李 明, 劉 娟, 凌廣明
(1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,河南鄭州 450046; 2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,河南鄭州 450046;3.武漢大學(xué)計算機學(xué)院,湖北武漢 430072)
我國北方冬季受日照時間短、霧霾和陰雪天氣等影響,容易使溫室內(nèi)的作物長期處于弱光環(huán)境,從而影響正常的光合作用,主要表現(xiàn)為作物生長速度緩慢、植株同化作用下降、減產(chǎn)甚至死亡,這時候有必要對其進行人工補光。適宜作物生長的光照條件主要受光質(zhì)、強度和照射時長等因素影響[1-2]。牛萍娟等研究結(jié)果,作物進行光合作用所需要的光譜范圍是380~760 nm,并主要集中在紅光與藍光兩部分,其中,紅光的波長范圍為600~700 nm,而藍光的波長為400~500 nm[3]。不同光質(zhì)的光對作物生長起到不同的作用,其中,藍光可以促進葉的生長,也會促進淀粉、糖類和氨基酸的合成,而紅光則催化莖的生長,并使在光合作用中產(chǎn)生的淀粉、糖類和氨基酸在其體內(nèi)保持均勻分布。光照不足會引起作物生長緩慢或者停滯,但過量的光照也會適得其反,容易產(chǎn)生病蟲害,使植株變黃和變矮。目前,溫室補光主要通過熒光燈和高壓鈉燈的方式,但由于其光譜范圍較窄,與作物需要的光質(zhì)有偏差,效果并不是特別理想[4]。也有采用白熾燈和日光燈的方式補光的,雖然能起到一定的作用,但效能很低,需要消耗大量的電能,投入成本較大。
近年來,隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低,也逐漸被人們應(yīng)用在溫室作物補光中[5]?,F(xiàn)階段市場上大部分LED補光產(chǎn)品大多采用定光質(zhì)、定光強和定時的方式,雖然成本較低,但這種產(chǎn)品不能滿足按需補光的要求,補光過多不僅耗費電能,還不利于作物的生長,補光少則容易引起弱光脅迫[6]。同時,考慮到不同作物對光照條件的需求有所差異,甚至在同種作物不同生長階段的差異性,為了實現(xiàn)對作物的自適應(yīng)精準(zhǔn)智能補光,本研究利用無線通信、傳感器、自動控制和太陽能等技術(shù)設(shè)計了溫室光照智能控制系統(tǒng),利用LED不同的發(fā)光光譜特性,結(jié)合溫室內(nèi)的溫度和光照的變化情況,實現(xiàn)了溫室內(nèi)光照強度的自適應(yīng)調(diào)整。
溫度影響著光合作用酶的活性,所以作物在進行正常的光合作用時,不僅需要適宜的光照,還需要適宜的溫度。一般當(dāng)溫度低于10 ℃或者高于35 ℃時,光合作用基本停止,所以在進行補光策略時,還需要考慮溫度的因素,才能起到最佳的效果[7]。在夜間由于光照消失,溫度降低,作物主要進行呼吸作用,如沒有專業(yè)的且經(jīng)濟的增溫設(shè)備,不宜在夜間進行補光,常用的方法是在早晚進行延時補光,即當(dāng)早晨溫度達到光合作用的要求時,且陽光不充足的情況下,或者夜幕降臨時,但溫室內(nèi)的余溫還能滿足進行光合作用的要求。另外,還要控制作物吸收光強的因素,需要將溫室大棚內(nèi)作物處的光照強度(自然光照和補光的疊加)保持在合適的范圍。當(dāng)遇到陰雨天氣時,需要全天補光;當(dāng)中午光照過強時,要完全停止補光。
結(jié)合上述的分析情況,設(shè)計了溫室光照智能控制系統(tǒng),考慮到溫室大棚的結(jié)構(gòu)、朝向和遮擋等問題,將溫室大棚采取分區(qū)管理模式,根據(jù)每個區(qū)域的環(huán)境情況,進行不同的補光策略,使補光措施更加精準(zhǔn)。為了補光的效果更均勻,本方案采用了冠層補光方式,并控制LED與作物的高度H保持在 50~70 cm 的范圍,分區(qū)的跨度為L,一般范圍在4~6 m,使補光更加充分。溫室大棚分區(qū)補光見圖1。
考慮到系統(tǒng)的使用范圍,設(shè)計的溫室大棚光照智能控制系統(tǒng),可借助農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)配置不同的參數(shù),來適應(yīng)于不同作物不同階段的補光要求。系統(tǒng)采用分級架構(gòu)設(shè)計, 主要由補光區(qū)控制節(jié)點、數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器、農(nóng)戶智能手機及傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。
數(shù)據(jù)處理服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心,記錄著當(dāng)前溫室內(nèi)作物的生長和設(shè)備的運行狀態(tài),其中的農(nóng)業(yè)專家?guī)炖锉4媪硕喾N作物在不同生長周期中最佳的光質(zhì)和光強[ql,qh]等信息。補光區(qū)節(jié)點利用傳感器采集本區(qū)域內(nèi)的溫度t0和光照強度q0信息,通過無線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)及節(jié)點設(shè)備的運行狀態(tài)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,并根據(jù)當(dāng)前作物的生長期,返回最佳的光照強度信息。同時,判斷溫度是否處在作物能夠進行光合作用的范圍[tl,th],如果ql
補光區(qū)控制節(jié)點采用嵌入式處理器LPC2129作為核心,通過光感傳感器ISL29020采集作物冠層的紅/藍光強,并根據(jù)溫度傳感器DS18B20獲取周圍溫度,利用PWM對LED驅(qū)動芯片PT4115進行控制,從而使不同配比的紅/藍LED燈組發(fā)光,使棚內(nèi)的作物在適宜的溫度條件和光照條件下進行光合作用。同時,節(jié)點的設(shè)備運行狀態(tài)和電量等信息,會通過無線通信模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。硬件結(jié)構(gòu)見圖3。當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也在追求綠色經(jīng)濟,為此本方案對整個補光系統(tǒng)采用了太陽能供電。太陽能電池板在白天吸收光能,并存儲在蓄電池中,再通過電源管理單元進行處理輸出不同穩(wěn)定的電壓源,這樣不僅節(jié)約了大量的電能,還減少了對環(huán)境的污染。
光強傳感器ISL29020是Intersil推出的高精度、高靈敏度、低功耗的光數(shù)字傳感器,高集成度的設(shè)計降低了模擬調(diào)理電路的設(shè)計周期,可實現(xiàn)較寬的測量范圍0.015~64 000 lx,且最大工作電流僅為65 mA,通過I2C接口與控制器進行通信[8]。由于ISL29020檢測光強是外界自然光全波段的,為了能夠獨立測量紅光和藍光的光強,需要進行特殊的處理。針對紅光檢測,首先使外界的光線依次透射過波長大于600 nm和小于700 nm的濾光片,同樣,對于藍光檢測,則使外界的光線依次透射過波長大于400 nm和小于500 nm的濾光片,然后再分別照射到光強傳感器ISL29020上,控制器通過I2C直接讀取傳感器上的光強數(shù)值,由于選取的是透光率為90%的濾光片,計算外界紅/藍光強時需要進行修正,即除以0.9。
LED具有光譜特性明顯、電光轉(zhuǎn)化效率高、易調(diào)光、工作電壓低、發(fā)光均勻穩(wěn)定和壽命長等優(yōu)點,其發(fā)光波長主要取決于制造發(fā)光二極管所用的半導(dǎo)體材料。本方案中紅藍光源均選取Philips生產(chǎn)的LuxeonRebel高亮LED,其額定功率為 3 W,額定電流700 mA,發(fā)光效率30 lm/W,且光照強度跟通過電流具有良好的線性關(guān)系。為了便于獨立調(diào)節(jié)紅藍光強,采用了分組設(shè)計,再將每組LED組成陣列,每組包括10只串聯(lián)的紅/藍光LED,并通過芯片PT4115進行單獨驅(qū)動。PT4115屬于降壓恒流源芯片,電壓的工作范圍是6~30 V,可輸出1.2 A的穩(wěn)定電流[9],并通過DIM接口調(diào)節(jié)輸出電流的大小,即光強的大小。借助嵌入式控制器LPC2129的PWM接口,可編程輸出給DIM接口不同占空比的信號,從而實現(xiàn)對光強的調(diào)節(jié)[10]。初始狀態(tài)通過調(diào)節(jié)外接電阻來完成,當(dāng)占空比為100%時,保證輸出給LED的額定工作電流為700 mA。
數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器是連接溫室大棚內(nèi)補光區(qū)節(jié)點與農(nóng)戶之間的橋梁,主要由ZigBee通信板卡配置、溫室分區(qū)管理規(guī)劃、補光策略、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫SQL2012、訪問權(quán)限管理及太陽能電量管理模塊等組成[11]。數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器結(jié)構(gòu)見圖4。
數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器上安裝了ZigBee通信的PCI板卡,可實現(xiàn)與各補光分區(qū)節(jié)點的通信。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中記錄著不同作物在不同階段對溫度、濕度、光照和礦物質(zhì)等的需求信息,通過收集各補光區(qū)的光照和溫度等信息,結(jié)合農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)和補光策略來實時控制分區(qū)節(jié)點紅/藍光的光照強度,即便是遇到多日的陰天,沒有太陽光照射,也不會影響棚內(nèi)作物的正常生長。太陽能電池板是該系統(tǒng)的重要組成部分,在白天光照強的時候儲存電能,在需要用電時為溫室內(nèi)所有的補光設(shè)備提供了電能,其工作狀態(tài)和電量等信息被存儲在數(shù)據(jù)庫SQL2012中,在不消耗額外電能的情況下實現(xiàn)了溫室補光,既能做到綠色無污染生態(tài),還能做到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、增產(chǎn)增收的效果。同時,數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器具有規(guī)定的IP地址,為互聯(lián)網(wǎng)提供了訪問接口,每個農(nóng)戶對自己所管理的溫室大棚都有相應(yīng)的管理權(quán)限,可以通過智能手機隨時隨地遠程登錄該平臺,查看溫室內(nèi)的光照、溫度和設(shè)備的運行狀態(tài)等信息[12-13]。
番茄屬于喜光喜溫作物,適宜在10~35 ℃的環(huán)境中生長發(fā)育,對環(huán)境要求嚴格[14-16]。光照對番茄在不同階段的生長至關(guān)重要,直接影響著其花芽分化、著花位置、坐果數(shù)量、果實大小和品質(zhì)等,每天能保證16 h的光照為最佳。在我國北方冬季日照普遍較短,有必要增加補光設(shè)備,本試驗通過采取不同的補光方式進行對比來說明本方法的有效性,并從番茄產(chǎn)量和補光設(shè)施的耗能兩個方面進行了比較。
為了保證試驗的嚴謹,需要保證其他生長條件均一致,故在同一個溫室大棚里選擇了3塊面積相等的分區(qū),番茄植株數(shù)量和密度相等,定植2.5株/m2,分區(qū)大小5 m×4 m,共計50株。施肥和澆水等同時同量進行,不同的是光照方式。3種光照方式分別為白熾燈、固定光強LED、本研究的智能LED補光。鄔奇等對LED光源進行了深入研究,紅/藍組合光強比在2 ∶1,紅光閾值預(yù)設(shè)為2 000 lx,藍光閾值預(yù)設(shè)為 1 000 lx,最有利于番茄幼苗的生長發(fā)育[17]。在果實采收期記錄成熟果實的產(chǎn)量情況,試驗結(jié)果見表1。
表1 不同光照方式下番茄平均每株產(chǎn)量情況
從表1可以看出,在這幾種補光方式中,采用本研究設(shè)計的智能LED補光系統(tǒng)優(yōu)勢突出,果實飽滿圓潤,產(chǎn)量明顯增加,主要是由于在白晝早晚均延長了補光時間,且補光適度,延長了番茄進行光合作用的時間,單株掛果數(shù)量明顯增多,比固定光強LED補光方式提高了4.17%,比未補光的提高了19.05%;平均單果質(zhì)量增加,比固定光強LED提高了 6.30%,比未補光的提高了16.32%;平均單株產(chǎn)量比固定光強LED、未補光的分別提高了10.73%、38.47%。
從成本的角度考慮,除了對產(chǎn)量進行比較外,對這幾種補光方式的能耗也進行了比較,以白熾燈為基準(zhǔn),每天固定補光13 h(07:00—20:00),固定光強LED每天也開啟13 h,為了避免采用LED固定補光在中午對番茄補光過量,造成對作物的傷害無法進行比較試驗,當(dāng)紅藍光均充足時采取暫停補光,時間段為11:00—16:00,夜間溫度降低,不適宜進行光合作用,也停止光照,不同補光方式的功耗及輸出光強見表2。
從表2可以看出,通過對外界自然光中紅藍光光強檢測可知,紅光在11:00—16:00是充足的,藍光在10:00—16:00是充足的,均超出了補光閾值,故在2個疊加的時間段 11:00—16:00,智能補光自動停止工作。當(dāng)溫室環(huán)境溫度介于15~30 ℃時,最適宜光合作用進行碳水化合物積累,此時應(yīng)該保證紅藍光光強比為2 ∶1,光照強度分別為2 000 lx和 1 000 lx。但固定LED補光無法自動調(diào)節(jié),不僅造成能耗的浪費,而且還會抑制作物的生長。固定補光所消耗的電量為 0.992 kW·h,而智能LED補光系統(tǒng)則消耗了0.610 kW·h,能耗降低了38.5%,且沒有造成過量補光。
表2 不同補光方式的功耗及輸出光強比較
借助LED的發(fā)光特性,利用作物在不同溫度條件下進行光合作用的差異,設(shè)計了溫室大棚智能補光系統(tǒng),實時采集作物冠層光照強度,根據(jù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的指導(dǎo)通過PWM輸出不同的占空比,實現(xiàn)對LED燈組的光強自適應(yīng)控制。經(jīng)過對溫室大棚內(nèi)的番茄采取不同的補光方式進行了對比試驗,結(jié)果表明,采用本研究設(shè)計的智能補光系統(tǒng)工作穩(wěn)定,實現(xiàn)了按需精準(zhǔn)補光,有效克服了由于溫室大棚所處的緯度、結(jié)構(gòu)、朝向和天氣等原因造成的采光不足的缺陷,使溫室大棚內(nèi)作物的生長不受天氣影響,延長了作物進行光合作用的時長,從而使產(chǎn)量大幅提升,而消耗的電量則明顯減少,且電能均取自太陽能,不會對環(huán)境造成污染,系統(tǒng)還可與農(nóng)戶的智能手機連接,實現(xiàn)遠程管理溫室大棚,契合了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
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