農(nóng)田二氧化碳濃度梯度原位同步測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 揚(yáng) 陳寶林 趙新學(xué) 張海淑 王 侃 苑 進(jìn)

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018)

農(nóng)田二氧化碳濃度梯度原位同步測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 揚(yáng)1,2陳寶林1趙新學(xué)1,2張海淑1王 侃1苑 進(jìn)1,2

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018)

為準(zhǔn)確測(cè)量農(nóng)田近地層二氧化碳濃度梯度分布，降低人為測(cè)量所產(chǎn)生的干擾誤差，設(shè)計(jì)了一種二氧化碳濃度梯度原位同步測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)械采集模塊和系統(tǒng)控制模塊組成，機(jī)械采集模塊負(fù)責(zé)采集氣體，系統(tǒng)控制模塊實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)在農(nóng)田中自動(dòng)進(jìn)行二氧化碳濃度梯度分布的測(cè)量，并采用無(wú)線傳輸技術(shù)將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。闡述了測(cè)量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及各模塊設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用Fluent軟件模擬了二氧化碳測(cè)量的抽氣過(guò)程，分析優(yōu)化了測(cè)量管路間隔與抽氣速度、管道直徑的關(guān)系，并進(jìn)行了測(cè)量系統(tǒng)室內(nèi)標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳濃度測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較好地測(cè)量農(nóng)田二氧化碳濃度梯度的分布，測(cè)量誤差不大于4.17%，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田信息的自動(dòng)獲取，對(duì)二氧化碳碳匯信息計(jì)算具有重要意義。

農(nóng)田； 二氧化碳； 濃度梯度測(cè)量； 原位同步測(cè)量

引言

二氧化碳(CO2)是植物光合作用的主要原料，是農(nóng)作物進(jìn)行碳匯的主要途徑。農(nóng)田二氧化碳濃度的監(jiān)控與測(cè)量對(duì)于農(nóng)情信息采集、農(nóng)田碳匯、二氧化碳施肥[1-4]、提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

近地層二氧化碳濃度梯度觀測(cè)作為農(nóng)田二氧化碳濃度測(cè)定的重要組成部分，是通過(guò)對(duì)同一地點(diǎn)不同高度分別進(jìn)行二氧化碳濃度測(cè)量得出的濃度梯度分布。目前觀測(cè)方法有2種：一種是用幾臺(tái)測(cè)試儀在不同高度同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)；另一種是一臺(tái)儀器工作，按時(shí)在各個(gè)高度迅速采樣，分別測(cè)出不同高度空氣中二氧化碳濃度。上述2種方法各有利弊：前者測(cè)量準(zhǔn)確，但成本較高，不適于大面積農(nóng)田使用；后者成本較低，但易受采樣者呼出二氧化碳及氣體擾動(dòng)的影響，且資料不連續(xù)、難同步，觀測(cè)高度也受限制。目前有關(guān)植物冠層二氧化碳濃度梯度分布測(cè)量?jī)x器的研究較少，大多是關(guān)于二氧化碳測(cè)量模塊的研究。田橋等[5]設(shè)計(jì)了一種CZ型六通道氣體采樣自動(dòng)轉(zhuǎn)換器；李正雷等[6]用拉曼激光雷達(dá)探測(cè)對(duì)流層二氧化碳濃度分布；李媛等[7]研制了一種基于MSP430單片機(jī)的二氧化碳測(cè)量系統(tǒng)；王萍[8]設(shè)計(jì)了一種海洋原位二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)。

現(xiàn)有方法均較難避免人為干擾，多數(shù)系統(tǒng)不具備梯度分布測(cè)量，一般需要人工讀數(shù)，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控。為減小測(cè)量過(guò)程中人為因素干擾，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田實(shí)時(shí)二氧化碳濃度梯度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，本文基于STM32F103控制器和GPRS通訊技術(shù)，進(jìn)行二氧化碳濃度梯度分布原位同步測(cè)量系統(tǒng)的研究。

1 測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

二氧化碳濃度梯度分布原位同步測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，包括氣體機(jī)械采集模塊和系統(tǒng)控制模塊兩部分。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

氣體機(jī)械采集模塊主要由微型氣泵、直動(dòng)式二位三通電磁閥和氣體管路組成，有5條支路，用于氣體的暫時(shí)存儲(chǔ)和獨(dú)立測(cè)量。系統(tǒng)控制模塊包括二氧化碳濃度測(cè)量單元、STM32微控制器及GPRS DTU，用于控制泵閥組并與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行通信。此外，氣體管路幾何結(jié)構(gòu)、微氣泵工作時(shí)間、待測(cè)二氧化碳體積以及抽氣過(guò)程中微氣泵的壓力變化等參數(shù)均對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度有影響，有必要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)氣體采集模塊的主要參數(shù)和濃度測(cè)量值進(jìn)行設(shè)計(jì)與補(bǔ)償計(jì)算。

1.1 氣體機(jī)械采集模塊參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)二氧化碳測(cè)量模塊響應(yīng)時(shí)間為T,微型氣泵提供的額定流量為Q，支路總數(shù)為N，二氧化碳濃度測(cè)量所需最小體積為QT，每根長(zhǎng)導(dǎo)氣管內(nèi)從外界抽入的待測(cè)氣體體積為V。為滿足測(cè)量需求，抽入管內(nèi)氣體應(yīng)留有余量，選取導(dǎo)氣管中暫存氣體中間部分參與測(cè)量，設(shè)參與測(cè)量的氣體體積為V0(V>V0>QT)，則導(dǎo)管兩端的氣體余量為(V-V0)/2，設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算式為

l=4V/(πd2)

(1)

t1≥V/Q

(2)

t2=πd2L/(4Q)+(V-V0)/(2Q)

(3)

t3=V0/Q

(4)

式中d——長(zhǎng)導(dǎo)氣管直徑，ml——長(zhǎng)導(dǎo)氣管長(zhǎng)度，mL——干路氣管長(zhǎng)度，mt1——同時(shí)開(kāi)啟所有微型氣泵進(jìn)行抽氣的工作時(shí)間，s

t2——開(kāi)啟每個(gè)支路時(shí)微型氣泵工作時(shí)間，s

t3——測(cè)量模塊工作時(shí)間，s

1.2 氣體測(cè)量濃度補(bǔ)償計(jì)算

微型氣泵抽氣時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣體壓力增大，且在氣體流動(dòng)中產(chǎn)生壓力損失，壓力變化會(huì)直接導(dǎo)致濃度測(cè)量誤差。因此有必要對(duì)氣體流動(dòng)中的壓力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)濃度變化進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償計(jì)算式為

p′=p-pl-Z

(5)

其中

(6)

(7)

vd=4Q/(πd2)

(8)

vD=4Q/(πD2)

(9)

式中p′——二氧化碳測(cè)量模塊中的氣室氣壓p——?dú)怏w出口風(fēng)壓pl——沿程壓力損失Z——局部壓力損失(主要為氣體進(jìn)入氣室時(shí)的突擴(kuò)損失)

vd——管道中氣體流速

vD——?dú)馐抑袣怏w流速

D——?dú)馐抑睆溅选諝饷芏?/p>

λ——沿程阻力系數(shù)

ξ——局部阻力系數(shù)

根據(jù)式(5)～(9)即可計(jì)算出氣室中氣體的壓力，然后根據(jù)氣體的壓縮原理和道爾頓分壓原理可知

(10)

由此可得

(11)

式中ρ0——補(bǔ)償計(jì)算后的二氧化碳濃度p0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力ρ′——未補(bǔ)償時(shí)測(cè)得的二氧化碳濃度

2 氣體機(jī)械采集模塊參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)抽氣測(cè)量時(shí)，不同層位的氣體流動(dòng)情況對(duì)系統(tǒng)二氧化碳濃度測(cè)量精度影響較大，因此有必要對(duì)系統(tǒng)微氣泵抽氣過(guò)程中測(cè)量空間的氣體流動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，研究不同參數(shù)組合條件下氣體的流動(dòng)特性，為氣體機(jī)械采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 仿真模型建立

二氧化碳抽氣模型網(wǎng)格劃分在GAMBIT軟件中完成，根據(jù)裝置實(shí)際結(jié)構(gòu)將模型簡(jiǎn)化為二維模型，取抽氣管路中心的縱切面為研究對(duì)象。為保證計(jì)算精度，采用分區(qū)組合生成網(wǎng)格的技術(shù)，將整個(gè)模型分成抽氣管路和流動(dòng)區(qū)域兩部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為排除計(jì)算網(wǎng)格的影響，對(duì)幾種不同尺度的網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比，最終采用的網(wǎng)格總數(shù)為3萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Mesh split model

計(jì)算過(guò)程中流體為常溫狀態(tài)下的空氣，考慮到作物生長(zhǎng)后期枝葉較茂密，假設(shè)在作物群體內(nèi)部空氣流動(dòng)速度較低。在設(shè)置邊界條件時(shí)，計(jì)算模型左側(cè)為壓力進(jìn)口，右側(cè)除抽氣管路外均為壓力出口，上下兩側(cè)設(shè)為對(duì)稱邊界，抽氣管路為速度入口，考慮管路實(shí)際抽氣情況，設(shè)置速度與抽氣速度大小相等，方向相反。

圖3分別為抽氣管間隔50 mm、抽氣速度0.5 m/s和抽氣管間隔200 mm、抽氣速度3 m/s下測(cè)量空間氣體的流動(dòng)跡線，從圖中可以看出，在抽氣管直徑一定的條件下，抽氣管間隔過(guò)小或抽氣速度過(guò)大時(shí)，測(cè)量空間不同層位氣體流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)相互干擾和竄流問(wèn)題，同時(shí)出流口有回流現(xiàn)象，破壞測(cè)量空間氣體流動(dòng)的穩(wěn)定性。因此，導(dǎo)氣管間隔、抽氣速度、抽氣管直徑等參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，容易使氣體產(chǎn)生擾動(dòng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)二氧化碳濃度測(cè)量的精度，因此仍需對(duì)不同抽氣速度和抽氣管直徑組合下的氣體流動(dòng)特性進(jìn)行分析，確定抽氣管合理的布置間隔及抽氣管直徑。

圖3 測(cè)量空間氣體流動(dòng)跡線圖Fig.3 Airflow traces of measure space

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4 抽氣速度與抽氣管間隔的關(guān)系Fig.4 Relationship between pumping speed and pipe spacing

圖4為不同抽氣管道直徑下抽氣速度與抽氣管間隔之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由圖可以看出，在相同的抽氣管道直徑下，隨著抽氣速度的增加，抽吸流量增加，為避免相鄰管道之間氣流的相互干擾，所需抽氣管道間隔增大；在相同的抽氣速度下，隨著抽氣管道直徑的增加，抽吸流量也增加，所需抽氣管道間隔也將增大。

根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)抽氣速度為0.5 m/s、抽氣管道直徑為6.5 mm時(shí)，管道布置間隔應(yīng)大于250 mm。由圖5設(shè)計(jì)工況下的氣流跡線可以看出，當(dāng)管道布置間隔大于250 mm時(shí)，氣流流動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn)，兩管道之間有部分氣流經(jīng)出流口流出，未出現(xiàn)不同層位管道之間氣體竄流和壓力出口處的氣體回流現(xiàn)象，對(duì)二氧化碳濃度的測(cè)量精度影響較小。因此，在抽氣速度和抽氣管道直徑固定的情況下，管道布置間隔有最小值，當(dāng)管道布置間隔大于最小值時(shí)，對(duì)不同層位二氧化碳濃度的測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖5 設(shè)計(jì)工況下的氣流跡線Fig.5 Airflow traces under design condition

圖7 控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Principle diagram of control system

3 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械采集模塊

氣體機(jī)械采集結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由微型氣泵、直動(dòng)式二位三通電磁閥和導(dǎo)氣管組成，設(shè)計(jì)5條支路。每條支路分別由導(dǎo)氣管、二位三通電磁閥和微型氣泵組成。導(dǎo)氣管分為長(zhǎng)導(dǎo)氣管、短導(dǎo)氣管和連接導(dǎo)氣管，長(zhǎng)導(dǎo)氣管一端安裝鵝頸彎管并接通到大氣中，鵝頸彎管可以防止氣體交換，長(zhǎng)導(dǎo)氣管另一端連接在二位三通電磁閥的進(jìn)氣口上，長(zhǎng)導(dǎo)氣管與二位三通電磁閥之間安裝微型氣泵，短導(dǎo)氣管和連接導(dǎo)氣管一端分別連接在二位三通電磁閥的2個(gè)出氣口上，短導(dǎo)氣管另一端連接大氣，連接導(dǎo)氣管另一端連接在多通接頭上；各個(gè)支路的連接導(dǎo)氣管通過(guò)一個(gè)多通接頭連接在干路氣管上。工作原理是通過(guò)泵閥的操作泵取同一位置不同高度的氣體進(jìn)入長(zhǎng)導(dǎo)氣管暫存，再通過(guò)二位三通閥跳轉(zhuǎn)使長(zhǎng)導(dǎo)氣管內(nèi)的氣體依次進(jìn)入測(cè)量?jī)x進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

圖6 機(jī)械采集結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Mechanical structure diagram of acquisition1.鵝頸彎管 2.導(dǎo)氣管 3.出氣口 4.微型氣泵 5.電磁閥 6.多通接頭

3.2 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊如圖7所示，由主控芯片、通信接口、繼電器模塊、GPRS模塊外圍電路等組成。主控芯片是系統(tǒng)核心部分，選擇STM32F103，主要用于控制繼電器工作及與其他模塊通信[9-12]。

為滿足測(cè)量位置環(huán)境數(shù)據(jù)采集的需要，通信接口主要實(shí)現(xiàn)控制器與二氧化碳測(cè)量模塊、DTU以及溫度風(fēng)速風(fēng)向等外圍傳感器的通信，接口類型有RS-232、RS-485及SPI接口[13-16]，整個(gè)系統(tǒng)由24 V蓄電池供電。

3.3 工作與控制流程

測(cè)量系統(tǒng)控制流程如圖8所示，工作過(guò)程如下：

圖8 控制系統(tǒng)流程圖Fig.8 Flow chart of control system

(1)工作前，切換所有二位三通電磁閥工作位置，使各支路長(zhǎng)導(dǎo)氣管與短導(dǎo)氣管連通，同時(shí)開(kāi)啟所有微型氣泵進(jìn)行抽氣，開(kāi)啟一定時(shí)間(t1≥V/Q)后同時(shí)關(guān)閉所有微型氣泵，此時(shí)，長(zhǎng)導(dǎo)氣管內(nèi)布滿了從外界抽入的待測(cè)氣體，長(zhǎng)導(dǎo)氣管起到暫時(shí)儲(chǔ)氣的作用。抽氣完成后讀取當(dāng)前風(fēng)速風(fēng)向信息。

(2)切換支路1的二位三通閥位置，使支路1與干路氣管連通，開(kāi)啟支路1的微型氣泵將支路1中長(zhǎng)導(dǎo)氣管內(nèi)的氣體泵入二氧化碳濃度測(cè)量模塊進(jìn)行濃度測(cè)量。測(cè)量控制器通過(guò)氣體質(zhì)量流量控制器對(duì)流入二氧化碳測(cè)量模塊的氣體體積V′進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)V′>(V-V0)/2時(shí)，測(cè)量控制器開(kāi)始讀取二氧化碳測(cè)量模塊數(shù)值，當(dāng)V′>(V+V0)/2時(shí)，停止讀取。

(3)同時(shí)切換支路1和支路2的二位三通電磁閥位置，使支路1與干路氣管斷開(kāi)，支路2與干路氣管連通，開(kāi)啟支路2的微型氣泵對(duì)支路2長(zhǎng)導(dǎo)氣管內(nèi)的氣體按照步驟(2)中所述方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完成后，同時(shí)切換支路2和支路3的二位三通閥位置，對(duì)支路3長(zhǎng)導(dǎo)氣管中的氣體進(jìn)行測(cè)量，以此類推，分別測(cè)定所有支路中氣體的二氧化碳濃度。

在測(cè)量系統(tǒng)中可以接收遠(yuǎn)程指令，若接收到遠(yuǎn)程指令，控制系統(tǒng)則對(duì)指令進(jìn)行解析，獲取測(cè)量時(shí)間間隔等信息，并按照遠(yuǎn)程指令信息設(shè)定執(zhí)行程序。若未接收到遠(yuǎn)程指令，系統(tǒng)按照內(nèi)置固定時(shí)間間隔進(jìn)行定時(shí)測(cè)量。為避免管路中殘留氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，測(cè)量時(shí)首先打開(kāi)所有氣泵將外界氣體泵入長(zhǎng)導(dǎo)氣管，排空原氣體并將新氣體在管內(nèi)暫存，然后每個(gè)支路的電磁閥和氣泵工作，將每個(gè)支路暫存的氣體依次泵入二氧化碳測(cè)量模塊，讀取模塊數(shù)據(jù)。測(cè)量完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算同時(shí)讀取外接傳感器的信息，所有信息讀取完成后將二氧化碳信息和傳感器獲取的環(huán)境信息發(fā)送至上位機(jī)，即完成一次測(cè)量。

4 測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

4.1 室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)

為驗(yàn)證儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性，利用已知濃度二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行標(biāo)定，考察儀器各項(xiàng)參數(shù)是否合理并進(jìn)行修正，優(yōu)化測(cè)量?jī)x器以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界氣體的準(zhǔn)確測(cè)量。

在標(biāo)定試驗(yàn)中制作了5個(gè)體積為1.5 L的密封氣箱(圖9)，氣箱兩側(cè)安裝進(jìn)氣孔和出氣孔， 5個(gè)密封氣箱內(nèi)分別注入不同濃度梯度的二氧化碳?xì)怏w，分別將密閉氣箱的進(jìn)氣口和出氣孔接到二氧化碳測(cè)量?jī)x的出氣孔和進(jìn)氣口進(jìn)行測(cè)量，考慮測(cè)量誤差，測(cè)量時(shí)對(duì)每個(gè)試驗(yàn)箱進(jìn)行3次測(cè)量并取平均值作為標(biāo)定數(shù)據(jù)。

圖9 試驗(yàn)標(biāo)定箱Fig.9 Experimental calibration box

由表1可知，每個(gè)標(biāo)定箱均值分別為0.055 1%、0.079 5%、0.119 5%、0.179 4%、0.203 1%(0.203 6%為所選用測(cè)量傳感器的最大量程)。對(duì)氣箱進(jìn)行標(biāo)定后將5個(gè)氣箱分別接入測(cè)量裝置的5個(gè)長(zhǎng)導(dǎo)氣管末端，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)

表2 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2數(shù)據(jù)顯示：通過(guò)對(duì)3組固定濃度密封氣箱的測(cè)量，各個(gè)支路均值誤差分別為2.72%、1.38%、2.51%、0.95%、0.30%，其中測(cè)量數(shù)據(jù)的最高誤差為4.17%，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

4.2 農(nóng)田實(shí)地測(cè)量

農(nóng)田實(shí)地測(cè)量將儀器放置在農(nóng)田實(shí)地環(huán)境中，進(jìn)一步觀察測(cè)量結(jié)果及觀察各傳感器的工作狀況。試驗(yàn)環(huán)境如圖10所示，試驗(yàn)對(duì)象為抽穗期玉米，裝置安放在田間的測(cè)量高度分別為0、0.6、1.2、1.8、2.4 m。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制各梯度二氧化碳濃度隨時(shí)間變化曲線如圖11所示。分析在24 h內(nèi)不同垂直高度上二氧化碳濃度的變化情況。

圖10 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.10 Experiment scene

圖11 二氧化碳濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Curves of CO2 concentration changes with time

分析結(jié)果表明，在實(shí)地測(cè)量中發(fā)現(xiàn)農(nóng)田中二氧化碳濃度隨梯度發(fā)生明顯變化。在農(nóng)田環(huán)境中，由于土壤呼吸作用釋放二氧化碳，作物底部地表附近的二氧化碳濃度最高，作物頂部二氧化碳濃度與外界濃度相同，作物冠層二氧化碳濃度變化與時(shí)間相關(guān)，在21：00—08：00，二氧化碳濃度隨高度升高呈遞減趨勢(shì)，而在09：00—20：00，二氧化碳濃度隨高度升高先降低后升高，在1.2 m處達(dá)到最低。出現(xiàn)上述變化的原因是夜晚土壤呼吸產(chǎn)生的二氧化碳較多，植物冠層呼吸產(chǎn)生的二氧化碳較少，因此出現(xiàn)二氧化碳隨高度增加而逐級(jí)遞減的情況。而在白天仍然是土壤呼吸占據(jù)主導(dǎo)作用，植株底部產(chǎn)生大量二氧化碳，而植株中部由于光合作用的存在，吸收了大量的二氧化碳，植株中部二氧化碳濃度降低較為明顯。

在圖11中，曲線總體呈現(xiàn)波動(dòng)變化的趨勢(shì)，二氧化碳濃度最高值出現(xiàn)在04:00—08:00，最低值出現(xiàn)在12:00—15:00，出現(xiàn)上述變化主要是由植物光合作用和呼吸作用導(dǎo)致的，04:00—08：00植物呼吸累積了大量二氧化碳，在12:00—15：00時(shí)由于光合作用吸收了大量二氧化碳，所以呈現(xiàn)如圖11所示變化。其中1.2 m處二氧化碳濃度變化最為劇烈，而2.4 m處二氧化碳濃度變化較為平緩。

5 結(jié)論

(1)本測(cè)量系統(tǒng)采用自動(dòng)控制技術(shù)與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，在田間安裝后能進(jìn)行二氧化碳濃度測(cè)量，按照設(shè)定時(shí)間間隔或手動(dòng)將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，測(cè)量操作簡(jiǎn)便。

(2)由仿真結(jié)果可知，隨著抽氣速度和管道直徑的增加，抽吸流量增加，為避免相鄰管道之間氣流相互干擾，所需抽氣管道間隔增大，當(dāng)抽氣速度為0.5 m/s、抽氣管道直徑為6.5 mm時(shí)，管道布置間隔應(yīng)大于250 mm。

(3)基于STM32F103的二氧化碳濃度測(cè)量系統(tǒng)可以通過(guò)泵閥的操作，同時(shí)抽取外界不同環(huán)境下的氣體，暫存在導(dǎo)氣管內(nèi)分時(shí)進(jìn)行測(cè)量，并經(jīng)過(guò)補(bǔ)償計(jì)算，測(cè)量誤差不大于4.17%，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行二氧化碳濃度梯度測(cè)量。

(4)通過(guò)本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程觀測(cè)農(nóng)田二氧化碳濃度梯度變化，了解農(nóng)田環(huán)境信息，對(duì)二氧化碳碳匯信息計(jì)算具有重要意義。

1 王紅玉,曲英華,周士力,等.CO2增施與養(yǎng)分交互作用對(duì)日光溫室番茄生長(zhǎng)的影響[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(增刊)：182-188.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2014s129&flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.S0.029. WANG Hongyu, QU Yinghua, ZHOU Shili， et al. Interactive effect of CO2enrichment and nutrient on growth of tomato in solar greenhouse[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(Supp.):182-188. (in Chinese)

2 鄭智旗,王樹(shù)東,何進(jìn),等.耕作措施對(duì)京郊冬小麥農(nóng)田CO2、CH4排放通量的影響[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(增刊)：189-195. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2014s130&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.S0.030. ZHENG Zhiqi, WANG Shudong, HE Jin, et al. Influences of tillage methods on carbon dioxide and methane fluxes from winter wheat fields in Beijing’s suburb[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(Supp.):189-195. (in Chinese)

3 畢玉革,麻碩士,崔紅梅,等.北方干寒地區(qū)日光溫室CO2預(yù)測(cè)模型建立與冬季試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(12)：183-189. BI Yuge, MA Shuoshi, CUI Hongmei, et al. Forecasting model of CO2concentration of solar greenhouse in the northern drought cold area and experimental verification in winter[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2010,41(12):183-189. (in Chinese)

4 宋秋來(lái),趙澤松,龔振平,等.東北黑土區(qū)旱作農(nóng)田土壤CO2排放規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(23)：200-207. SONG Qiulai, ZHAO Zesong, GONG Zhenping, et al.CO2emission law of dry farmland soil in black soil region of Northeast China[J]. Transactions of the CSAE,2012,28(23):200-207. (in Chinese)

5 田橋,仝乘風(fēng).CZ型六通道氣體采樣自動(dòng)轉(zhuǎn)換器[J].農(nóng)業(yè)氣象,1984(4):51,63.

6 李正雷,范廣強(qiáng),胡順星,等. 拉曼激光雷達(dá)探測(cè)對(duì)流層二氧化碳濃度分布[J].科技信息,2012(16):149-150. LI Zhenglei, FAN Guangqiang, HU Shunxing, et al. Detection of carbon dioxide concentration in troposphere by Raman [J]. Science and Technology Information, 2012(16):149-150. (in Chinese)

7 李媛,王太宏,項(xiàng)瑩瑩. 基于MSP430單片機(jī)的二氧化碳測(cè)量系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2009(23):6-7. LI Yuan, WANG Taihong, XIANG Yingying. Carbon dioxide measurement system based on MSP430 single chip microcomputer [J]. Microcomputer Information, 2009(23):6-7. (in Chinese)

8 王萍.海洋原位二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D] .杭州：浙江大學(xué),2013. WANG Ping. Design of in-situ carbon dioxide detection system [D]. Hangzhou：Zhejiang University, 2013. (in Chinese)

9 陳天華,唐海濤.基于ARM和GPRS的遠(yuǎn)程土壤墑情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(3)：162-166. CHEN Tianhua, TANG Haitao. Remote monitoring and forecasting system of soil moisture based on ARM and GPRS [J].Transactions of the CSAE,2012,28(3):162-166. (in Chinese)

10 王雙喜,高昌珍,楊存棟,等.溫室CO2氣體濃度環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(3)：84-86. WANG Shuangxi， GAO Changzhen， YANG Cundong, et al. Auto-controlling system of CO2concentration in modernized greenhouse [J]. Transactions of the CSAE,2002,18(3):84-86. (in Chinese)

11 王志平,程韜波. 基于GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2005,18(3):3-4. WANG Zhiping, CHENG Taobo. Design of data center for remote wireless monitoring system based on GPRS [J]. Industrial Control Computer, 2005,18(3):3-4.(in Chinese)

12 張海輝，邵志成，張佐經(jīng)，等. 基于無(wú)線傳感網(wǎng)的設(shè)施二氧化碳精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017,48(3):325-331,360. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170341&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.041. ZHANG Haihui, SHAO Zhicheng, ZHANG Zuojing, et al. Regulation system of CO2in facilities based on wireless sensor network[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017,48(3):325-331,360. (in Chinese)

13 秦琳琳,陸林箭,石春,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(3):261-267.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150338&flag=1. DOI:10.6041 /j.issn.1000-1298.2015.03.038. QIN Linlin, LU Linjian, SHI Chun, et al. Implementation of IOT-based greenhouse intelligent monitoring system[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(3):261-267. (in Chinese)

14 曹柏榮,謝東曉.二氧化碳濃度的測(cè)量與控制[J].儀表技術(shù),2006(1):54-56. CAO Borong, XIE Dongxiao. Measurement and control of carbon dioxide concentration [J]. Instrumentation Technology, 2006(1):54-56.(in Chinese)

15 單慧勇,崔靖林,趙輝,等. 基于Arduino的溫室二氧化碳?xì)夥试鍪┛刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 北方園藝,2015(2):40-42. SHAN Huiyong, CUI Jinglin, ZHAO Hui, et al. Design of control system for carbon dioxide gas fertilizer application in greenhouse based on Arduino [J]. Northern Horticulture, 2015(2):40-42.(in Chinese)

16 李少華,謝守勇,陳翀,等. 基于單片機(jī)控制的溫室二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2013(6):178-181. LI Shaohua, XIE Shouyong, CHEN Yu, et al. Design of carbon dioxide control system in greenhouse based on single chip microcomputer [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013(6):178-181.(in Chinese)

Optimal Design and Experiment of Farmland Carbon Dioxide Concentration Gradient In-situ Synchronous Measuring System

LI Yang1,2CHEN Baolin1ZHAO Xinxue1,2ZHANG Haishu1WANG Kan1YUAN Jin1,2

(1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofHorticulturalMachineryandEquipment,Taian271018,China)

In order to measure the distribution of carbon dioxide (CO2) concentration gradient in farmland accurately, and reduce the interference error caused by manual measurement, a CO2concentration gradient in-situ synchronous measurement system was designed, which was equipped in farmland to measure CO2concentration gradient automatically, and the measurement data could be sent to the host computer server via GPRS wireless transmission technology. The system was composed of a mechanical collection module and an electrical control module. The mechanical acquisition module was responsible for the gas collection, and the system control module was used to realize the automatic measurement of CO2concentration. The overall structure of the measurement system and the design of each module were introduced, and the pumping process of carbon dioxide measurement was simulated by computational fluid dynamics (CFD) software. The relationships between the distance of the measurement pipeline and the pumping speed, as well as the diameter of the pipeline were analyzed to optimize the system design. The indoor system calibration and outdoor field measurement of carbon dioxide concentration were implemented. The experimental results showed that the system could measure the concentration gradient of farmland carbon dioxide, and the measurement error was not more than 4.17%. The system could realize the automatic acquisition of cropland information, which had important significance to the carbon sequestration information calculation.

farmland; carbon dioxide; concentration gradient measurement; in-situ synchronous measurement

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.018

2016-10-17

2016-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475278)、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA102301)、山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新課題和山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015YB201)

李揚(yáng)(1982—)，男，講師，博士，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和智能控制方法研究，E-mail: mtlyab@sdau.edu.cn

苑進(jìn)(1972—)，男，教授，博士，主要從事智能機(jī)電控制技術(shù)研究，E-mail: jyuan@sdau.edu.cn

S163+.5； P463.2

A

1000-1298(2017)06-0138-07