基于作物光照需求的溫室光調(diào)控系統(tǒng)

朱　舟，童向亞，鄭書河

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州　350002)

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基于作物光照需求的溫室光調(diào)控系統(tǒng)

朱舟，童向亞，鄭書河

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州350002)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的溫室光照環(huán)境控制方法粗糙、易造成作物光照不足及能源浪費(fèi)的問題，考慮作物生長(zhǎng)對(duì)光照的需求，基于光合速率模型，分析環(huán)境溫度對(duì)作物生長(zhǎng)光照需求的影響，推導(dǎo)創(chuàng)建了溫室補(bǔ)光模型；同時(shí)，應(yīng)用無線通訊技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于作物光照需求的溫室光環(huán)境遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)；最后，針對(duì)秋冬季節(jié)溫室環(huán)境在1天內(nèi)的實(shí)際變化情況，對(duì)系統(tǒng)的光照調(diào)控方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：該方法能夠根據(jù)環(huán)境的實(shí)時(shí)變化采取不同的光照控制措施，既滿足作物生長(zhǎng)的需求，又能更有效地利用能源。

關(guān)鍵詞：溫室；光照需求；補(bǔ)光模型；光調(diào)控系統(tǒng)

0引言

光照作為作物光合作用的能量來源，是影響作物生長(zhǎng)的最關(guān)鍵環(huán)境因子之一，設(shè)計(jì)出合理的溫室光照控制系統(tǒng)是保證作物良好生長(zhǎng)與避免能源浪費(fèi)的有效手段。

傳統(tǒng)的溫室光照自動(dòng)控制方法是采用定時(shí)長(zhǎng)及固定補(bǔ)光上下限的方式進(jìn)行光照控制，易造成補(bǔ)光不足及能源浪費(fèi)。近年來，張海輝[1]、胡瑾[2]及劉曉英[3]等人針對(duì)目前的定光照度、定光質(zhì)補(bǔ)光方式的不足，指出應(yīng)根據(jù)植物對(duì)光照的實(shí)際需求進(jìn)行補(bǔ)光，設(shè)計(jì)出了紅、藍(lán)光強(qiáng)度均可調(diào)的植物補(bǔ)光系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)光提供了硬件支撐。然而，如何根據(jù)植物光照需求進(jìn)行溫室光環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。針對(duì)該問題，本文基于光合速率模型分析環(huán)境溫度對(duì)作物生長(zhǎng)光照需求的影響，推導(dǎo)創(chuàng)建了溫室補(bǔ)光模型，應(yīng)用無線通訊技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于作物光合需求的溫室光環(huán)境遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的光照調(diào)控方法，為溫室光照控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

1作物的凈光合速率模型

凈光合速率是反應(yīng)作物有機(jī)物積累量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是反映作物光照需求的依據(jù)，可用單位葉面積的光合速率來表示。本文采用負(fù)指數(shù)模型[4]，表達(dá)式為

(1)

式中Pn(I) —葉片的凈光合速率(μmol/m2·s)；

Pm—最大光合速率(μmol/m2·s)；

α—表觀量子效率，即光響應(yīng)曲線的初始斜率；

I—光合有效輻射，用光量子通量密度來度量(μmol/m2·s)；

Rd—暗呼吸速率(μmol/m2·s)。

其中，Pm是環(huán)境溫度的函數(shù)，表示為[5]

(2)

式中Pm(Topt)—最適溫度條件下的最大光合速率(μmol/m2·s)；

T、Topt、Tmax、Tmin—作物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度、最適溫度、最高溫度和最低溫度。

2基于光合作用的溫室補(bǔ)光模型

以作物光合作用的光照需求為依據(jù)，結(jié)合溫室內(nèi)的自然光照強(qiáng)度，建立溫室補(bǔ)光模型是實(shí)現(xiàn)按需補(bǔ)光的基礎(chǔ)。

光補(bǔ)償點(diǎn)是作物光合作用與呼吸作用達(dá)到平衡時(shí)的光合有效輻射，是維持植物生存的最低光照強(qiáng)度。令式(1)中Pn(I)=0，可得到作物的光補(bǔ)償點(diǎn)ILCP，則

(3)

光飽和點(diǎn)是作物達(dá)到最大光合速率時(shí)的光合有效輻射，當(dāng)環(huán)境中的光照強(qiáng)度高于作物的光飽和點(diǎn)時(shí)，作物的光合速率不再增加，甚至過強(qiáng)的光照會(huì)抑制作物的生長(zhǎng)[6]，而且也會(huì)造成能源浪費(fèi)。本文所采用的光合速率負(fù)指數(shù)模型不存在凈光合速率的極值點(diǎn)。因此，可設(shè)式(1)中當(dāng)作物的總光合速率(即Pn(I)+Rd)達(dá)到99%的最大光合速率Pm時(shí)，對(duì)應(yīng)的光合有效輻射為作物的光飽和點(diǎn)ILSP，則可得到

(4)

由式(3)、式(4)及式中Pm與環(huán)境溫度的函數(shù)關(guān)系可知：作物的光補(bǔ)償點(diǎn)與光飽和點(diǎn)均是隨環(huán)境溫度變化的動(dòng)態(tài)值，但其變化的程度各有差異，需做進(jìn)一步分析。根據(jù)作物光合作用機(jī)理的研究成果[5,7]，上述式子中各參數(shù)取值如表1所示。

表1　補(bǔ)光模型中的相關(guān)參數(shù)

將式(2)分別帶入代式(3)、式(4)，可得到作物光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)曲線，分別如圖1、圖2所示。

圖1　作物光補(bǔ)償點(diǎn)曲線

圖2　作物光飽和點(diǎn)曲線

由圖1可以看出：作物的光補(bǔ)償點(diǎn)在環(huán)境溫度較低和較高時(shí)會(huì)稍有變化。在環(huán)境溫度較低時(shí)，作物的光補(bǔ)償點(diǎn)較高，這是由于溫度的不足需要較多的光照作補(bǔ)償，以維持作物暗呼吸的需求；當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高時(shí)，作物的光補(bǔ)償點(diǎn)基本上不再變化；而當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，作物的光補(bǔ)償點(diǎn)再次升高，這是由于作物的光合作用受到抑制，需要增加光照進(jìn)行補(bǔ)償。

由圖2可以看出：作物光飽和點(diǎn)隨溫度的變化非常明顯。當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，作物不能正常光合作用，光飽和點(diǎn)為零；隨著環(huán)境溫度的升高，作物的光飽和點(diǎn)增大，是由于作物的光合速率加快，需要更多的光照才能使光合速率達(dá)到最大值；而當(dāng)環(huán)境溫度高于作物生長(zhǎng)的最適溫度(28℃)后，隨著溫度的升高，作物的光飽和點(diǎn)反而降低，這是因?yàn)檫^高的溫度對(duì)作物光合作用的抑制。

對(duì)比圖1、圖2可知：作物的光飽和點(diǎn)隨環(huán)境溫度的變化非常明顯，而作物光補(bǔ)償點(diǎn)基本上比較穩(wěn)定，其最大值和最小值之間的差值ΔI不超過40μmol/m2·s，相對(duì)光飽和點(diǎn)的變化情況，其變化可以忽略不計(jì)。

綜上分析，作物光合作用需要的光照強(qiáng)度隨環(huán)境溫度的變化而變化，而且主要體現(xiàn)在作物光飽和點(diǎn)的變化上。因此，在溫室光照環(huán)境控制中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)變化計(jì)算出作物的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)，求出作物光飽和點(diǎn)與環(huán)境中光照強(qiáng)度的差值用于控制溫室內(nèi)光照強(qiáng)度，使其維持在既適宜作物生長(zhǎng)又不造成浪費(fèi)的范圍內(nèi)，即ILCP

Imax=ILSP-I

(5)

3基于補(bǔ)光模型的光照控制系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是基于無線通信技術(shù)的溫室光照環(huán)境智能控制系統(tǒng)，由位于控制室內(nèi)的上位機(jī)和位于溫室現(xiàn)場(chǎng)的下位機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信是由上位機(jī)接入因特網(wǎng)，再通過GPRS服務(wù)器接入GPRS網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)的主控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信。在下位機(jī)中，主控節(jié)點(diǎn)與各終端子節(jié)點(diǎn)間的通信則是通過基于ZigBee協(xié)議組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2硬件設(shè)計(jì)

3.2.1主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括電源模塊、核心控制器模塊、 ZigBee模塊、GPRS模塊、顯示模塊、按鍵模塊及預(yù)警模塊，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　主控節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖

其中，主控制器采用STC15F2K60S2單片機(jī)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等相關(guān)操作；ZigBee模塊以CC2530為控制器，負(fù)責(zé)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并與終端子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊；GPRS模塊采用SIM900A模塊與上位機(jī)間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊；液晶顯示采用LCD1602模塊，用于顯示當(dāng)前環(huán)境中的溫度、光照強(qiáng)度信息；按鍵模塊包括了4個(gè)按鍵，即設(shè)置鍵、確認(rèn)鍵及2個(gè)方向鍵，用于手動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)；預(yù)警模塊包括指示燈和報(bào)警蜂鳴器，可在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警。

3.2.2監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的n個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)按照監(jiān)測(cè)要求均勻布置在溫室作物栽培區(qū)內(nèi)，負(fù)責(zé)定時(shí)對(duì)當(dāng)前環(huán)境的溫度、光照強(qiáng)度進(jìn)行采集處理并發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括電源模塊、以CC2530為主控芯片的ZigBee模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊及相應(yīng)的傳感器模塊。其中，光照傳感器采用的是BH1750FVI的集成模塊，溫度傳感器采用DS18B20模塊。

圖5　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖

3.2.3控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制節(jié)點(diǎn)包括了1個(gè)遮陽(yáng)節(jié)點(diǎn)和n個(gè)補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。采用模塊化設(shè)計(jì)，包括了電源模塊、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊及相應(yīng)的執(zhí)行模塊。以CC2530為主控芯片的ZigBee模塊負(fù)責(zé)接收主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制指令，通過BP2808模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備工作，并將設(shè)備執(zhí)行結(jié)果信息反饋給主節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)入睡眠模式等待下一個(gè)喚醒指令。其中，執(zhí)行設(shè)備包括了補(bǔ)光燈和遮陽(yáng)卷簾機(jī)。

圖6　控制節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖

3.3軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件包括了上位機(jī)軟件、主控節(jié)點(diǎn)軟件、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)及控制節(jié)點(diǎn)的軟件。人機(jī)界面采用VB程序編寫，包括了通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊等。下位機(jī)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟件采用C語言編寫及對(duì)ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行移植開發(fā)。限于篇幅，本文只對(duì)主控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)單介紹。

系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖7所示。主節(jié)點(diǎn)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)，允許子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求。然后主節(jié)點(diǎn)會(huì)在無線通道中讀取數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)類型：若為無關(guān)信號(hào)，則重新讀??；若為子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求信息，則讀取子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，辨別出是監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)還是控制節(jié)點(diǎn)，并將其加入控制列表，繼續(xù)讀取和分析無線通道中的數(shù)據(jù)。

圖7　主控節(jié)點(diǎn)程序流程圖

若為控制節(jié)點(diǎn)反饋的執(zhí)行信息，則記錄并判斷控制節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行結(jié)果是否成功：若為不成功信息，則記錄該節(jié)點(diǎn)的失敗次數(shù)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的失敗次數(shù)達(dá)到設(shè)置的閾值就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，若未達(dá)到閾值則重新發(fā)送控制指令；若為執(zhí)行成功的信息，則將失敗次數(shù)清零，然后繼續(xù)讀取和分析無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。

若為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的監(jiān)測(cè)信息，則判斷當(dāng)前環(huán)境是否滿足作物生長(zhǎng)的需求，如果滿足，則維持現(xiàn)狀，并將之前收到的信息發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)；若當(dāng)前環(huán)境不滿足作物生長(zhǎng)的要求(即光照不足)，則調(diào)用補(bǔ)光模型計(jì)算出需要的補(bǔ)光量，并制定光照調(diào)控方案，通過編碼后將控制指令發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)；然后將之前接收到的信息、做出控制和控制節(jié)點(diǎn)反饋的相關(guān)信息都發(fā)送給上位機(jī)；最后，系統(tǒng)將重新讀取無線通道中的數(shù)據(jù)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

為了保證LCD顯示亮度的均勻性，顯示部分的程序放在了定時(shí)器的中斷服務(wù)程序里面，而系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置程序由外部中斷負(fù)責(zé)。當(dāng)主控節(jié)點(diǎn)的設(shè)置鍵按下或上位機(jī)有修改參數(shù)的指令發(fā)送過來時(shí)，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入外部中斷服務(wù)程序完成相應(yīng)的參數(shù)修改。

4系統(tǒng)調(diào)控方法驗(yàn)證

針對(duì)秋冬季節(jié)溫室環(huán)境中的氣溫在某一日內(nèi)的實(shí)際變化情況[8]，得到一天內(nèi)作物光飽和點(diǎn)的變化曲線如圖8所示。由圖8可知：一天內(nèi)的不同時(shí)刻作物的光飽和點(diǎn)值在不斷變化，反映出作物對(duì)光照需求的變化，因此必須采用不同的光照控制方案。

圖8　1日內(nèi)作物光飽和點(diǎn)的變化曲線

根據(jù)上述作物光飽和點(diǎn)的變化結(jié)合當(dāng)日溫室內(nèi)自然光照的變化情況，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)控方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)的調(diào)控方法的仿真結(jié)果

具體分析如下：0:00-8:00，雖然溫室內(nèi)光照強(qiáng)度微弱，但由于環(huán)境溫度較低，不適合光合作用，因此不進(jìn)行補(bǔ)光；8:00-13:00，隨著保溫被的收起，自然光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度都逐漸升高，但環(huán)境中的自然光照強(qiáng)度始終高于作物的光飽和點(diǎn)，因此無需補(bǔ)光；13:00-16:00，自然光照逐漸減弱，環(huán)境溫度繼續(xù)升高到15:00后開始降低，但作物的光飽和點(diǎn)已達(dá)到最大值，因此基本上不再增加，甚至由于光合作用受到較高的環(huán)境溫度的抑制而稍有下降，此時(shí)環(huán)境中光照強(qiáng)度仍高于作物的光飽和點(diǎn)不進(jìn)行補(bǔ)光；16:00-18:00，隨著氣溫和自然光照強(qiáng)度的繼續(xù)下降，環(huán)境中光照強(qiáng)度開始低于作物的光飽和點(diǎn)，開始對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)光；18:00-23:00，隨著夜幕的降臨和保溫被的遮蓋，溫室內(nèi)自然光照強(qiáng)度降為零，而溫度下降速度開始變慢，作物光飽和點(diǎn)不為零，需進(jìn)行補(bǔ)光以延長(zhǎng)日照時(shí)長(zhǎng)；23:00之后，環(huán)境溫度降低至不再適合作物光合作用，不再進(jìn)行補(bǔ)光。

由此可見，即使在同一自然光照強(qiáng)度下，由于環(huán)境溫度的不同造成作物光照需求差異，本系統(tǒng)將根據(jù)環(huán)境的變化采取不同的光照控制措施，這種光照控制方法既能滿足作物生長(zhǎng)的需求，又能更有效地利用能源；而若采用固定補(bǔ)光上下限的方法控制光照強(qiáng)度，必然容易造成補(bǔ)光不足或浪費(fèi)。

5結(jié)論

從環(huán)境溫度對(duì)作物生長(zhǎng)光照需求影響的分析結(jié)果可以看出：作物生長(zhǎng)對(duì)光照強(qiáng)度的需求隨環(huán)境溫度的變化而顯著變化。因此，在溫室光照環(huán)境控制中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同環(huán)境溫度下作物對(duì)光照的實(shí)際需求進(jìn)行光照控制，避免造成補(bǔ)光不足和能源浪費(fèi)。仿真驗(yàn)證表明：本系統(tǒng)采用基于作物光合需求的光照調(diào)控方法，可以隨著環(huán)境溫度的變化，根據(jù)作物生長(zhǎng)的實(shí)際光照需求進(jìn)行合理的光照控制；該方法既能滿足作物生長(zhǎng)的需求，又能更有效地利用能源，為溫室光照控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論指導(dǎo)。

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Light Regulation System for Greenhouse Based on Light Requirements of Crops

Zhu Zhou， Tong Xiangya， Zheng Shuhe

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Abstract：Based on the photosynthetic rate model considering the light demand of crops, the influence of temperature on illumination requirements for crops’ growth was analyzed, and then the light supplement model of greenhouse was established. A remote light environment control system for the greenhouse based on the light needs of crops was designed apply with the wireless communication technology. The lighting regulation method of system was tested according to the change of greenhouse environment in a day in early winter. The simulation results demonstrated that this method can take different lighting control methods on the basis of the change of the environment, and that it cannot only meet the need of plants growth but also can help to make use of energy efficiently.

Key words：greenhouse; light requirements; light supplement model; light regulation system

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0192-05

中圖分類號(hào)：S625.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：朱舟 (1987-)，男，福建莆田人，碩士研究生，( E-mail)zhuzhoumail@163.com。通訊作者：鄭書河(1976-)，男，福建三明人，副教授，博士，( E-mail)zshld1998@163.com。

基金項(xiàng)目：福建省科技重大專項(xiàng)(2014NZ0002-2)

收稿日期：2015-01-22