植物UV-B智能控制系統(tǒng)研制及其照度分布

黃 超，曾體賢，殷萬君，田引黎，熊建云

(1．四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017; 2． 西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637009)

光合作用是植物生長的重要生理過程，而UV-B 作為光的一個(gè)重要組成部分，其照度對(duì)植物生長起到非常重要的作用［1］．然而，大氣層臭氧減少使UV-B 輻射增強(qiáng)．為了研究臭氧減少所致的地表UV-B 增強(qiáng)對(duì)植物的影響，科研人員引入了對(duì)植物進(jìn)行UV-B 人工模擬增強(qiáng)的田間實(shí)驗(yàn)［2］．至今，國際上已有多位學(xué)者自行研制可調(diào)式UV-B 自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行植物UV-B 模擬增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)［3-6］．然而國內(nèi)進(jìn)行的UV-B 田間增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)均未能較好地模擬日光中的UV-B 輻射的自然變化及波動(dòng)(日變化和季節(jié)變化等)，所采用的人工光源發(fā)出的UV-B 輻射不隨時(shí)間變化而變化．為此，大棚內(nèi)實(shí)驗(yàn)迫切需要一種設(shè)備，該設(shè)備能精確控制UV-B 的照度大小，同時(shí)能動(dòng)態(tài)模擬室外UV-B 強(qiáng)度的變化．

基于此，研發(fā)了一種大棚內(nèi)植物紫外(UV-B)照射智能控制系統(tǒng)(包括硬件和軟件)，并研究了設(shè)備在棚內(nèi)的照度分布．該系統(tǒng)已在相關(guān)實(shí)驗(yàn)基地使用，運(yùn)行效果良好．

1 UV-B 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 硬件部分

溫室中的照度及其均勻性是影響日光溫室生產(chǎn)力的重要因素［7］． 為此本系統(tǒng)光源采用UVBF8T5 熒光燈管，并以0．13mm 的醋酸纖維素膜濾掉UV-C．系統(tǒng)硬件示意圖如圖1 所示，分為棚內(nèi)終端控制系統(tǒng)和基站系統(tǒng)，均以51 單片機(jī)作為MCU．棚內(nèi)終端控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)室內(nèi)外UV-B 檢測(cè)，溫濕度數(shù)據(jù)處理，輸出顯示，UVB 燈管照度控制，905 模塊無線通信，掃描鍵盤等．基站負(fù)責(zé)與各個(gè)棚內(nèi)子系統(tǒng)通過905 進(jìn)行通信，同時(shí)與電腦進(jìn)行通信．電源總線部分串接一個(gè)2 通道常開繼電器，用于控制UV-B 燈管正負(fù)極同時(shí)通斷，繼電器通過單片機(jī)一個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)來控制．當(dāng)系統(tǒng)未工作時(shí)，處于斷開狀態(tài);反之處于閉合狀態(tài)．只有當(dāng)燈管處于閉合狀態(tài)下，控制部分才能實(shí)現(xiàn)對(duì)燈管的照度控制． 燈管控制部分主要通過單片機(jī)一個(gè)端口輸出一定空占比PWM波，放大后驅(qū)動(dòng)由本團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)并取得國家專利的光控變阻器［8］輸出連續(xù)的電流信號(hào)，將其輸入到電子鎮(zhèn)流器中實(shí)現(xiàn)對(duì)燈管由5%照度到95%照度的控制，采用此光控變阻器可實(shí)現(xiàn)UV-B 燈管照度控制連續(xù)，不間斷．

圖1 硬件設(shè)計(jì)構(gòu)造圖Fig．1 The design of hardware structure

此外，為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具可靠性，實(shí)驗(yàn)過程中電源穩(wěn)定，燈管照射均勻，空氣通風(fēng)，燈管累計(jì)功率不宜過大等都是必要的因素［9］．

1．2 軟件系統(tǒng)

本單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)包括單機(jī)模式和聯(lián)機(jī)模式，均有恒定和動(dòng)態(tài)UV-B(室外同步UV-B)兩種控制模式．單機(jī)模式是每個(gè)溫室里面的控制系統(tǒng)手動(dòng)設(shè)置，相互獨(dú)立運(yùn)行，不受到主機(jī)控制．聯(lián)機(jī)模式是指通過電腦遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，只需在電腦上設(shè)置控制參數(shù)即可．恒定UV-B 模式指設(shè)定需要的恒定UV-B 值，系統(tǒng)就可以讓溫室內(nèi)的UV-B 一直恒定維持在這個(gè)數(shù)字．室外同步UV-B 則指溫室內(nèi)的UV-B 值將隨室外的UV-B 值按照設(shè)置的比例大小動(dòng)態(tài)變化．大棚內(nèi)終端主要通過while 函數(shù)不斷掃描是否有電腦指令發(fā)送過來，并且將本大棚內(nèi)的各種采集數(shù)據(jù)按照一定協(xié)定發(fā)送出去．電腦與大棚之間的基站主要通過while 循環(huán)下不斷掃描電腦發(fā)出的指令并且按照要求接收大棚終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并傳送給電腦．

圖2 控制軟件界面Fig.2 The interface of control software

電腦軟件控制界面主要由操控部分(圖2 中的1)，數(shù)據(jù)顯示部分(圖2 中的2)和其他設(shè)置構(gòu)成(圖2 中的3)．操控部分設(shè)置三個(gè)子系統(tǒng)的工作方式，控制比例或者恒定數(shù)據(jù)大小以及采集周期．?dāng)?shù)據(jù)顯示部分由表格和曲線圖構(gòu)成，表格顯示最近五次采集的數(shù)據(jù)，曲線圖顯示最近30 組室內(nèi)外UV-B 數(shù)據(jù)變化曲線．其他設(shè)置部分包括系統(tǒng)注冊(cè)、com 口設(shè)置、文本數(shù)據(jù)查看、調(diào)用按鈕等．工作時(shí)依靠按鈕觸發(fā)事件，對(duì)設(shè)置的命令參數(shù)按照一定協(xié)定由串口發(fā)送給基站，同時(shí)時(shí)刻監(jiān)測(cè)串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)．由串口觸發(fā)事件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)行分割、處理及保存．

2 照度分布

系統(tǒng)采用燈管照射模擬陽光的效果．如圖3 所示，E 表示照度，H 是燈管上面任一點(diǎn)光源，G 是受光點(diǎn)，M，N 分別是發(fā)光點(diǎn)元H 和受光點(diǎn)元G 的法線方向，L 為發(fā)光點(diǎn)元亮度(L 為常數(shù)，與燈管長度、功率、發(fā)光效率等有關(guān))，n 為燈管個(gè)數(shù)．推導(dǎo)可得到水平面G 點(diǎn)總照度公式為［10］:

以上計(jì)算出了線光源在一定高度為z 的受照面內(nèi)任一點(diǎn)G 的照度．通過改變高度z 可比較不同高度的照度變化情況．以下對(duì)不同高度下對(duì)培養(yǎng)室內(nèi)的照度進(jìn)行分析．

部分實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:UV-B 燈功率為15W，發(fā)光效率為50Lm/w，燈管高度z 為1．5m，燈管長度l 為0．8m，燈管間距a 為0．2m，受照面積邊長為0．6m 的正九邊形．根據(jù)受照面大小確定x 方向兩端的坐標(biāo)為x =0 和x=0．8，y 方向兩端的坐標(biāo)為y=0 和y=0．8．選取受照面內(nèi)的81 個(gè)點(diǎn)帶入式(1)，對(duì)z=1．5m 受照面照度計(jì)算，經(jīng)繪圖處理，得到照度分布情況，如圖4 所示．

圖3 燈管照射模擬Fig.3 Tube simulation irradiation

圖4 高度z=1.5m 的照度分布Fig.4 The distribution of illumination with height z=1.5m

從圖4 中可以看出，數(shù)據(jù)具有軸對(duì)稱，表明受照面的照度分布是以中心燈管在地面的投影為對(duì)稱軸的;此外，以區(qū)域中心為原點(diǎn)，呈一系列近似于同心圓的等照度區(qū)域，且中心區(qū)域照度最大，向外呈輻射狀逐漸均勻遞減．通過改變高度z，可以對(duì)不同高度的照度進(jìn)行比較．

采用同樣的方法，可獲得z=1．4m 和z=1．3m 的照度分布圖，如圖5 所示:

圖5 高度z=1.4、1.3m 的照度分布Fig.5 The distribution of illumination with height z=1.4、1.3m

從圖中可以看出，受照面照度分布仍為一系列近似于橢圓的同心等照度區(qū)域，照度值隨高度的減小而增大;隨著高度的減小，中心等照度區(qū)域面積增大．

3 結(jié) 論

本文所研發(fā)的UV-B 智能控制系統(tǒng)具有功能多，穩(wěn)定性好，照射均勻，照顧變化模擬性強(qiáng)，價(jià)位低等特點(diǎn)．在實(shí)驗(yàn)過程中，可按照?qǐng)D4 所示環(huán)形擺放作物，受光更均勻．本系統(tǒng)在大棚內(nèi)進(jìn)行一年多的跟蹤測(cè)試，證明實(shí)用性較高．

［1］ 劉 曉，賀俊芳，岳 明．熒光動(dòng)力學(xué)方法研究光系統(tǒng)Ⅱ原初傳能過程對(duì)低劑量UVB 輻射的響應(yīng)［J］．生物物理學(xué)報(bào)，2011，27(10):839 -840．

［2］ 李海濤，姚永軍，周曙東．可調(diào)式UV-B 自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制［J］．江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，6(25):953 -954．

［3］ CALDWELL M M，F(xiàn)LINT S D． Stratospheric ozone reduction，solar UV-B radiation and terrestrial ecosystems［J］． Climatic Change，1994，28(4):375 -394．

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［7］ 杜震宇，謝秋紅，賈 蕾．日光溫室內(nèi)太陽輻射照度分布的實(shí)驗(yàn)研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41(4):372．

［8］ 曾體賢，黃 超．一種數(shù)字變阻器及控制電路:中國，ZL201320213902．4［P］．2013 -10 -23．

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［10］ 田 鋒，楊體強(qiáng)，韓改利，等．植物培養(yǎng)架燈光照度分布理論與實(shí)驗(yàn)［J］．內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，39(4):23-24．