本發(fā)明涉及一種人造植物光合系統(tǒng)，具體涉及一種基于CAN總線的人工模擬植物光合作用系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)為通過培育動(dòng)植物生產(chǎn)食品及工業(yè)原料的產(chǎn)業(yè)。農(nóng)業(yè)屬于第一產(chǎn)業(yè)，研究農(nóng)業(yè)的科學(xué)是農(nóng)學(xué)。農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)對(duì)象是有生命的動(dòng)植物，獲得的產(chǎn)品是動(dòng)植物本身．我們把利用動(dòng)物植物等生物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，通過人工培育來獲得產(chǎn)品的各部門，統(tǒng)稱為農(nóng)業(yè)．農(nóng)業(yè)是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)是人們利用動(dòng)植物體的生活機(jī)能，把自然界的物質(zhì)和能轉(zhuǎn)化為人類需要的產(chǎn)品的生產(chǎn)部門?，F(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)分為植物栽培和動(dòng)物飼養(yǎng)兩大類。土地是農(nóng)業(yè)中不可替代的在基本生產(chǎn)資料，勞動(dòng)對(duì)象主要是有生命的動(dòng)植物，生產(chǎn)時(shí)間與勞動(dòng)時(shí)間不一致，受自然條件影響大，有明顯的區(qū)域性和季節(jié)性。農(nóng)業(yè)是人類衣食之源、生存之本，是一切生產(chǎn)的首要條件。它為國(guó)民經(jīng)濟(jì)其他部門提供糧食、副食品、工業(yè)原料、資金和出口物資。農(nóng)村又是工業(yè)品的最大市場(chǎng)和勞動(dòng)力的來源。21世紀(jì)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要階段，生命科學(xué)和其它最新科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，將使世界農(nóng)業(yè)發(fā)生根本性的變化。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，生物基因庫的建成，遺傳工程的崛起，克隆技術(shù)和生物固氮技術(shù)的廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)的面貌將為之一新。工業(yè)化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以投入大量物質(zhì)和能量為標(biāo)志，促進(jìn)了生產(chǎn)力的大幅度提高，但也帶來了能源枯竭、環(huán)境污染和生態(tài)失調(diào)等嚴(yán)重的社會(huì)問題。來出現(xiàn)的新科學(xué)技術(shù)革命中，產(chǎn)生了一批新的技術(shù)群，如生物工程技術(shù)、新能源技術(shù)、微電子技術(shù)、原子能技術(shù)、空間技術(shù)和海洋技術(shù)等等。這些科學(xué)技術(shù)成果正不同程度地在農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用，為解決工業(yè)化農(nóng)業(yè)帶來的環(huán)境、能源和生態(tài)問題，呈現(xiàn)了光明的前景。在發(fā)展中國(guó)家，還有8億以上人口未達(dá)到糧食安全線，還有1.8億的學(xué)齡前兒童營(yíng)養(yǎng)失調(diào)，數(shù)以億計(jì)的人們正遭受饑餓和營(yíng)養(yǎng)不良的折磨。在落后的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，自然資源迅速惡化、人口飛速增長(zhǎng)、貧困加劇和食品短缺的主要原因，就是缺乏農(nóng)業(yè)高科技。由于“綠色革命”的巨大成功，國(guó)際農(nóng)業(yè)發(fā)展研究中心已認(rèn)識(shí)到通過適當(dāng)調(diào)整自然資源來促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要性和緊迫性。在當(dāng)今和未來的研究中，人們將更注重自然資源的調(diào)整、種質(zhì)的保護(hù)和品質(zhì)的提高。
植物的生長(zhǎng)主要是依賴光合作用，傳統(tǒng)的粗放式農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的投入較少，一般是靠植物自己進(jìn)行光合作用，影響農(nóng)業(yè)品產(chǎn)量增長(zhǎng)的主要因素是環(huán)境因素，外界環(huán)境的變化很容易就影響到當(dāng)季植物的生長(zhǎng)，如果日照不夠或者CO2供給不足，植物很有可能停止生長(zhǎng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是傳統(tǒng)的粗放式農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的投入較少，一般是靠植物自己進(jìn)行光合作用，目的在于提供一種基于CAN總線的人工模擬植物光合作用系統(tǒng)，解決影響農(nóng)業(yè)品產(chǎn)量增長(zhǎng)的主要因素是環(huán)境因素，外界環(huán)境的變化很容易就影響到當(dāng)季植物的生長(zhǎng)，如果日照不夠或者CO2供給不足，植物很有可能停止生長(zhǎng)的問題。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種基于CAN總線的人工模擬植物光合作用系統(tǒng)，包括CAN總線、控制模塊、至少一個(gè)光照模塊、至少一個(gè)CO2供給模塊、至少一個(gè)通風(fēng)模塊；
控制模塊：從CAN總線上讀取光照模塊、CO2供給模塊、通風(fēng)模塊發(fā)送的光照信息、CO2濃度信息、空氣流動(dòng)信息，處理后將控制信號(hào)通過CAN總線發(fā)送給光照模塊、CO2供給模塊、通風(fēng)模塊；
光照模塊：采集工廠內(nèi)的光照信息，并通過CAN總線發(fā)送給控制模塊，從CAN總線上讀取控制模塊發(fā)送的控制信息進(jìn)行補(bǔ)光；
CO2供給模塊：采集工廠內(nèi)的CO2濃度信息，并通過CAN總線發(fā)送給控制模塊，從CAN總線上讀取控制模塊發(fā)送的控制信息進(jìn)行CO2濃度調(diào)整；
通風(fēng)模塊：采集工廠內(nèi)的空氣流動(dòng)信息，并通過CAN總線發(fā)送給控制模塊，從CAN總線上讀取控制模塊發(fā)送的控制信息進(jìn)行空氣流動(dòng)調(diào)整。由于采用CAN總線的現(xiàn)場(chǎng)總線方式進(jìn)行通信，CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，同時(shí)，CAN總線支持最多127個(gè)節(jié)點(diǎn)接入，各節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
所述控制模塊包括：處理器和通信裝置；
處理器：接收通信裝置發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)信息，處理為控制信號(hào)后發(fā)送到通信裝置；
通信裝置：接收光照通信裝置、供給通信裝置、通風(fēng)通信裝置發(fā)送到CAN總線上的光照信息、CO2濃度信息、空氣流動(dòng)信息，發(fā)送給處理器；接收處理器發(fā)送的控制信號(hào)，并將其通過CAN總線發(fā)送給光照通信裝置、供給通信裝置、通風(fēng)通信裝置。
所述光照模塊包括：光照通信裝置、光照控制裝置、光照監(jiān)測(cè)裝置和光照裝置；
光照監(jiān)測(cè)裝置：采集工廠內(nèi)的光照信息，并發(fā)送給光照通信裝置；
光照通信裝置：接收光照監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的光照信息，將其通過CAN總線發(fā)送通信裝置；從CAN總線上接收通信裝置發(fā)送的控制信號(hào)，并將其發(fā)送給光照控制裝置；
光照控制裝置：接收光照通信裝置發(fā)送的控制信號(hào)，處理成驅(qū)動(dòng)信號(hào)后發(fā)送給光照裝置；
光照裝置：接收光照控制裝置的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行補(bǔ)光。
所述CO2供給模塊包括：供給通信裝置、供給控制裝置、供給監(jiān)測(cè)裝置和供給裝置；
供給監(jiān)測(cè)裝置：采集工廠內(nèi)的CO2濃度信息，并發(fā)送給供給通信裝置；
供給通信裝置：接收供給監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的CO2濃度信息，將其通過CAN總線發(fā)送通信裝置；從CAN總線上接收通信裝置發(fā)送的控制信號(hào)，并將其發(fā)送給供給控制裝置；
供給控制裝置：接收供給通信裝置發(fā)送的控制信號(hào)，處理成驅(qū)動(dòng)信號(hào)后發(fā)送給光照裝置；
供給裝置：接收供給控制裝置的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，補(bǔ)充CO2。
所述通風(fēng)模塊包括：通風(fēng)通信裝置、通風(fēng)控制裝置、通風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置和通風(fēng)裝置；
通風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置：采集工廠內(nèi)的空氣流動(dòng)信息，并發(fā)送給通風(fēng)通信裝置；
通風(fēng)通信裝置：接收通風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的空氣流動(dòng)信息，將其通過CAN總線發(fā)送通信裝置；從CAN總線上接收通信裝置發(fā)送的控制信號(hào)，并將其發(fā)送給通風(fēng)控制裝置；
通風(fēng)控制裝置：接收通風(fēng)通信裝置發(fā)送的控制信號(hào)，處理成驅(qū)動(dòng)信號(hào)后發(fā)送給通風(fēng)裝置；
通風(fēng)裝置：接收光照控制裝置的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。這個(gè)系統(tǒng)是植物工廠的光合作用核心，一切光合作用所需的成分監(jiān)測(cè)與控制都得通過該系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。比如當(dāng)供給監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到CO2濃度發(fā)送給處理器，處理器判斷CO2濃度低于限定值時(shí)，處理器就會(huì)發(fā)出供給指令，供給控制裝置收到供給指令后開啟供給裝置進(jìn)行CO2供給，另外通風(fēng)的控制也是一樣，都是通過系統(tǒng)的閉環(huán)PID控制來實(shí)現(xiàn)環(huán)境各種因子的相對(duì)穩(wěn)定性，而由于不同植物吸收的光譜不同，光照控制可采用開環(huán)控制，還可以根據(jù)季節(jié)變化等因素引入滯后-超前控制，沒有這系統(tǒng)，植物工廠就根本無法進(jìn)行光合作用，也就無法實(shí)現(xiàn)人工環(huán)境的最佳模擬。
處理器采用DCS工控機(jī)，光照控制裝置、供給控制裝置、通風(fēng)控制裝置采用PLC。DCS以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則的新一代儀表控制系統(tǒng)，能夠與各種工業(yè)設(shè)備較好的兼容，計(jì)算能力強(qiáng)，能快速高效的完成控制；PLC成本較低，工作穩(wěn)定，能滿足簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)控制。
光照監(jiān)測(cè)裝置采用高清攝像頭、供給監(jiān)測(cè)裝置采用催化CO2傳感器、通風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置采用紅外氣體傳感器。所選監(jiān)測(cè)裝置精度較高，成本較低，適用于不太惡劣的環(huán)境，滿足工廠需求。
光照裝置采用LED補(bǔ)光燈、供給裝置采用CO2進(jìn)氣管道、通風(fēng)裝置采用風(fēng)扇。所用執(zhí)行機(jī)構(gòu)均結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作穩(wěn)定，控制方便，利于生產(chǎn)的穩(wěn)定性。
所述LED補(bǔ)光燈為紅色LED和藍(lán)色LED，紅藍(lán)燈珠數(shù)量比例為5-10：1。根據(jù)科學(xué)家對(duì)光照的多年研究表明，植物的光合作用單元葉綠素對(duì)于特定波段的光源有嗜好性，如紅光、藍(lán)光、遠(yuǎn)紅光，除了這些光外，其它光質(zhì)的光照利用率轉(zhuǎn)換率并不高，為了使植物工廠內(nèi)的植物有更高的光合作用效率，一般選擇紅藍(lán)光為主的人工補(bǔ)光系統(tǒng)，通常不同光質(zhì)的科學(xué)搭配比例為R：B為10-5：1，這樣的光對(duì)于植物的栽培是最合適的
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
1、一種基于CAN總線的人工模擬植物光合作用系統(tǒng)，具有完善的光合作用系統(tǒng)，使植物能生長(zhǎng)在最適宜的條件下。
2、一種基于CAN總線的人工模擬植物光合作用系統(tǒng)，CAN總線的現(xiàn)場(chǎng)總線方式通信，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，各節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，開發(fā)周期短，具有完善的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
3、一種基于CAN總線的人工模擬植物光合作用系統(tǒng)，具有完善的控制系統(tǒng)，節(jié)約人工。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
實(shí)施例1
如圖1所示，一種基于CAN總線的人工模擬植物光合作用系統(tǒng)，控制500平米的玻璃溫室，用于種植玫瑰花和菠蘿蜜。包括CAN總線、控制模塊、兩個(gè)光照模塊、一個(gè)CO2供給模塊、一個(gè)通風(fēng)模塊；控制模塊包括：處理器和通信裝置；光照模塊包括：光照通信裝置、光照控制裝置、光照監(jiān)測(cè)裝置和光照裝置；CO2供給模塊包括：供給通信裝置、供給控制裝置、供給監(jiān)測(cè)裝置和供給裝置；通風(fēng)模塊包括：通風(fēng)通信裝置、通風(fēng)控制裝置、通風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置和通風(fēng)裝置；處理器采用DCS工控機(jī)；光照控制裝置、供給控制裝置和通風(fēng)控制裝置采用S7-300控制器；通信裝置、光照通信裝置、供給通信裝置和通風(fēng)通信裝置采用CAN總線控制器；光照監(jiān)測(cè)裝置、供給監(jiān)測(cè)裝置和通風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置采用具有RS485接口的1080p攝像頭、催化CO2傳感器、紅外氣體傳感器；玫瑰區(qū)照明裝置采用紅藍(lán)比5:1的LED燈珠，菠蘿蜜區(qū)采用紅藍(lán)比8:1的LED燈珠；CO2進(jìn)氣管能以1m3/min的流速輸入CO2，通風(fēng)裝置為垂直安裝在種植植物上方的共10kw的風(fēng)扇組，如果當(dāng)CO2濃度下降低于1000PPM時(shí)，工控機(jī)又會(huì)發(fā)出供給指令驅(qū)動(dòng)供給設(shè)備和風(fēng)扇；CO2濃度，空氣流速皆采用閉環(huán)PID控制，光照為開環(huán)控制。
以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。