用于LED綠色新光源植物生長(zhǎng)柜的一種精確控溫系統(tǒng)

吳興利　魏鳴泉　崔世鋼　等

摘要：隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)食物的安全以及營(yíng)養(yǎng)問題越來越重視，尤其是一些地方，因沒有土地耕種條件或土地污染嚴(yán)重導(dǎo)致人們無法吃到新鮮安全的蔬菜，為解決上述問題，“LED綠色新光源植物生長(zhǎng)柜”應(yīng)運(yùn)而生，因溫度對(duì)植物有非常大的影響，長(zhǎng)期以來人們一直將柜內(nèi)溫度控制作為最主要的控制參數(shù)之一。本研究設(shè)計(jì)了1種具有二維控溫功能的控溫裝置。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，與裝有市場(chǎng)上購買的溫控裝置的LED綠色新光源植物生長(zhǎng)柜相比，裝有二維控溫功能的控溫裝置的LED綠色新光源植物生長(zhǎng)柜更有利于油菜的生長(zhǎng)發(fā)育。

關(guān)鍵詞：環(huán)境溫度；控制裝置；二維控溫

中圖分類號(hào)： S24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0365-03

收稿日期：2014-03-03

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61178048、61275169、61178081）；國家社會(huì)科學(xué)基金（編號(hào)：BFA110049）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)基金（編號(hào)：KJY11-10、KYQD13022）。

作者簡(jiǎn)介：吳興利（1960—），男，天津人，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化研究。E-mail：wxl600724@163.com。

通信作者：梁帆，博士，講師。E-mail：bachelormd10@163.com。 為了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、為了滿足人們對(duì)食品數(shù)量和質(zhì)量的需求，高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)突顯得格外重要。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)“安全飲食”“健康飲食”問題日益關(guān)注，保證日常人們能吃到健康、優(yōu)質(zhì)、新鮮的蔬菜越來越成為一種社會(huì)需求，特別是礁石島嶼、高寒高海拔哨所和潛艇士兵，常年吃不到新鮮的蔬菜，在此背景下“LED智能植物生長(zhǎng)柜”應(yīng)運(yùn)而生。智能植物生長(zhǎng)柜根據(jù)植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，通過傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)等控制各種環(huán)境參數(shù)（如柜內(nèi)的溫度、濕度、光照度等）使植物在外界不適宜生長(zhǎng)的情況下，人為創(chuàng)造適應(yīng)其生長(zhǎng)的環(huán)境，達(dá)到早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。在眾多環(huán)境參數(shù)中，溫度這一參數(shù)顯得格外重要，因?yàn)闇囟扔绊懼参锷L(zhǎng)發(fā)育中一系列暗反應(yīng)，而暗反應(yīng)則是一系列酶促反應(yīng)過程[1]，這一系列酶促反應(yīng)直接影響著植物的光合作用和呼吸作用[2]，如若控制不善使溫度過高或過低，會(huì)導(dǎo)致植物產(chǎn)生冷害、凍害、高溫危害，這些危害會(huì)導(dǎo)致葉片細(xì)胞間隙結(jié)冰[3]或二氧化碳吸收受阻[4]從而影響到植物進(jìn)行光合作用，甚至導(dǎo)致其死亡。

溫控系統(tǒng)在我們的生活中也得到了廣泛的應(yīng)用，例如冰箱使用的氨吸收方式制冷[5]，空調(diào)多采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)[6]，等。雖然溫控系統(tǒng)在植物生長(zhǎng)柜中的應(yīng)用起步較晚但也有了很大的發(fā)展，例如日本生產(chǎn)的植物生長(zhǎng)箱溫度可按晝夜規(guī)律逐時(shí)變化[7]，加拿大生產(chǎn)的植物生長(zhǎng)箱可實(shí)現(xiàn)數(shù)月甚至數(shù)年的自動(dòng)控制[8]。而我國在溫度控制方面還處于初級(jí)階段，鑒于此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種精確控溫系統(tǒng)，用于LED綠色新光源植物生長(zhǎng)柜。

1材料與方法

智能植物生長(zhǎng)柜中溫度控制裝置的工作環(huán)境與培養(yǎng)室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)工作環(huán)境完全不同，因?yàn)橄潴w保溫層相對(duì)于室內(nèi)種植的墻體保溫層單薄，箱體本身結(jié)構(gòu)緊湊無法裝載較大的調(diào)控能力較強(qiáng)的溫控設(shè)備，導(dǎo)致柜內(nèi)工作溫度對(duì)柜體內(nèi)外的溫差十分敏感，此外，不同的植物對(duì)于溫度的要求也各不相同，所以能否根據(jù)不同植物的生長(zhǎng)要求對(duì)溫度控制裝置進(jìn)行設(shè)定，并且能保證很高的溫控精度要求就成了設(shè)計(jì)溫度控制裝置的重中之重。本溫控系統(tǒng)在保留現(xiàn)有溫控裝置優(yōu)點(diǎn)的前提下采用二維控溫法。

1.1溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能植物生長(zhǎng)柜溫度控系統(tǒng)使用多個(gè)遠(yuǎn)紅外碳纖維加熱管、軸流風(fēng)機(jī)和一臺(tái)三洋冷藏展示柜自帶制冷裝置，對(duì)植物生長(zhǎng)柜內(nèi)部進(jìn)行加熱制冷操作，并通過溫度傳感器，對(duì)柜體內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上，以便操作人員及時(shí)掌握柜體內(nèi)溫度變化（圖1）。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括控制器、溫度檢測(cè)模塊、加熱裝置、制冷裝置、觸摸屏，其中控制器采用低功耗微控制器Atmega16單片機(jī)，溫度檢測(cè)模塊采用華控興業(yè)生產(chǎn)的CO2-T100 溫濕度CO2一體變送器，加熱裝置采用奧世朗品牌的遠(yuǎn)紅外碳纖維加熱管，制冷裝置采用三洋兩門封閉式冷藏展示柜SRM-CD471自帶制冷裝置，此控制系統(tǒng)可在保證溫度恒定的前提下根據(jù)不同植物，對(duì)溫度進(jìn)行二階控溫，并保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，柜體內(nèi)部溫度均勻，升、降溫迅速、準(zhǔn)確，且不受柜體外部溫度干擾。本控制系統(tǒng)見圖2。

1.2溫控制裝置軟件設(shè)計(jì)

1.2.1傳感器數(shù)據(jù)處理軟件中采用中值濾波算法對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)，中值濾波的基本原理是將數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。因在此控制系統(tǒng)中溫控波形為一條圍繞中軸上下波動(dòng)的波形，所以中值濾波算法完全適合用于此系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中值濾波輸出公式：g（x，y）=med{f（x-k，y-l），（k，l∈W），其中，f（x，y）、g（x，y）分別為原始值和處理后值。

1.2.2系統(tǒng)控制算法控制是系統(tǒng)的核心，在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，于是人們便利用各種方法來簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。因此本系統(tǒng)以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題[9-10]。軟件中采用模糊控制，模糊控制就是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。本系統(tǒng)中，將最理想溫度值設(shè)為t0，測(cè)量值記作t（K），誤差作為模糊控制的輸入變量，則（K）= t0- t（K），u變量為控制變量。

描述輸入、輸出變量的語言值的模糊子集為{NB，NS，O，PS，PB}，其中NB=負(fù)大，NS=負(fù)小，O=零，PS=正小，PB=正大。endprint

1.3試驗(yàn)方法

以油菜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因?yàn)橛筒嗣缙跁r(shí)間長(zhǎng)，占總生育期的1/3～1/2，不易培養(yǎng)，且對(duì)環(huán)境溫度變化較為敏感，有一定代表性，品種為先優(yōu)7號(hào)，以此觀察環(huán)境溫度對(duì)油菜生長(zhǎng)的影響。

根據(jù)植物生長(zhǎng)與溫度的特殊關(guān)系，我們對(duì)溫度的控制采用獨(dú)創(chuàng)的二維控溫法，即溫度按照晝夜規(guī)律逐時(shí)變化的同時(shí)還根據(jù)植物生育階段的不同逐期變化，我們根據(jù)油菜在不同生長(zhǎng)階段對(duì)環(huán)境溫度的要求設(shè)定溫度，如表2和圖5所示。

使用A、B 2臺(tái)LED智能植物生長(zhǎng)柜作對(duì)比試驗(yàn)，A柜搭載具有二維控溫功能的溫控裝置，B柜使用市場(chǎng)上購買的溫控裝置。其他參數(shù)設(shè)置：光照度0～3 000 lx、濕度（65±2）%、二氧化碳濃度700～1 000 μmol/L、根部溫度15～23 ℃等2柜均相同。將油菜幼苗從育苗室中取出， 放入水槽上面表2二維溫控時(shí)間表

時(shí)間溫度（℃）發(fā)芽出苗期苗期蕾薹期開花期角果發(fā)育成熟期06：00—17：0018～22 14～18 15～20 12～14 16～18 17：00—21：0024～2618～20 22～25 14～18 18～22 21：00—06：0010～18 10～14 6～10 10～12 14～16

的定植板中，水槽中加入營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行水培，試驗(yàn)周期為30 d。

2結(jié)果與分析

經(jīng)過為期30 d的對(duì)比試驗(yàn)，在A柜生長(zhǎng)的油菜在植株高度、葉片長(zhǎng)度、葉片寬度、葉片氮素含量、葉片葉綠素含量以及葉片葉面溫度幾個(gè)參數(shù)方面均高于B柜中生長(zhǎng)的油菜（表3、圖6）。

表3不同LED智能植物生長(zhǎng)柜中油菜生長(zhǎng)參數(shù)

7

3討論

溫度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響是綜合的，它既可以通過影響光合、呼吸、蒸騰等代謝過程，也可以通過影響有機(jī)物的合成和運(yùn)輸?shù)却x過程來影響植物的生長(zhǎng)，由于參與代謝活動(dòng)的酶的活性在不同溫度下有不同的表現(xiàn)，所以溫度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響也具有最低、最適和最高溫度三基點(diǎn)[9]。植物只能在最低溫度與最高溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)。植物生長(zhǎng)的最適溫度，就是指植物生長(zhǎng)最快的溫度，但這并不是植物生長(zhǎng)最健壯的溫度。因?yàn)樵谧钸m溫度下，植物體內(nèi)的有機(jī)物消耗過多，植株反而長(zhǎng)得細(xì)長(zhǎng)柔弱。因此在生產(chǎn)實(shí)踐上培育健壯植株，常常要求溫度低于最適溫度。由于不同的植物生長(zhǎng)的溫度三基點(diǎn)不同，即便是同一種植物因品種差異溫度三基點(diǎn)也略有不同，所以溫度控制裝置是否能穩(wěn)定生長(zhǎng)柜內(nèi)溫度就顯得十分重要。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的具有二維控溫功能的溫控系統(tǒng)在保留原有溫控裝置優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了其穩(wěn)定性、靈敏度和可操作性，根據(jù)植物生長(zhǎng)的不同階段提供其最適合生長(zhǎng)的環(huán)境溫度。通過驗(yàn)證，裝有本溫控系統(tǒng)的LED智能植物生長(zhǎng)柜有利于油菜的生長(zhǎng)發(fā)育。參考文獻(xiàn)：

[1]張其德. 溫度對(duì)植物光合作用的影響[J]. 植物雜志，1989（3）：28-30.

[2]張廣會(huì). 基于模糊控制的中央空調(diào)節(jié)能群控系統(tǒng)研發(fā)[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[3]張俊. 溫度對(duì)油菜生長(zhǎng)的影響[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，15（10）：138，146.

[4]吳韶輝，蔡妙珍，石學(xué)根. 高溫對(duì)植物葉片光合作用的抑制機(jī)理[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（15）：16-18.

[5]楊思文. 氨水吸收式制冷機(jī)的基礎(chǔ)理論與設(shè)計(jì)[J]. 流體機(jī)械，1990（10）：59-60.

[6]戴永慶. 溴化鋰吸收式制冷技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[7]陳春，何國庚，鄭賢德，等. 日光型植物生長(zhǎng)環(huán)境試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)工作穩(wěn)定性分析研究[J]. 制冷學(xué)報(bào)，1996（4）：26-30.

[8]歐進(jìn)萍，張吉禮. 作用模糊子集推理方法的研究與應(yīng)用[J]. 模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué)，2000，14（3）：58-65.

[9]張慧，烏蘭巴干. 生態(tài)環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的影響及其環(huán)境的監(jiān)測(cè)[J]. 農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2011（4）：47-48.

[10]韓慶文，尚淑敏，朱穎合. 基于模糊控制的認(rèn)知無線電路由選擇策略[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（1）：262-264.柏建彩，丁啟朔，陳青春，等. 農(nóng)田原狀土壤壓實(shí)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及操作方法[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（1）：368-370.endprint