CN111226658A - 基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统及方法。包括气体循环装置、气体改良装置、控制系统。气体循环装置将温室底部气体吸取输送至作物上方使气体由上至下主动循环；气体改良装置用于吸取气体并对气体进行除湿、增温或增加CO₂浓度、臭氧浓度；控制系统用于控制装置精准运行。本发明的作业方法：控制系统综合调控温室内气体循环，由气体循环装置吸取温室内气体并将经改良后的气体释放，不断改良温室内空气质量，有利于保障温室内作物生产。

Description

基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统及方法

技术领域

本发明属于设施农业技术领域，涉及一种基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统及方法，用于日光温室内CO₂浓度和空气温度、湿度调节及杀菌消毒作业。

背景技术

近年来，我国设施农业产业迅速发展，在日光温室蔬菜种植面积及产量上已经成为世界第一大国。设施蔬菜多以反季节蔬菜为主，日光温室作为高集约化的生产方式,有着极高的经济效益。但是，在生产中，日光温室长期处于密封状态，温室内部空气质量调控一直是个重要的问题，其中，主要包括：湿度高，尤其是在冬季夜间，温度较低时空气相对湿度接近饱和；温室内设备缺乏，无加温设备，遇到连续低温天气易引起冻害；无CO₂气体施肥设备，作物产量低；在这种低温、高湿或高温、高湿环境下，容易引起某些作物病虫害的发生，导致温室内空气中携带大量细菌、病毒。因此，要想实现设施蔬菜的优质高效生产，就必须解决好温室内空气质量调控的问题。

针对温室内湿度调控的问题，国内学者研究出了新性温室湿度调控方法及设备，申请的专利主要包括：专利号“201710539033.7”一种新型温室湿度调节机构；专利号“201820511551.8”一种农业温室湿度调节装置。此类装置主要采用了喷雾、喷水、排气的方式结合湿度传感器进行调控。此类方法虽然比传统的通风排气方法的控制水平和自动化程度有所提高，但是依然无法解决冬季温室内通风排湿会造成温度大幅下降及空气分布式抽取问题，而且这些系统的一些缺点还包括系统故障，喷嘴堵塞，高能耗或高昂的维护费用。

相比国外的温室湿度控制技术，在《Control Engineering Practice》中2006年发表的《Simulation of humidity control and greenhouse temperature tracking in agrowth chamber using a passive air conditioning unit》中提出的一种空气调控设备，设备内部包含两个箱体和一个风机，一个是产生干燥空气，一个是通过给箱体内部的衬垫灌水产生相对湿度饱和的空气，再通过控制两个箱体的通风量来给温室持续输送合适的相对湿度的空气。此方法使温室内湿度能保持恒定，给作物提供设定的湿度环境。但是此设备对温室密封性要求高，设备研制成本高且能耗高。

以上几种设备和方法的共性在于调控功能较为单一，对于冬季除湿这一问题无法很好的解决通风与热量损失的矛盾以及空气循环效果不好的问题。

发明内容

为了克服以上技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统及方法，用于日光温室内CO₂浓度和空气温度湿度调节及杀菌消毒作业，具有低成本、多功能，使用维护成本低等优点。

本发明基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统，其特征在于：包括气体循环装置、气体改良装置、控制系统。所述的气体循环装置是将温室底部气体吸取输送形成负压，将改良气体输送至作物上方使气体由上至下主动循环；所述的气体改良装置是用于吸取气体并对气体进行除湿、增温或增加CO₂浓度、臭氧浓度处理，用于主动循环至温室内部；所述的控制系统是用于控制气体循环装置、气体改良装置精准运行。

所述的气体循环装置包括主通风管、分布伸缩通风管、输风管、固定绳，所述的主通风管位于地面种植区一侧，输送气体至气体改良装置；所述的分布伸缩通风管一端和主通风管连接，另一端可自由伸缩进入种植区行间隙吸取气体；所述的输风管是将改良气体输送至种植区上方，进行主动循环；所述的固定绳两端固定在温室墙体上，负责支撑悬吊通风管。

所述的气体改良装置包括除湿机、暖风机、臭氧机、CO₂发生器、通风管组件、通风阀。所述的除湿机进风端连接主通风管的出风端，对吸取的气体进行除湿处理；所述的暖风机进风口连接除湿机出风口，吸取气体并对通过的空气进行增温处理；所述的暖风机加热功率可调；所述的臭氧机制造臭氧并随输风管排放到温室中进行杀菌消毒；所述的CO₂发生器接入输风管路中，产生CO₂并输送至种植区进行CO₂施肥；所述的通风管组件是用于连接除湿机、暖风机、臭氧机、CO₂发生器和通风阀等部件；所述的通风阀是用于管路的通断。

所述的控制系统包括控制箱、主控器、除湿机控制器、暖风机控制器、臭氧机控制器、CO₂控制器、通风阀驱动器、变压器、传感器模块、输入输出接口和电源。所述的控制箱用于安装主控器、除湿机控制器、暖风机控制器、臭氧机控制器、CO₂控制器；所述的主控器选用STM32型单片机；所述的除湿机控制器一端连接主控器，一端连接除湿机，主控器发出信号控制除湿机工作；所述的暖风机控制器一端连接主控器，一端连接暖风机，主控器发出信号控制暖风机工作模式；所述的臭氧机控制器一端连接主控器，一端连接臭氧机，主控器发出信号控制臭氧机的工作；所述的CO₂控制器一端连接主控器，一端连CO₂发生器，主控器发出信号控制CO₂发生器的工作；所述的通风阀驱动器一端连接主控器，一端连接不同部位的通风阀，主控器发出信号控制相应位置的通风阀开闭；所述的变压器将电源输出的交流电转化为控制器、驱动器所需的电压；所述的传感器模块包括风速风量传感器、温湿度传感器、臭氧浓度传感器及CO₂浓度传感器；所述的输入输出接口用于串接主控器、除湿机控制器、暖风机控制器、臭氧机控制器、CO₂控制器、通风阀驱动器、变压器、传感器模块；所述的电源可为控制系统提供电能。

本发明基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统工作方法，其特征在于：步骤如下：

1)准备工作：接通工作电源，对主控器、除湿机、暖风机、臭氧机、CO₂发生器、通风阀、通风阀驱动器、传感器模块进行供电；将分布式伸缩通风管按需求布置在种植区行间空隙，检查管路是否通风顺畅；

2)除湿作业：需要除湿作业时，打开除湿机管路通风阀，暖风机开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管、主通风管、暖风机、除湿机、输风管排出除湿处理的气体，在底部负压的吸引下完成种植区自上至下的气体循环，待达到指定的湿度时，结束除湿作业；

3)增温作业：需要增温作业时，调整暖风机加热功率和风速，种植区底部气体通过分布伸缩通风管、主通风管、暖风机、输风管排出加热后的气体，在底部负压的吸引下完成种植去自上而下的气体循环，待达到指定的温度时，结束增温作业；

4)杀菌消毒作业：需要杀菌消毒作业时，调整臭氧机释放的臭氧量并打开臭氧出口的通风阀，暖风机开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管、主通风管、暖风机、输风管排出含有臭氧的气体，在底部负压的吸引下完成种植区自上而下的气体循环，待达到指定的臭氧浓度时，结束杀菌消毒作业；

5)CO₂施肥作业：需要CO₂施肥作业时，调整CO₂发生器释放的CO₂含量并打开CO₂发生器出口的通风阀，暖风机开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管、主通风管、暖风机、输风管排出含有CO₂的气体，在底部负压的吸引下完成种植区自上而下的气体循环，待达到指定的CO₂浓度时，结束CO₂施肥作业；

6)结束复位：完成温室内气体循环调控后，分布式伸缩通分管回收至起始位置，关闭电源。

与现在技术相比，本发明所具有的有益效果：

1、采用分布式主动循环的方式实现种植区的空气循环，温室内空气循环的均匀性与针对性大大改善，提高了气体处理效率。

2、温室空气循环作业当中可根据需求进行除湿、增温、杀菌消毒、气体施肥作业，具有多功能、成本低、效率高等优点。

3、分布伸缩通风管工作时可根据需求布置在种植区行间空隙，其他时间不会影响作物管理，结构紧凑。

附图说明

图1为分布式主动循环温室空气质量调控系统整体结构图；

图2为温室内空气主动循环整体示意图；

图3为分布伸缩通风管与输风管开孔气流示意图；

图4为温室空气质量控制系统示意图。

图中：1、分布伸缩通风管2、主通风管3、臭氧机4、通风阀5、通风管组件6、CO₂发生器7、暖风机8、除湿机9、输风管10、固定绳

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利进行进一步描述。本发明基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统，如图1所示，所述的气体循环装置包括主通风管(2)、分布伸缩通风管(1)、输风管(9)和固定绳(10)。所述的主通风管(2)位于地面种植区一侧，输送气体至气体改良装置；所述的分布伸缩通风管(1)一端和主通风管(2)连接，另一端可自由伸缩进入种植区行间隙吸取气体；所述的输风管(9)是将改良气体输送至种植区上方，进行主动循环；所述的固定绳(10)两端固定在温室两侧墙体上，负责支撑悬吊通风管。

所述的气体改良装置包括除湿机(8)、暖风机(7)、臭氧机(3)、CO₂发生器(6)、通风管组件(5)、通风管组件(4)。所述的除湿机(8)进风端连接主通风管(2)的出风端，对吸取的空气进行除湿处理；所述的暖风机(7)进风口连接除湿机(8)出风口，对空气进行吸取并对通过的空气进行增温处理；所述的暖风机(7)进风口连接除湿机(8)出风口，吸取气体并对通过的气体进行增温处理；所述的暖风机加热功率可调；所述的臭氧机(3)制造臭氧并随输风管(9)排放到温室中进行杀菌消毒；所述的CO₂发生器(6)接入输风管(9)路中，产生CO₂并输送至种植区进行CO₂施肥；所述的通风管组件(5)是用于连接除湿机(8)、暖风机(7)、臭氧机(3)、CO₂发生器(6)和通风管组件(4)等部件；所述的通风管组件(4)是用于管路的通断。

本发明的空气循环路线如图2、3所示：作物下方空气由分布伸缩通风管(1)输入至主通风管(2)后经过气体改良模块将改良的气体由输风管(9)上的出风孔排出向下流动，形成主动循环。

本发明的温室空气质量控制系统如图4所示：所述的控制系统包括控制箱、主控器、除湿机(8)控制器、暖风机(7)控制器、臭氧机(3)控制器、CO₂控制器、通风管组件驱动器、变压器、传感器模块、输入输出接口和电源。所述的控制箱用于安装主控器、除湿机控制器、暖风机控制器、臭氧机控制器、CO₂控制器；所述的主控器选用STM32型单片机；所述的除湿机控制器一端连接主控器，一端连接除湿机(8)，主控器发出信号控制除湿机(8)工作；所述的暖风机控制器一端连接主控器，一端连接暖风机(7)，主控器发出信号控制暖风机(7)工作模式；所述的臭氧机控制器一端连接主控器，一端连接臭氧机(3)，主控器发出信号控制臭氧机(3)的工作；所述的CO₂控制器一端连接主控器，一端连CO₂发生器(6)，主控器发出信号控制CO₂发生器(6)的工作；所述的通风管组件驱动器一端连接主控器，一端连接不同部位的通风管组件(4)，主控器发出信号控制相应位置的通风管组件(4)开闭；所述的变压器将电源输出的交流电转化为控制器、驱动器所需的电压；所述的传感器模块包括风速风量传感器、温湿度传感器、臭氧浓度传感器及CO₂浓度传感器；所述的输入输出接口用于串接主控器、除湿机控制器、暖风机控制器、臭氧机控制器、CO₂控制器、通风管组件驱动器、变压器、传感器模块；所述的电源可为控制系统提供电能。

本发明的工作过程：

1)准备工作：接通工作电源，对主控器、除湿机(8)、暖风机(7)、臭氧机(3)、CO₂发生器(6)、通风管组件(4)、通风管组件(4)驱动器、传感器模块进行供电；将分布式伸缩通风管按需求布置在种植区行间空隙，检查管路是否通风顺畅；

2)除湿作业：需要除湿作业时，打开除湿机(8)管路通风管组件(4)，暖风机(7)开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管(1)、主通风管(2)、暖风机(7)、除湿机(8)、输风管(9)排出除湿处理的气体，在底部负压的吸引下完成种植区自上至下的气体循环，待达到指定的湿度时，结束除湿作业；

3)增温作业：需要增温作业时，调整暖风机(7)加热功率和风速，种植区底部气体通过分布伸缩通风管(1)、主通风管(2)、暖风机(7)、输风管(9)排出加热后的气体，在底部负压的吸引下完成种植去自上而下的气体循环，待达到指定的温度时，结束增温作业；

4)杀菌消毒作业：需要杀菌消毒作业时，调整臭氧机(3)释放的臭氧量并打开臭氧出口的通风管组件(4)，暖风机(7)开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管(1)、主通风管(2)、暖风机(7)、输风管(9)排出含有臭氧的气体，在底部负压的吸引下完成种植去自上而下的气体循环，待达到指定的臭氧浓度时，结束杀菌消毒作业；

5)CO₂施肥作业：需要CO₂施肥作业时，调整CO₂发生器(6)释放的CO₂含量并打开CO₂发生器(6)出口的通风管组件(4)，暖风机(7)开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管(1)、主通风管(2)、暖风机(7)、输风管(9)排出含有CO₂的气体，在底部负压的吸引下完成种植去自上而下的气体循环，待达到指定的CO₂浓度时，结束CO₂施肥作业；

6)结束复位：完成温室内气体循环调控后，分布式伸缩通分管回收至起始位置，关闭电源。

Claims (2)

1.一种基于分布式主动循环的温室空气质量调控系统，其特征在于：包括气体循环装置、气体改良装置、控制系统组成；

所述的气体循环装置包括主通风管、分布伸缩通风管、输风管、固定绳，所述的主通风管位于地面种植区一侧，输送气体至气体改良装置；所述的分布伸缩通风管一端和主通风管连接，另一端可自由伸缩进入种植区行间隙吸取气体；所述的输风管是将改良气体输送至种植区上方，进行主动循环；所述的固定绳两端固定在温室墙体上，负责支撑悬吊通风管；

所述的气体改良装置包括除湿机、暖风机、臭氧机、CO₂发生器、通风管组件、通风阀。所述的除湿机进风端连接主通风管的出风端，对吸取的气体进行除湿处理；所述的暖风机进风口连接除湿机出风口，吸取气体并对通过的空气进行增温处理；所述的暖风机加热功率可调；所述的臭氧机制造臭氧并随输风管排放到温室中进行杀菌消毒；所述的CO₂发生器接入输风管路中，产生CO₂并输送至种植区进行CO₂施肥；所述的通风管组件是用于连接除湿机、暖风机、臭氧机、CO₂发生器和通风阀等部件；所述的通风阀是用于管路的通断；

所述的控制系统包括控制箱、主控器、除湿机控制器、暖风机控制器、臭氧机控制器、CO₂控制器、通风阀驱动器、变压器、传感器模块、输入输出接口和电源。所述的控制箱用于安装主控器、除湿机控制器、暖风机控制器、臭氧机控制器、CO₂控制器；所述的主控器选用STM32型单片机；所述的除湿机控制器一端连接主控器，一端连接除湿机，主控器发出信号控制除湿机工作；所述的暖风机控制器一端连接主控器，一端连接暖风机，主控器发出信号控制暖风机工作模式；所述的臭氧机控制器一端连接主控器，一端连接臭氧机，主控器发出信号控制臭氧机的工作；所述的CO₂控制器一端连接主控器，一端连CO₂发生器，主控器发出信号控制CO₂发生器的工作；所述的通风阀驱动器一端连接主控器，一端连接不同部位的通风阀，主控器发出信号控制相应位置的通风阀开闭；所述的变压器将电源输出的交流电转化为控制器、驱动器所需的电压；所述的传感器模块包括风速风量传感器、温湿度传感器、臭氧浓度传感器及CO₂浓度传感器；所述的输入输出接口用于串接主控器、除湿机控制器、暖风机控制器、臭氧机控制器、CO₂控制器、通风阀驱动器、变压器、传感器模块；所述的电源可为控制系统提供电能。

2.根据权利要求1所述的基于分布式主动循环的温室空气质量调控方法，其特征在于：步骤如下：

1)准备工作：接通工作电源，对主控器、除湿机、暖风机、臭氧机、CO₂发生器、通风阀、通风阀驱动器、传感器模块进行供电；将分布式伸缩通风管按需求布置在种植区行间空隙，检查管路是否通风顺畅；

2)除湿作业：需要除湿作业时，打开除湿机管路通风阀，暖风机开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管、主通风管、暖风机、除湿机、输风管排出除湿处理的气体，在底部负压的吸引下完成种植区自上至下的气体循环，待达到指定的湿度时，结束除湿作业；

3)增温作业：需要增温作业时，调整暖风机加热功率和风速，种植区底部气体通过分布伸缩通风管、主通风管、暖风机、输风管排出加热后的气体，在底部负压的吸引下完成种植去自上而下的气体循环，待达到指定的温度时，结束增温作业；

4)杀菌消毒作业：需要杀菌消毒作业时，调整臭氧机释放的臭氧量并打开臭氧出口的通风阀，暖风机开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管、主通风管、暖风机、输风管排出含有臭氧的气体，在底部负压的吸引下完成种植去自上而下的气体循环，待达到指定的臭氧浓度时，结束杀菌消毒作业；

5)CO₂施肥作业：需要CO₂施肥作业时，调整CO₂发生器释放的CO₂含量并打开CO₂发生器出口的通风阀，暖风机开始工作，种植区底部气体通过分布伸缩通风管、主通风管、暖风机、输风管排出含有CO₂的气体，在底部负压的吸引下完成种植去自上而下的气体循环，待达到指定的CO₂浓度时，结束CO₂施肥作业；

6)结束复位：完成温室内气体循环调控后，分布式伸缩通分管回收至起始位置，关闭电源。

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