基于作物需求的设施二氧化碳智能调控技术研发

摘要

二氧化碳是作物光合作用暗反应过程中的重要物质，但设施环境中二氧化碳变化趋势与作物实际需求呈负相关关系。传统设施环境二氧化碳调控多限于单因子阈值方式，无法根据作物实际需求进行调控，导致作物光合速率相对较低;且在二氧化碳调控均匀性方面研究较少，导致设施二氧化碳调控空间浓度分布不均。针对上述问题，本文提出基于作物需求的设施二氧化碳智能调控方法，融合小波神经网络的粒子群寻优算法，构建设施作物二氧化碳调控模型，设计以无线传感器网络为基础的智能监控设备，根据流体力学相关原理，设计开孔大小不同的气体导输管道，系统实现设施环境二氧化碳动态调控的目的，满足按需、精准、均匀调控的需求。二氧化碳智能调控系统的成功研发，对于完善设施小环境全方位智能调控起到了重要的补充作用。
　　本文主要研究内容包括:
　　(1)建立了作物光合速率模型，构建了设施二氧化碳调控模型。通过构建设施番茄二氧化碳响应试验，获取不同温度、光照、二氧化碳梯度下的光合速率试验数据，通过应用小波神经网络算法，建立光合速率预测模型，预测模型的相关系数为0.99，预测输出的平均绝对误差小于0.8;根据建立的光合速率模型，在不同温度、光照条件下，通过粒子群算法对光合速率进行极值寻优，获取对应二氧化碳饱和点，建立了二氧化碳调控模型，通过模型值与理论值进行对比，得出两者之间的相关系数大于0.954左右，相对误差小于4％，可证明构建的调控模型精度较高。
　　(2)构建基于无线传感器网络的设施二氧化碳调控系统。根据不同节点在网络架构中功能的差异，调控系统分为主控、监测、补施3个模块。系统硬件开发主要包括电源模块、外接传感器、模块间通信电路等原理图、PCB设计，从而完成信息采集，获取以及交互等硬件平台搭建;系统软件开发主要包括基于Linux工控机底层驱动与上层处理软件的编程，以及基于ZigBee无线传感器网络的二次软件编程，从而完成实现基于无线传感器网络的设施环境的监测、处理以及二氧化碳浓度控制功能。
　　(3)二氧化碳调控精准性、均匀性及有效性等功能与性能验证。根据流体力学相关理论分析，依据不同压强、相对深度等条件，结合气体射流理论，计算管道相对深度与开孔大小之间的关系，设计不同开孔大小的补施管道，保证各出气孔瞬时流量相同。通过部署整套系统并进行试验测试分析，结果表明，系统二氧化碳调控误差小于3.5％，系统补施均匀性变异系数小于3％;通过对照试验，验证二氧化碳调控系统对作物实际光合速率效果的影响，试验表明，二氧化碳调控区域作物光合速率得到了相对提升。系统较好地满足了设施环境二氧化碳调控需求。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 设施环境调控模型相关研究

1．2．2 设施环境调控技术相关研究

1．3 研究内容

1．4 技术路线

1．5 论文组织结构

第二章 系统需求分析与总体设计

2．1 设施作物光合机理分析

2．2 系统设计要求

2．2．1 功能需求

2．2．2 性能要求

2．3 设施二氧化碳调控总体设计

2．4 关键技术分析

2．4．1 无线传感技术分析与设计

2．4．2 智能数据分析方法

2．5 本章小结

第三章 设施作物二氧化碳调控模型研究

3．1 设施作物二氧化碳响应试验

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验方案

3．1．3 试验结果分析

3．2 二氧化碳调控模型构建

3．2．1 基于小波神经网络的作物光合速率模型构建

3．2．2 基于粒子群算法的多因子耦合寻优模型研究

3．2．3 作物二氧化碳调控模型建立

3．3 模型验证试验

3．3．1 试验方法

3．3．2 验证结果分析

3．4 本章小结

第四章 二氧化碳监测与智能调控系统设计

4．1 系统软硬件总体设计

4．2 系统硬件设计

4．2．1 设备硬件选型

4．2．2 主控节点硬件设计

4．2．3 监测节点硬件设计

4．2．4 补施节点硬件设计

4．3 系统软件设计

4．3．1 主控节点软件开发

4．3．2 监测节点软件开发

4．3．3 补施节点软件开发

4．4 系统总体实现

4．5 本章小结

第五章 二氧化碳调控系统测试与验证

5．1 设备部署

5．2 调控参数计算

5．2．1 补施参数计算

5．2．2 补施管道设计

5．3 调控效果验证

5．3．1 调控精准性验证

5．3．2 调控均匀性验证

5．3．3 调控有效性验证

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

作者简介