史小燕 申寶營 陳燁強(qiáng)

摘要 針對光照光質(zhì)、光照強(qiáng)度以及光照時(shí)間對幼苗生長發(fā)育的影響，提出結(jié)合幼苗不同生長階段、特定光質(zhì)補(bǔ)光與定時(shí)長定量決策的精確補(bǔ)光方法，設(shè)計(jì)了依據(jù)作物生長階段、生長狀態(tài)以及培育目標(biāo)自適應(yīng)精確補(bǔ)光的光照調(diào)控算法。以單片機(jī)為控制器，設(shè)計(jì)了光質(zhì)可調(diào)、可定時(shí)定量的LED精確光照調(diào)控系統(tǒng)，可根據(jù)幼苗生長階段、生長狀態(tài)，結(jié)合幼苗形態(tài)調(diào)整補(bǔ)光決策確定補(bǔ)光光質(zhì)光量和時(shí)長，通過PWM調(diào)整LED輸出光質(zhì)光強(qiáng)。測試試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可滿足作物不同生長階段對不同光質(zhì)光量的需求，并可根據(jù)不同培育目標(biāo)、不同生長狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整補(bǔ)光策略。該系統(tǒng)的自適應(yīng)光質(zhì)光量時(shí)長可調(diào)的特點(diǎn)能夠滿足對幼苗形態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)光的需求，相對傳統(tǒng)光源改善了光照環(huán)境，提高了能源利用率。

關(guān)鍵詞 LED;PWM;光質(zhì);光周期;光強(qiáng);幼苗形態(tài)

中圖分類號 S625.5+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）11-0204-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.059

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract According to the influence of light quality，light intensity and photoperiod on seedling growth and development，a lighting method which fit to various terms of seedling was proposed.The adaptive light control algorithm adapting to the term of plants，growth status and growth target was put forward.Using a single chip as the central control unit，the LED light system which can regulate the light quality，light quantity and lighting time was designed.This system could control LED light outputting specified light quality and light intensity by the single of PWM based on the decision of lighting for the term of seedling，growth status and seedling morphology.The results of the test showed that the system could satisfy the light demand of different term of plants，and could modify the lighting tactic for different targets.This system could satisfy the light demand for the regulation of seedling morphology and improve the light environment and save energy compared to traditional light.

Key words LED; PWM; Light quality; Photoperiod; Light intensity; Seedling morphology

基金項(xiàng)目 福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT170774，JAT170161）;福州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017-N-40）。

作者簡介 史小燕（1987—），女，河南長葛人，碩士，工程師，從事建筑環(huán)境調(diào)控、農(nóng)業(yè)電氣化研究。*通信作者，男，河南民權(quán)人，博士，講師，從事設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控研究。

收稿日期 2019-01-14;修回日期 2019-01-28

光照是調(diào)控植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素之一。光照不僅是植物光合作用的能量來源，同時(shí)也是植物生長調(diào)節(jié)以及光形態(tài)建成的信息源[1]。光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期都通過植物感光受體影響植物發(fā)芽、幼苗生長發(fā)育以及光形態(tài)建成[2-5]。目前人工補(bǔ)光技術(shù)在植物育苗中得到越來越多的研究與應(yīng)用[6]。發(fā)光二極管（lighting-emitting diodes，LED）與傳統(tǒng)光源相比，具有光質(zhì)純、波長類型豐富、壽命長、發(fā)光效率高、發(fā)熱少、易于組合控制的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)LED光源精確調(diào)控光照對植物進(jìn)行培養(yǎng)[7]。傳統(tǒng)光源通常采用固定光照方式進(jìn)行補(bǔ)光，光質(zhì)比例以及光照強(qiáng)度均不能根據(jù)植物不同需求改變，補(bǔ)光效率低下?，F(xiàn)有LED光源多采用2～3種光譜簡單組合、光強(qiáng)和光質(zhì)比例不變的方式進(jìn)行補(bǔ)光[8-9]，此種補(bǔ)光光源不能滿足植物對不同光質(zhì)和不同光強(qiáng)的需求。劉曉英等研制了光譜柔性可調(diào)的LED光源以及可調(diào)光質(zhì)精確補(bǔ)光系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多光譜柔性調(diào)控，并可根據(jù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)精確調(diào)光，進(jìn)行光合補(bǔ)光[10-11]。筆者在分析不同作物幼苗時(shí)期對不同光照響應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出精確調(diào)節(jié)光質(zhì)補(bǔ)光方法，設(shè)計(jì)了幼苗形態(tài)調(diào)節(jié)LED補(bǔ)光系統(tǒng)，旨在提高補(bǔ)光效率、調(diào)控幼苗形態(tài)、降低能耗。

1 幼苗光形態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)光分析

植物幼苗的形態(tài)發(fā)育與光照、溫度等環(huán)境因素密切相關(guān)。研究表明，植物主要吸收波長為610～720 nm的紅橙光和400～510 nm的藍(lán)紫光，因此，光照調(diào)節(jié)主要是集中對這2個(gè)波段的光照進(jìn)行調(diào)節(jié)。 研究發(fā)現(xiàn)，單一或組合LED光質(zhì)可以調(diào)控植物的形態(tài)建成和光合作用，藍(lán)紅光組合能夠促進(jìn)植物幼苗的生長發(fā)育[12]。光質(zhì)對不同生長時(shí)期植物的影響不同，相同光質(zhì)在一個(gè)生長時(shí)期對植物生長有促進(jìn)作用，而在另一生長時(shí)期卻表現(xiàn)出抑制作用。因此，與不同生長時(shí)期植物形態(tài)生長發(fā)育相適應(yīng)的光照調(diào)控方法，主要包括植物形態(tài)調(diào)節(jié)中特定波長光強(qiáng)、植物生長階段監(jiān)測以及特定生長時(shí)期補(bǔ)光光質(zhì)和光量的決策方法。

1.1 信息檢測

檢測環(huán)境信息是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟定量補(bǔ)光的基礎(chǔ)條件，可根據(jù)對植物生長時(shí)期和生長形態(tài)的檢測調(diào)控補(bǔ)光光質(zhì)比例、補(bǔ)光時(shí)長和補(bǔ)光量。根據(jù)植物對光照的吸收波段范圍，選擇對400～720 nm波段響應(yīng)的光照傳感器，實(shí)現(xiàn)對光照的實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)加入溫度檢測模塊，一方面根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)溫度判斷補(bǔ)光與否，另一方面根據(jù)補(bǔ)光模塊溫度判斷是否需要對光源進(jìn)行降溫。這一方法不僅可提高光能利用效率，也可避免在不良環(huán)境條件下補(bǔ)光不當(dāng)造成損害。

1.2 LED光源波段選擇

紅光和藍(lán)光是植物色素吸收最多的2個(gè)光照波段，不僅對作物的光合作用有著重要的影響，對植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、植物高度、葉綠體基因表達(dá)、莖桿生長發(fā)育、氣孔開度以及光周期的調(diào)節(jié)也起著重要作用[13]。綠光對植物形態(tài)發(fā)育和調(diào)節(jié)也起著一定的作用，并在一定程度上與紅光和藍(lán)光有著相反的作用[14]。植物色素對藍(lán)光和紅光的吸收峰分別在420～475和625～643 nm 2個(gè)波段，為此選用中心波長為450 nm、半波帶寬度為±20 nm的LED作為藍(lán)光光源，中心波長為630 nm、半波帶寬度為±20 nm的LED為紅光光源，選用中心波長為520 nm、半波帶寬度為±20 nm的LED作為綠光光源。幾種光源組成的光照波段范圍能與植物色素吸收光譜的范圍相適應(yīng)。

1.3 光照調(diào)控決策

研究發(fā)現(xiàn)，不同光譜范圍對植物生理影響不同，植物對光質(zhì)比例以及光量的需求在不同生長階段亦有明顯差異，植物形態(tài)發(fā)育會因光質(zhì)比例、光強(qiáng)以及光照時(shí)間的差異而產(chǎn)生較大差別。固定光質(zhì)、光強(qiáng)和光照時(shí)間的補(bǔ)光模式無法實(shí)現(xiàn)植物不同生長階段對光照需求的差異性，補(bǔ)光系統(tǒng)應(yīng)營造出滿足植物需求的光環(huán)境，以達(dá)到調(diào)控植物生長的目的。筆者提出適應(yīng)不同光照需求的光照調(diào)控決策方法，可根據(jù)植物各階段形態(tài)發(fā)育需求設(shè)置不同的補(bǔ)光目標(biāo)參數(shù)，并根據(jù)環(huán)境參數(shù)計(jì)算各光質(zhì)補(bǔ)光值，以此控制補(bǔ)光裝置的光照輸出，實(shí)現(xiàn)按需補(bǔ)光的工作模式。

2 光照系統(tǒng)調(diào)控分析

光照調(diào)控原理是根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的溫度、光照、植物生長階段、目標(biāo)生長狀態(tài)，動(dòng)態(tài)采集溫度、光照以及植物生長狀態(tài)3類參數(shù)，通過分析當(dāng)前值和目標(biāo)值之間的差異，計(jì)算紅、藍(lán)、綠光的需求量以及補(bǔ)光時(shí)間，實(shí)現(xiàn)以用戶預(yù)設(shè)值為目標(biāo)的受控LED燈的自動(dòng)控制功能。光照系統(tǒng)調(diào)控邏輯如圖1所示。

3 LED光照調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對LED光源的選擇以及LED光照調(diào)控系統(tǒng)算法的調(diào)控分析，設(shè)計(jì)了一套LED光照調(diào)控補(bǔ)光系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對植物形態(tài)發(fā)育影響因子的監(jiān)測、特定波長LED光照的控制。系統(tǒng)主要由電源模塊、環(huán)境光溫檢測模塊、LED補(bǔ)光模塊、單片機(jī)控制模塊、預(yù)警模塊、用戶交互模塊等組成。整體系統(tǒng)框架如圖2所示。

3.1 電源模塊

通過外部電源得到12.0 V直流電，利用LM317及其外圍標(biāo)準(zhǔn)電路進(jìn)行穩(wěn)壓變壓后輸出穩(wěn)定電壓120和3.3 V，為控制模塊、用戶交互模塊以及監(jiān)測和預(yù)警模塊提供3.3 V電壓，為補(bǔ)光模塊提供12.0 V電壓。

3.2 用戶交互模塊

用戶交互模塊由液晶顯示屏和2×4矩陣鍵盤組成，用戶可根據(jù)不同作物，設(shè)置不同階段、不同生長狀態(tài)的目標(biāo)光照參數(shù)。系統(tǒng)可進(jìn)行多種作物多個(gè)生長階段不同生長形態(tài)參數(shù)的設(shè)置存儲管理，提高了靈活性和實(shí)用性。

3.3 檢測模塊

檢測模塊包括光照度傳感器和溫度傳感器，分別檢測環(huán)境光照和溫度。當(dāng)環(huán)境光照低于設(shè)定值且溫度在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，補(bǔ)光裝置開啟。另外設(shè)置溫度傳感器對補(bǔ)光裝置進(jìn)行溫度檢測，當(dāng)裝置溫度過高時(shí)，報(bào)警采取降溫措施，保證補(bǔ)光裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 補(bǔ)光模塊

采用多組智能恒流IC驅(qū)動(dòng)電路，利用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)控技術(shù)分別控制紅光、藍(lán)光和綠光LED燈組的亮度。采用額定功率0.2 W和中心波長分別為630、450、520 nm的窄帶紅、藍(lán)、綠光LED，分別通過串聯(lián)方式組成紅、藍(lán)、綠光LED陣列。根據(jù)不同植物對不同光譜光照需求量的不同，每個(gè)補(bǔ)光燈組包含若干同色LED陣列，補(bǔ)光燈最大輸出應(yīng)滿足最大補(bǔ)光需求。根據(jù)不同LED燈的額定電流修正驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)節(jié)電阻以保證占空比為“1”時(shí)LED輸出為額定功率。單片機(jī)PWM輸出信號和恒流IC的DIM腳相連，以使單片機(jī)的PWM信號能夠通過調(diào)節(jié)占空比調(diào)控恒流IC輸出電流而使LED亮度在零到最大值之間變化。

3.5 控制模塊

選用工作電壓2.0～3.6 V的STM32F103單片機(jī)作為核心處理器，3.3 V電源供電，內(nèi)嵌512 kB的flash程序存儲器，32 kB的SRAM，并內(nèi)嵌ARM核，可兼容ARM工具和軟件。采用STM32F103單片機(jī)減少了外圍電路，增加了可靠性，降低了成本。該單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多路調(diào)控信號的輸出，適合該光照調(diào)控系統(tǒng)的頻率和占空比的調(diào)控。其中，PC1和PC2分別接入光照檢測信號和溫度檢測信號，PC6、PC7、PC8分別輸出紅光、藍(lán)光、綠光PWM信號。通過軟件計(jì)算3個(gè)波段補(bǔ)光量、補(bǔ)光時(shí)間和PWM占空比，定量控制補(bǔ)光輸出強(qiáng)度和時(shí)長，按植物需求精確控制補(bǔ)光量。

4 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證補(bǔ)光系統(tǒng)能否滿足不同環(huán)境下植物各生長階段對光照的需求，對該系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)。設(shè)定植物不同生長階段，改變環(huán)境光照和溫度，測量補(bǔ)光光照值并與設(shè)定值以及植物生長階段光照需求值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)補(bǔ)光裝置能否在不同環(huán)境下滿足植物光照需求。試驗(yàn)結(jié)果表明，在各種環(huán)境條件下，設(shè)定植物生長的不同階段，該補(bǔ)光裝置都能滿足植物形態(tài)調(diào)節(jié)對光照的需求，可以適應(yīng)不同環(huán)境并根據(jù)不同培育目標(biāo)對植物不同生長階段進(jìn)行形態(tài)調(diào)節(jié)。

5 結(jié)論與討論

（1）在分析光照對植物形態(tài)發(fā)育影響的基礎(chǔ)上，針對不同植物在不同生長階段形態(tài)發(fā)育對光照環(huán)境的不同需求，提出了適應(yīng)不同植物不同生長階段植物形態(tài)調(diào)節(jié)光照需求的光照調(diào)控方法。在此基礎(chǔ)上，采用STM32F103單片機(jī)作為控制模塊，開發(fā)了植物幼苗形態(tài)調(diào)節(jié)光照調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了植物形態(tài)調(diào)節(jié)的精確光照調(diào)控。該系統(tǒng)可根據(jù)外界環(huán)境變化、植物不同生長階段、植物形態(tài)發(fā)育不同狀態(tài)以及不同調(diào)控目標(biāo)精確調(diào)控光照環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了不同植物形態(tài)的光照調(diào)節(jié)。

（2）由于該系統(tǒng)的植物形態(tài)檢測功能尚不完善，相關(guān)領(lǐng)域的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

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