一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法和系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法和系统。其中，方法包括：根据采集二氧化碳浓度下作物的光合速率，确定直角双曲线修正模型；基于最优化方法，根据直角双曲线修正模型，确定饱和二氧化碳浓度；对设施环境中的二氧化碳浓度进行调节，直至设施环境中的二氧化碳浓度等于饱和二氧化碳浓度。系统包括：模型确定模块，用于确定直角双曲线修正模型；浓度确定模块，用于基于遗传算法，根据直角双曲线修正模型，确定饱和二氧化碳浓度；浓度调节模块，用于调节设施环境中的二氧化碳浓度。本发明专利技术实施例提供的一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法和系统，能使作物在最优净光合速率下生长，能提高作物的产量、品质或生长速度。

【技术实现步骤摘要】
一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法和系统
本专利技术实施例涉及农业生产
，尤其涉及一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法和系统。
技术介绍
光合速率优劣直接影响植物的产量与品质。CO2是植物光合作用物质积累的主要原料，是受控环境下的重要因子，而且对植物生长发育起着非常重要的调节作用，是植物生长过程中不可或缺的因素之一，被人们形象的称为“气肥”。增高CO2含量不仅可以提高植物资源利用率，而且对植物的生长发育产生重要影响。CO2浓度不足或过高对植物的生长速度、产量以及品质都具有重要的影响。若CO2供给不足可直接影响光合效果，造成花果脱落、含糖量下降、生长期延长、产量及品质下降等问题；而CO2浓度过高也会影响植物对氧气的吸收，抑制正常的呼吸作用，引起叶片卷曲，阻碍生长发育，促进衰老，严重的甚至造成CO2中毒引起植物死亡。如何确定最优净光合速率对应的CO2浓度，提高作物的光合作用速率已成为作物栽培领域亟待解决的问题。现有技术通过多元线性回归方法确定最优净光合速率对应的CO2浓度。一般地，通过数据拟合获得以温度、光子通量密度为因变量的多项式作为CO2浓度调控模型。由于温度、光子通量密度之间存在交互效应，且温度、光子通量密度与CO2浓度之间可能存在非线性的因果关系，多元线性回归方法忽略了交互效应和非线性的因果关系，拟合的准确性不足。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术实施例提供一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法和系统。本专利技术实施例提供一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法，包括：S1、根据采集的在至少四种二氧化碳浓度下的作物的光合速率，确定光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型；S2、基于最优化方法，根据所述直角双曲线修正模型，确定饱和二氧化碳浓度；S3、若判断获知设施环境中的二氧化碳浓度不等于所述饱和二氧化碳浓度，则对设施环境中的二氧化碳浓度进行调节，直至设施环境中的二氧化碳浓度等于所述饱和二氧化碳浓度。本专利技术实施例提供一种设施栽培二氧化碳浓度的控制系统，包括：模型确定模块，用于根据采集的在至少四种二氧化碳浓度下的作物的光合速率，确定光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型；浓度确定模块，用于基于最优化方法，根据所述直角双曲线修正模型，确定饱和二氧化碳浓度；浓度调节模块，用于若判断获知设施环境中的二氧化碳浓度不等于所述饱和二氧化碳浓度，则对设施环境中的二氧化碳浓度进行调节，直至设施环境中的二氧化碳浓度等于所述饱和二氧化碳浓度。本专利技术实施例提供的设施栽培二氧化碳浓度的控制方法和系统，通过对直角双曲线修正模型的寻优获得饱和二氧化碳浓度，将设施环境中的二氧化碳浓度控制为饱和二氧化碳浓度，使作物在最优净光合速率下生长，能提高作物的产量、品质或生长速度，有助于促进设施农业和优质高产绿色农产品生产的发展，并能用于载人航天中高效利用二氧化碳，促进载人航天事业的发展。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术设施栽培二氧化碳浓度的控制方法实施例的流程图；图2为本专利技术设施栽培二氧化碳浓度的控制系统实施例的功能框图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，设施栽培是设施农业的一种，是在环境相对可控条件下，采用工程技术手段，进行作物栽培生产的一种现代农业方式。一般地，可以在温室、大棚等设施环境中，控制各种环境因素，进行作物栽培，使作物的产量或品质等达到最佳。设施栽培中，可以进行控制的环境因素包括：光强、温度、湿度、各种气体的浓度等。图1为本专利技术设施栽培二氧化碳浓度的控制方法实施例的流程图。如图1所示。一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法包括：步骤S1、根据采集的在至少四种二氧化碳浓度下的作物的光合速率，确定光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型；步骤S2、基于最优化方法，根据直角双曲线修正模型，确定饱和二氧化碳浓度；步骤S3、若判断获知设施环境中的二氧化碳浓度不等于饱和二氧化碳浓度，则对设施环境中的二氧化碳浓度进行调节，直至设施环境中的二氧化碳浓度等于饱和二氧化碳浓度。具体地，步骤S1，根据相同条件下已经采集的四组数据，计算光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型中待确定的系数，从而获得当前条件下该作物对应的直角双曲线修正模型。每组数据包括设施环境中的二氧化碳浓度及该二氧化碳浓度下作物的光合速率。直角双曲线修正模型，是通过对直角双曲线模型修正，得到的一种模型。直角双曲线模型和直角双曲线修正模型，都是用于描述植物的光合作用对光强或二氧化碳的响应的模型。步骤S2，由于光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型描述了作物光合作用对二氧化碳的响应，因此，可以根据该模型，确定饱和二氧化碳浓度。饱和二氧化碳浓度，是指作物达到最优净光合速率，即最大净光合速率时的二氧化碳浓度。设施环境中的二氧化碳浓度小于饱和二氧化碳浓度时，随着设施环境中的二氧化碳浓度的升高，作物的光合速率也会上升；而设施环境中的二氧化碳浓度大于饱和二氧化碳浓度时，随着设施环境中的二氧化碳浓度的升高，作物的光合速率并不会上升，反而会出现下降。根据直角双曲线修正模型，确定饱和二氧化碳浓度的方法为最优化方法。最优化方法包括多种：遗传算法、模拟退火算法、鱼群算法、最速上升法等。从数学意义上说，最优化方法是一种求极值的方法，即在一组约束为等式或不等式的条件下，使系统的目标函数达到极值，即最大值或最小值。基于最优化方法，可以获得最优净光合速率及最优净光合速率时的二氧化碳浓度，从而获得饱和二氧化碳浓度。步骤S3，实时监测设施环境中的二氧化碳浓度，并将设施环境中的二氧化碳浓度与饱和二氧化碳浓度进行比较。当设施环境中的二氧化碳浓度不等于饱和二氧化碳浓度时，通过相应装置增加或减少设施环境中的二氧化碳浓度，直至设施环境中的二氧化碳浓度等于饱和二氧化碳浓度。本专利技术实施例通过对直角双曲线修正模型的寻优获得饱和二氧化碳浓度，将设施环境中的二氧化碳浓度控制为饱和二氧化碳浓度，使作物在最优净光合速率下生长，能提高作物的产量、品质或生长速度，有助于促进设施农业和优质高产绿色农产品生产的发展，并能用于载人航天中高效利用二氧化碳，促进载人航天事业的发展。基于上述实施例，步骤S1具体包括：根据采集的至少四种二氧化碳浓度下作物的光合速率，确定光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型中的a、b、c和Rp，获得光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型；光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型为其中，An(Ci)为作物的净光合速率；Ci为二氧化碳浓度；a为光合速率对二氧化碳浓度响应曲线的初始斜率；b、c为修正系数；Rp为作物的光呼吸速率。具体地，光合速率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法，其特征在于，包括：S1、根据采集的在至少四种二氧化碳浓度下的作物的光合速率，确定光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型；S2、基于最优化方法，根据所述直角双曲线修正模型，确定饱和二氧化碳浓度；S3、若判断获知设施环境中的二氧化碳浓度不等于所述饱和二氧化碳浓度，则对设施环境中的二氧化碳浓度进行调节，直至设施环境中的二氧化碳浓度等于所述饱和二氧化碳浓度。

【技术特征摘要】
1.一种设施栽培二氧化碳浓度的控制方法，其特征在于，包括：S1、根据采集的在至少四种二氧化碳浓度下的作物的光合速率，确定光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型；S2、基于最优化方法，根据所述直角双曲线修正模型，确定饱和二氧化碳浓度；S3、若判断获知设施环境中的二氧化碳浓度不等于所述饱和二氧化碳浓度，则对设施环境中的二氧化碳浓度进行调节，直至设施环境中的二氧化碳浓度等于所述饱和二氧化碳浓度。2.根据权利要求1所述的二氧化碳浓度的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：根据采集的至少四种二氧化碳浓度下作物的光合速率，确定光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型中的a、b、c和Rp，获得光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型；所述光合速率对二氧化碳浓度响应的直角双曲线修正模型为其中，An(Ci)为作物的净光合速率；Ci为二氧化碳浓度；a为光合速率对二氧化碳浓度响应曲线的初始斜率；b、c为修正系数；Rp为作物的光呼吸速率。3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳浓度的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：将所述直角双曲线修正模型作为遗传算法的适应度函数，根据设置的参数执行遗传算法，获取所述直角双曲线修正模型下的最优净光合速率，将所述最优净光合速率对应的二氧化碳浓度确定为所述饱和二氧化碳浓度；其中，所述参数包括：种群编码类型、种群长度、种群规模、交叉概率、变异概率和终止条件。4.根据权利要求3所述的二氧化碳浓度的控制方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：在设施环境中，在预设的气体流量、预设的适应时间、当前温度和光子通量密度下，分别采集至少四种二氧化碳浓度下作物的光合速率。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：高万林，郝霞，王敏娟，张莉，何东彬，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11