張 帆 趙光偉 楊松立 王君普

（臨沂大學(xué)汽車學(xué)院，山東 臨沂 276000）

1 研究意義

面對越來越嚴(yán)重的空氣、土壤污染，如何更快、更安全的獲得綠色無污染的蔬菜滿足于人們的日常生活需要已經(jīng)成為越來越迫切的問題，各國都在研究植物工廠，方向之一就是全自動植物工廠。其中有為滿足市場需求的大型全封閉植物工廠，為植物生產(chǎn)提供適宜的、穩(wěn)定的生長環(huán)境，縮短植物生長周期；也有小型的家用陽臺式植物工廠，主要為市民體驗(yàn)種植樂趣，豐富市民生活，同時讓市民吃上自己種植的真正無公害潔凈蔬菜。

本文在這一方面進(jìn)行了初步嘗試，旨在設(shè)計(jì)一套小型的、全自動植物生長節(jié)能補(bǔ)光系統(tǒng)模型，主要用于為植物生長補(bǔ)光，縮短植物生長周期。促進(jìn)植物生長，縮短生長周期。

2 研究內(nèi)容

根據(jù)不同植物及植物生長的不同階段（幼苗期、掛果期等）對光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時間的需求，利用可編程控制器（PLC）、太陽能光伏電源、LED植物生長燈、人機(jī)界面等設(shè)備，通過程序設(shè)計(jì)，自動調(diào)節(jié)植物生長的光環(huán)境，為植物提供一個和諧的光世界，促進(jìn)植物的健康生長，并提高光合作用的效率，減少能源損耗。

3 理論根據(jù)

光能促進(jìn)植物組織和器官的分化，對植物生長及形態(tài)結(jié)構(gòu)有重要作用，只要光照強(qiáng)度不低于2000LX，就不會影響植物生長。但強(qiáng)光會導(dǎo)致高溫，造成水分虧缺、氣孔關(guān)閉和CO2供應(yīng)不足，引起光合作用下降。

不同植物對光照強(qiáng)度的要求不同，陰天、夜晚光照強(qiáng)度減弱，也會影響了植物的光合作用。因此為了縮短植物生長周期，提高植物生長品質(zhì)，必須合理控制植物生長燈的光照強(qiáng)度。

植物光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)的原理如圖1所示。

圖1 植物光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)原理

植物光合作用所需的光照強(qiáng)度為I，由光照度傳感器測量的當(dāng)前太陽光的光照強(qiáng)度為Ia，則需要植物生長燈提供的光照強(qiáng)度Ib=I-Ia，占空比（植物生長燈的光照強(qiáng)度與P成正比）P=Ib/I，通過PLC控制在周期T內(nèi)的接通時間Ton=PT。通過控制周期T內(nèi)植物生長燈的通斷時間，調(diào)節(jié)占空比P，從而實(shí)現(xiàn)對植物生長燈的光照強(qiáng)度的調(diào)控。

4 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、電源自動選擇開光、光測量設(shè)備、控制系統(tǒng)、LED植物生長燈等組成。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

選用太陽能光伏電源作為補(bǔ)光的主電源,為植物生長燈供電。但由于太陽能發(fā)電容易受陰雨天氣的影響，所以在太陽能電池不能提供足夠的電量時，通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，改由電網(wǎng)供電，使系統(tǒng)仍能正常工作。

4.2 LED 植物生長燈

植物生長燈主要是在自然光照不充足的情況下進(jìn)行光源的補(bǔ)充。使用過程中主要是結(jié)合被照作物的原有生長特性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)光。長日照作物根據(jù)其日照需求可多照，短日照作物少照，如果自然光已經(jīng)基本滿足植株本身對光照的需求，就不需補(bǔ)光。合理利用植物生長燈，可以有效提高經(jīng)濟(jì)效益。

4.2.1 燈光顏色的選擇

植物在生長過程中會吸收特定波長的光進(jìn)行光合作用，這些光主要是集中在640~680nm之間的紅光和430~470nm之間的藍(lán)光。紅光是有利于葉綠素的形成及碳水化合物的合成，加速長日照植物的生長發(fā)育，延遲短日照植物的發(fā)育，并促進(jìn)種子萌發(fā)，促使植物的莖生長。藍(lán)光可以促進(jìn)氣孔開放，有助于外界的二氧化碳進(jìn)入細(xì)胞，從而提高光合作用速率，有利于蛋白質(zhì)合成，加速短日照植物的發(fā)育，延遲長日照植物的發(fā)育，促進(jìn)植物的葉生長。理論和實(shí)驗(yàn)證明，紅光的光合作用最強(qiáng)，用富含紅光的光源補(bǔ)光，會引起植物較早開花結(jié)實(shí)，可促進(jìn)植物體內(nèi)干物質(zhì)的積累，促使鱗莖、塊根、葉球以及其他植物器官的形成。用富含藍(lán)光的光源進(jìn)行人工補(bǔ)光可延遲開花，使以獲取營養(yǎng)器官為目的的植物充分生長。適當(dāng)?shù)募t光和藍(lán)光的比才能保證培育出形態(tài)健全的植物。

選取最易被植物吸收的660nm的紅光與450nm的藍(lán)光為植物補(bǔ)光，并且根據(jù)不同植物對光質(zhì)的不同要求，選擇不同比例的紅藍(lán)燈數(shù)量，同時根據(jù)植物的生長周期調(diào)整紅色光和藍(lán)色光比例。

植物生長燈基本都是做成紅藍(lán)組合、全藍(lán)、全紅三種形式，覆蓋光合作用所需的波長范圍。在視覺效果上，紅藍(lán)組合的植物燈呈現(xiàn)粉紅色。植物生長燈的紅藍(lán)燈色譜比例一般在5：1~10：1之間為宜，?？蛇x7~8：1的比例。當(dāng)然有條件的可根據(jù)植物生長周期調(diào)整紅色和藍(lán)色光的比例最好。用植物生長燈給植物補(bǔ)光時，一般距離葉片的高度為0.5～1米。

4.2.2 光照時間的控制

光合作用分為光反應(yīng)和碳反應(yīng)，前者提供后者所需的ATP（三磷酸腺苷）以及NADPH（還原態(tài)氫），為碳反應(yīng)的原料，后者利用CO2合成有機(jī)物。光照的時間越長，光反應(yīng)發(fā)生的時間就越長，光反應(yīng)提供的ATP以及NADPH越多，那么在CO2越多的情況下，光合作用就會越多。光照時間短，碳反應(yīng)雖然可以在無光的條件下反應(yīng)，但是由于ATP以及NADPH生成不足，最終導(dǎo)致的結(jié)果是碳反應(yīng)也無法發(fā)生。

但并不是光照時間越長，對植物生長越好。根據(jù)植物對光周期反應(yīng)的不同，可將植物分為長日照植物、短日照植物和中間性植物。長日照植物光照時間越長，生長越快。短日照植物在生長發(fā)育過程中，需要有一段時間白天短（少于12小時，但不少于8小時）、夜間長的條件。中間性植物在生長發(fā)育過程中，對光照長短沒有嚴(yán)格的要求。因此，針對不同植物對光照的不同要求,有必要對光照時間進(jìn)行調(diào)控。

將植物在不同生長時期所需要的光照時間輸入計(jì)算機(jī)，通過PLC控制植物生長燈的通斷，來控制補(bǔ)光時間。補(bǔ)光時間由PLC內(nèi)部的計(jì)時器控制，達(dá)到設(shè)定的補(bǔ)光時間時，PLC控制斷開植物生長燈，停止補(bǔ)光。

圖3 系統(tǒng)電氣控制原理圖

4.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由PLC和人機(jī)界面組成。

PLC作為整個補(bǔ)光系統(tǒng)的核心,通過程序控制植物生長燈的光照強(qiáng)度及通斷時間。人機(jī)界面用于PLC的運(yùn)行控制及顯示、監(jiān)控，以及選擇并顯示植物生長所需的光照環(huán)境參數(shù)，實(shí)時顯示植物各階段的生長狀況。

系統(tǒng)控制原理如圖3所示。

4.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）動態(tài)LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)可以實(shí)時、精確調(diào)控植物生長所需的光照環(huán)境：合理的光質(zhì)比、適宜的光照強(qiáng)度和光照時間。

（2）采用植物生長燈為植物補(bǔ)光，提高了光能利用率，降低了能源消耗和運(yùn)行成本，清潔無污染。

（3）由PLC控制植物L(fēng)ED生長燈,進(jìn)行人工補(bǔ)光，提高了光合作用的效率，縮短了生長周期，提高了單位面積的產(chǎn)出比，降低了生產(chǎn)成本。

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