【摘要】影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的光環(huán)境主要包括光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期3個(gè)因素，為了更加深入研究植物實(shí)際生長(zhǎng)周期所需要的光照總量及其對(duì)光譜的響應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種基于LED不同光照模式的植物培養(yǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括LED燈具設(shè)計(jì)及光溫檢測(cè)控制系統(tǒng)和植物水培生長(zhǎng)裝置。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅光照分布均勻，且光環(huán)境因子和溫度參數(shù)簡(jiǎn)易可控：既可對(duì)植物生長(zhǎng)所需光環(huán)境因子和溫度進(jìn)行靈活設(shè)置，又能為探索植物在不同生長(zhǎng)階段的最優(yōu)光照模式的設(shè)定方式及調(diào)控策略提供依據(jù)。

前言

21世紀(jì)的全球性課題主要集中在糧食、資源環(huán)境等方面，而植物是解決上述問(wèn)題的物質(zhì)基礎(chǔ)它不僅可以作為糧食及能源植物被人類(lèi)使用，而且還兼具凈化空氣、緩解氣候變化等效果"。對(duì)于綠色植物而言，光是其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中最重要的環(huán)境因素之一。自然界中對(duì)植物光合作用最為有效的波段是380~760nm的可見(jiàn)光，稱之為光合有效輻射！(Photosyntheticactiveradiation,PAR)。

設(shè)施農(nóng)業(yè)作為一種全天候周年可種植的生產(chǎn)方式，無(wú)毒害、安全可控技術(shù)的引入，在很大程度上降低了多種自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的因素。以影響作物生長(zhǎng)的光環(huán)境為例，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一般采用棚膜、遮陽(yáng)網(wǎng)等覆蓋材料對(duì)光環(huán)境加以調(diào)控，不僅無(wú)法依據(jù)作物實(shí)際生長(zhǎng)的光需求特性進(jìn)行有效調(diào)控，而且未能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的種植需求。在人工可控環(huán)境條件下，比如在植物工廠中，種植產(chǎn)業(yè)的高度自動(dòng)化不僅使多種作物生長(zhǎng)所需的光照條件得到有效控制，還延伸了對(duì)光維度的一般定義，即由原來(lái)所認(rèn)識(shí)的光環(huán)境三要素(光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期)，擴(kuò)展到光的多個(gè)維度特性(如光照模式、均勻性等)。不但豐富了人工控制植物生長(zhǎng)發(fā)育的途徑，而且對(duì)于深入探究不同維度或多種途徑的綜合效益同樣具有重要意義(。對(duì)于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)而言，僅針對(duì)植物的生長(zhǎng)或全人工光種植的植物進(jìn)行補(bǔ)光的栽培管理方式，不僅會(huì)消耗大量的電能，也會(huì)因光照太強(qiáng)或是有些光譜成分無(wú)法被植物真正吸收利用而造成能源的浪費(fèi)切，因此提高光照效率尤為重要。

光照模式有別于傳統(tǒng)定義的光的周期性照射(包括間歇光照、即刻光照、延遲光照和無(wú)光照等)，它是光強(qiáng)、光質(zhì)與光照時(shí)間三者的有機(jī)結(jié)合，擁有更為復(fù)雜的模式組合。此外，以特定植物的吸收光譜響應(yīng)曲線為基礎(chǔ)，結(jié)合植物實(shí)際生長(zhǎng)周期所需光照總量"的光照模式不僅在減少能耗方面有著更為突出的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于植物的生長(zhǎng)及其體內(nèi)有效物質(zhì)的積累等方面更具顯著的影響。光照模式可以表征單位時(shí)間內(nèi)，植物在不同照射模式中所接收到的總的光能量密度，單位為(molm2)。1天內(nèi)植物所能接收到的光總量稱為日光積分(DayLightIntegral)。劉文科等中1指出日光積分不足是限制許多園藝作物生長(zhǎng)的因素(一般DLI最小平均值應(yīng)為10~12mol(m2·天)。其課題組曾就1天內(nèi)用多個(gè)不同的光照模式在相同的光能量密度下對(duì)生菜進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，不同的光照模式對(duì)生菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響有顯著差異，研究光照模式對(duì)于在生產(chǎn)過(guò)程中選取最優(yōu)的節(jié)能光照方案具有重要的意義。

然而，前人研究多關(guān)注光環(huán)境三因子中的單一因素或雙因素組合對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，由于光環(huán)境調(diào)控的復(fù)雜性而鮮見(jiàn)對(duì)三因素的綜合研究分析。此外，若要真正研究對(duì)植物實(shí)際生長(zhǎng)周期所需要的光照總量及其對(duì)光譜的響應(yīng)，就必須具備能夠同時(shí)調(diào)控光環(huán)境三因子(光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)間)的光控實(shí)驗(yàn)裝置。另一方面，對(duì)植物的光照必然引起環(huán)境溫度的變化，導(dǎo)致間接引入除對(duì)光環(huán)境條件研究以外的環(huán)境制約因素?；谏鲜龇治?，課題組研制了基于LED不同光照模式的植物培養(yǎng)系統(tǒng)平臺(tái)，主要包括實(shí)驗(yàn)光照控制系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)燈具設(shè)計(jì)及光照檢測(cè)控制系統(tǒng))、溫度控制系統(tǒng)適于植物在光環(huán)境下水培生長(zhǎng)裝置。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)植物生長(zhǎng)所需光環(huán)境因子和溫度環(huán)境進(jìn)行靈活設(shè)置，同時(shí)可為探索植物在不同生長(zhǎng)階段的最優(yōu)光照模式的設(shè)定方式及調(diào)控策略提供依據(jù)。

LED光溫控制平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案)

圖1為智能植物生長(zhǎng)LED光溫控制系統(tǒng)總框圖。該系統(tǒng)是集光照控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)為一體的控制裝置，不僅具備友好的人機(jī)操作界面，還能對(duì)受控對(duì)象的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)控制、實(shí)時(shí)反饋和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了12組獨(dú)立受控的燈箱。其中，1~9號(hào)為L(zhǎng)ED燈箱，以及3組由熒光燈構(gòu)成的對(duì)照組燈箱，分別表示為FL1、FL2、FL3。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能植物生長(zhǎng)LED光溫控制系統(tǒng)硬件框圖采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由PLC控制器、溫控模塊、圖2智能植物生長(zhǎng)LED光溫控制系統(tǒng)硬件框圖光控模塊和人機(jī)操作模塊及報(bào)警模塊組成，其組成框圖如圖2所示。





其中，系統(tǒng)控制核心為PLC(ProgrammableLogicalController)控制器，型號(hào)為西門(mén)子SIMATICS7-1200，該控制器的處理速度快，多個(gè)通訊模塊可以執(zhí)行高速的串行通訊，且存儲(chǔ)容量大，具有多個(gè)I0接口，能夠同時(shí)控制多個(gè)對(duì)象滿足本設(shè)計(jì)的要求。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先檢測(cè)受控對(duì)象的光溫參數(shù)，并在控制系統(tǒng)的LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)鍵盤(pán)輸入所需參數(shù)，PLC讀取參數(shù)后，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行光溫調(diào)節(jié)與檢測(cè)。當(dāng)燈箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)(光環(huán)境參數(shù)和溫度參數(shù))超過(guò)設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并將采集到的參數(shù)反饋到控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

溫控模塊

智能植物生長(zhǎng)溫度控制模塊框圖如圖3所示PLC通過(guò)比較設(shè)定溫度與測(cè)量反饋的溫度差值，然后將控制方案送給變頻器。在生長(zhǎng)箱外部環(huán)境溫度可控的情況下，通過(guò)變頻器控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)燈箱內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)。



溫控系統(tǒng)中的散熱裝置采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。變頻器采用壓頻(V/F)控制，不僅節(jié)約電能，還能夠?qū)κ芸貙?duì)象進(jìn)行高效控制。采用變頻器與異步電動(dòng)機(jī)協(xié)同工作的設(shè)計(jì)方式，不僅提升了風(fēng)扇調(diào)速性能，還能有效降低電機(jī)性能的不足，提高異步電動(dòng)機(jī)的效率，更適宜中小型系統(tǒng)平臺(tái)的搭建。



圖4 變頻調(diào)速控制原理框圖

溫控模塊的變頻器采用如圖4所示的變頻調(diào)速原理。溫度檢測(cè)裝置(如熱電阻)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)傳給PLC控制器，PLC控制器將數(shù)據(jù)傳給CPU，然后通過(guò)PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路(DRIVER)對(duì)逆變模塊所輸出的電流頻率和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)(M)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速的目的。

整流模塊選用三相橋式整流電路，可以保證整流橋在工作時(shí)或換流瞬間具有可靠的電流通路。采用電容濾波，能濾除某一頻率的諧波電壓，而對(duì)直流電壓只有很小衰減。

光控模塊

智能植物生長(zhǎng)LED光照控制模塊框圖如圖5所示。



PLC通過(guò)采樣實(shí)際的光照參數(shù)，并與用戶設(shè)定的光照參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后將控制策略傳給智能電源。通過(guò)智能電源控制輸出電流的大小來(lái)控制LED的開(kāi)關(guān)與強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)光照環(huán)境的調(diào)節(jié)。

LED的工作原理是當(dāng)電壓大于LED燈本身的閥值電壓即可點(diǎn)亮，燈的亮度又由電流大小決定。該系統(tǒng)的智能電源本質(zhì)為電流源，所輸出的電流大小不會(huì)隨負(fù)載大小的變化而變化。它可以由用戶通過(guò)上位機(jī)編程設(shè)定并輸出相應(yīng)電流值，從而實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)所需的光照模式的控制策略。

光控模塊的智能電源采用圖6所示的電流控制原理。智能電源是以可控電流為輸出模式的電源，該系統(tǒng)能夠有效控制燈箱內(nèi)部LED的電流大小，為植物生長(zhǎng)提供所需光照條件。光度計(jì)通過(guò)檢測(cè)受控對(duì)象的光照條件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給PLC上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)光照條件滿足設(shè)定要求時(shí)，PLC發(fā)出控制電流大小的指令。智能電源通過(guò)串口與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。



圖6 智能電源控制原理框圖

LED 不同光照模式實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能植物生長(zhǎng)LED光溫控制系統(tǒng)所采用的程序語(yǔ)言為PLC編程語(yǔ)言，具有編程方式簡(jiǎn)單、功能適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)PC相比，當(dāng)用戶需要對(duì)控制方案進(jìn)行調(diào)整修改時(shí)，只需要修改PLC的內(nèi)部控制程序。PLC的程序常用直觀易懂的梯形圖語(yǔ)言編程進(jìn)行控制，其通用性體現(xiàn)在PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量、過(guò)程量以及對(duì)閉環(huán)控制等過(guò)程進(jìn)行處理上。



軟件圖7 智能植物生長(zhǎng)LED 光溫控制系統(tǒng)軟件控制流程圖

流程如圖7所示，系統(tǒng)工作時(shí)，首先進(jìn)入初始化界面，然后顯示受控對(duì)象當(dāng)前環(huán)境參數(shù)(光照參數(shù)和溫度參數(shù))，并提示用戶是否執(zhí)行前一次的參數(shù)設(shè)置。用戶可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，待系統(tǒng)讀取參數(shù)后，開(kāi)始對(duì)受控對(duì)象內(nèi)部的光、溫度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并將其進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部的邏輯來(lái)判斷當(dāng)前參數(shù)是否符合用戶設(shè)定要求，若參數(shù)超過(guò)設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行光溫控制程序，光、溫控制裝置就會(huì)開(kāi)啟。

圖8分別表示智能控制系統(tǒng)內(nèi)部的溫度控制子程序(圖左)和光照控制子程序(圖右)。以1號(hào)LED燈箱為例，智能控制系統(tǒng)首先檢測(cè)LED燈箱內(nèi)部的溫度參數(shù) T1，然后比較用戶設(shè)定的溫度參數(shù)T2和T1的差值A(chǔ)T，通過(guò)PLC內(nèi)部算法計(jì)算后對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使燈箱內(nèi)的溫度達(dá)到用戶需求。

同樣，對(duì)于光環(huán)境控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)檢測(cè)燈箱內(nèi)部的光照參數(shù)L1后，并與用戶設(shè)定的光照參數(shù)L2進(jìn)行比較，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)算后，對(duì)LED的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)至符合植物生長(zhǎng)所需的光照條件。照射光源設(shè)計(jì)方案

照射光源采用LED作為主要供試光源。前人有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中將LED作為研究對(duì)象，光源常以線型硬條燈形式出現(xiàn)，但通常存在光質(zhì)分布不均的情況(圖9)。

因此，該系統(tǒng)采用鋁基板式LED點(diǎn)陣面板(46cmx46cm)為供試光源(圖10)，貼片式LED燈珠進(jìn)行表面封裝，不僅重量小、壽命長(zhǎng)、散熱效率高，而且一致可靠、均勻性高，光源無(wú)論在亮度還是發(fā)光視角角度方面都比線性燈條都具有很大的優(yōu)勢(shì)。

點(diǎn)陣面板上布控24行24列共576個(gè)貼片式LED燈珠以填充整個(gè)鋁基板，貼片燈珠采用有序間隔布控的方式。具體地，LED1和LED2中心距離為1.8cm，LED5在LED1和LED2中垂線上且距離兩者等分點(diǎn)的距離也為1.8cm，其他燈源的布控以此類(lèi)推。面板四周均預(yù)留約2cm的空隙。每個(gè)貼片燈由紅、綠、藍(lán)三種LED顏色構(gòu)成：每種顏色經(jīng)PCB布線，只留電源進(jìn)線公共端和三種顏色獨(dú)立控制的公共端。



LED 光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)

LED光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)如圖11所示。PLC光溫控制系統(tǒng)連接自制植物培養(yǎng)架，整個(gè)架子高度2.1m,長(zhǎng)度1.8m,寬55cm,共分為4層。每層凈高50cm，留底10cm，架子底部設(shè)置可控滑輪，方便架子的移動(dòng)和固定。每層架子又被隔板分為3個(gè)隔層，隔板由KT板和反光膜制成，不僅簡(jiǎn)單，而且節(jié)約成本。

其中，LED點(diǎn)陣面板的中間和四周留有鉆孔，方便將面板固定于隔層頂部。架子上三層布控LED面板，最底層安裝3組熒光燈對(duì)照。每層采用1cm厚度的三合板來(lái)用于固定LED面板和熒光燈，三合板采用保鮮薄膜和塑料加以密封：不僅方便鉆孔，而且也不易受潮適于生菜生長(zhǎng)的水培裝置的設(shè)計(jì)

水培蔬菜是指根系大部分生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)液液層，僅通過(guò)營(yíng)養(yǎng)液為其提供生長(zhǎng)所需的水分、養(yǎng)分等有別于傳統(tǒng)土壤栽培形式的蔬菜。水培蔬菜生長(zhǎng)周期短，富含多種人體所必需的維生素和礦物質(zhì)”。然而傳統(tǒng)水培方式不僅步驟繁雜，而且成本較高，不利于實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，中小型實(shí)驗(yàn)盆的使用不僅增加了清洗的步驟，而且所排棄的廢液容易造成環(huán)境污染。因此，課題組設(shè)計(jì)了一種適于生菜生長(zhǎng)的簡(jiǎn)易水培裝置(圖12)，以解決上述問(wèn)題可能帶來(lái)的對(duì)實(shí)驗(yàn)的不利影響。



將黑色KT板裁成長(zhǎng)33cm、寬度24cm的矩形，然后在板上等分裁剪出4x3共12個(gè)直徑32mm的定植孔;采用內(nèi)徑長(zhǎng)31.2cm，寬22.3cm，高7.2cm的長(zhǎng)方形塑料自盆作為盛裝營(yíng)養(yǎng)液的容器;生菜定植前，用大號(hào)黑色塑料袋套在白色塑料盆內(nèi)部，可以有效避免因光照進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)液而導(dǎo)致苔蘚和浮游生物的滋生。然后將營(yíng)養(yǎng)液注滿白盆;在所裁剪的KT板的定植孔上，用上口內(nèi)徑為32 mm，外延直徑為45mm，高度為1.4cm的定植籃作為固定生菜莖部的容器，將直徑為32mm，厚度為2.8cm的圓形定植綿對(duì)半裁剪至高度為1.4cm的定植棉，將生菜莖部卡入定植棉中心用于卡入生菜莖部的通孔，然后將定植棉將其嵌入至定植籃，最后將其移至KT板的圓孔上。

系統(tǒng)光照均勻性的分析

通過(guò)測(cè)試LED光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的三維均光特性(圖13)，結(jié)果表明，所研制的LED不同光照模式植物培養(yǎng)系統(tǒng)較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖9)不僅光照分布更為均勻，而且光環(huán)境因子(光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期)和溫度參數(shù)簡(jiǎn)易可控。能夠有效解決植物在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中對(duì)光照模式和溫度的不同需求，同時(shí)也能將其運(yùn)用于如植物組培苗或?qū)嵣绲脑耘鄬?shí)驗(yàn)。



小結(jié)與展望

該設(shè)計(jì)主要研制了基于LED不同光照模式的光照控制系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)燈具設(shè)計(jì)及光照檢測(cè)控制系統(tǒng))、溫度控制系統(tǒng)、適于植物在光環(huán)境下水培生長(zhǎng)裝置。結(jié)果表明，植物培養(yǎng)系統(tǒng)平臺(tái)不僅光照分布更為均勻，且光環(huán)境因子和溫度參數(shù)簡(jiǎn)易可控。既可對(duì)植物生長(zhǎng)所需光環(huán)境因子和溫度環(huán)境進(jìn)行靈活設(shè)置，又能為探索植物在不同生長(zhǎng)階段的最優(yōu)光照模式的設(shè)定方式及調(diào)控策略提供依據(jù)。但筆者同樣發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)中還有一些地方值得后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括：

①不同植物生長(zhǎng)對(duì)濕度、CO₂濃度都有特定的需求，因此可以在本控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)外接多個(gè)其他環(huán)境因素的控制模塊，以實(shí)現(xiàn)多因素可控的智能培養(yǎng)方式。②本設(shè)計(jì)采用智能電源對(duì)LED進(jìn)行控制，從控制效率的角度來(lái)說(shuō)，智能電源采用線性電源結(jié)構(gòu)，效率較低。如果采用PWM(脈寬調(diào)制)的方式則效率更高。但這種脈寬調(diào)制方式會(huì)使得照射出的光產(chǎn)生高頻的閃動(dòng)變化，而這種模式涉及植物對(duì)光頻率響應(yīng)的變化，也會(huì)是個(gè)很有趣的研究課題。③由于該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，因此從美觀角度來(lái)說(shuō)，略顯凌亂。后續(xù)設(shè)計(jì)可以采用集成化設(shè)計(jì)理念，將所有的控制模塊都集成于一塊PCB板上(如將控制電機(jī)的變頻器也合在一塊板上)。人機(jī)操作模塊也可以搭建多個(gè)APP，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)傳到遠(yuǎn)方，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。④從均光三維圖可知，仍存在局部燈源電流控制的不穩(wěn)定性，可采用多模塊獨(dú)立控制，不僅可有效避免各燈源間因電流不平衡造成的干擾，也可以達(dá)到同一時(shí)間內(nèi)各燈源的均一性，防止電網(wǎng)電壓造成的沖擊。⑤水培裝置可以進(jìn)一步改進(jìn)為可簡(jiǎn)易升降或簡(jiǎn)易加液式的類(lèi)型。