧化碳）。[20] [21]
1840年，法国化学家杜马（即让-巴蒂斯特·安德烈·杜马，Jean-Baptiste André Dumas，1800年－1884年）把经过精确称量的含纯粹碳的石墨放进充足的氧气中燃烧，并且用氢氧化钾溶液吸收生成的“固定空气”，计算出“固定空气”中氧和碳的质量分数比为72.734：27.266。此前，阿伏伽德罗（即阿莫迪欧·阿伏伽德罗，Amedeo Avogadro，1776年8月9日—1856年7月9日）于1811年提出了假说——“在同一温度和压强下，相同体积的任何气体都含有相同数目的分子。”化学家们结合氧和碳的原子量得出“固定空气”中氧和碳的原子个数简单的整数比是2：1，又以阿伏伽德罗于1811年提出的假说为依据，通过实验测出“固定空气”的分子量为44，从而得出“固定空气”的化学式为CO2，与此化学式相应的名称便是“二氧化碳”。[11]

③ 智能温室的系统原理

温室大棚自动化控制系统是根据温室大棚内的温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器采集到的信息，利用RS485总线将传感器信息送给485转232的转换器，接到上位计算机上进行显示，报警，查询。监控中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。与此同时，监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪根据指令控制风机、水泵等设备进行降温除湿等操作，以保证温室内作物的生长环境。监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知温室管理人员采取相应措施来确保温室内的环境正常。
物联网技术在智能温室中的应用
实际上，物联网技术是将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用。
在温室环境里，单栋温室可利用物联网技术，成为无线传感器网络一个测量控制区，采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点，如风机、低压电机、阀门等工作电流偏低的执行机构，构成无线网络，来测量基质湿度、成分、pH值、温度以及空气湿度、气压、光照强度、二氧化碳浓度等，再通过模型分析，自动调控温室环境、控制灌溉和施肥作业，从而获得植物生长的最佳条件。
对于温室成片的农业园区，物联网也可实现自动信息检测与控制。通过配备无线传感节点，每个无线传感节点可监测各类环境参数。通过接收无线传感汇聚节点发来的数据，进行存储、显示和数据管理，可实现所有基地测试点信息的获取、管理和分析处理，并以直观的图表和曲线方式显示给各个温室的用户，同时根据种植植物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息，实现温室集约化、网络化远程管理。
此外，物联网技术可应用到温室生产的不同阶段。在温室准备投入生产阶段，通过在温室里布置各类传感器，可以实时分析温室内部环境信息，从而更好地选择适宜种植的品种；在生产阶段，从业人员可以用物联网技术手段采集温室内温度、湿度等多类信息，来实现精细管理，例如遮阳网开闭的时间，可以根据温室内温度、光照等信息来传感控制，加温系统启动时间，可根据采集的温度信息来调控等；在产品收获后，还可以利用物联网采集的信息，把不同阶段植物的表现和环境因子进行分析，反馈到下一轮的生产中，从而实现更精准的管理，获得更优质的产品。
物联网智能温室技术的发展与优势
据悉，物联网温室项目建设内容来源于北京市农业机械研究所和北京京鹏环球科技股份有限公司承担的国家科技部863项目《植物工厂化生产低碳设施与装备的研究》，以及市科委“十二五”重点课题《盆花生产关键技术和装备的研发示范》，重点进行低碳物联网温室的建筑结构、配套系统、新能源与工厂化装备高度技术集成与创新，在示范温室中进行果菜、花卉、草莓和种苗的试验、展示与生产。京鹏科技公司已经在通州京鹏现代农业科技成果展示园成功完成物联网温室项目。
温室应用物联网技术，可达到改善产品品质、调节生长周期、提高经济效益的目的，尤其是可实现温室管理的高效和精准。对于规模化的温室设施而言，如果借助人工来调控温室内的环境条件，需要大量人手和时间，而且存在难以避免的人工误差。如果应用物联网技术，就只需点击鼠标，在最短的时间里完成人工操作，而且非常严谨，这也是业内看好物联网在现代农业中应用的重要原因。
随着物联网技术普及应用，普通用户可以通过计算机或手机随时接收各种实时采集的精确传感器数据，还可以通过遥控温室内的视频传感器，观察温室的全面情况。产品出圃后，可以由对应的条形码，随时检索到其流通过程。业界普遍认为，物联网农业智能监控系统将在设施农业中得到更广泛应用。