基于WSN的温室CO_2气肥优化调控系统研究

摘要

CO_2是植物进行光合作用的重要原料,合理增施可提高作物的光合速率。为实现温室CO_2气肥的精细管理,设计了基于无线传感器网络(WSN)的温室CO_2气肥调控系统。该系统由监控节点、智能网关和远程管理软件组成,其中监控节点能够自动实时监测温室环境信息(CO_2浓度、光照强度、空气温湿度和土壤温湿度),并控制CO_2增施气阀的开关;智能网关不仅能实现监控节点与远程管理软件之间的通信,还可在本地实现对温室环境信息的显示与存储,以及CO_2增施调控等操作;远程管理软件除了具备基本的数据接收、存储和查询功能外,还可通过建立的光合速率预测模型对CO_2气肥实现远程自动调控。本文以番茄为研究对象,采用开发的系统实时获取环境信息,使用LI-6400XT光合速率仪获取单叶净光合速率,建立了基于支持向量机(SVM)的番茄光合速率预测模型。为了提高预测模型的通用性,实验将苗后期番茄在4个CO_2浓度梯度进行培育,其中C1、C2、C3分别进行700、1 000、1 300μmol/mol浓度的CO_2增施,CK为对照组(CO_2浓度约为450μmol/mol)。数据分析采用SVM算法,以多种环境信息作为输入变量,以单叶净光合速率作为输出变量,得到光合速率预测模型。经过测试与验证,CO_2浓度调控系统能够稳定可靠地采集温室环境信息,适合应用在温室环境中;光合速率模型预测值和实测值相关系数为0.981 5,均方根误差为1.092 5μmol/(m^2·s),具有较好的预测效果,为温室番茄CO_2定量增施调控提供了依据。