蔬菜溫室的光度測(cè)量及自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)溫室大棚自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。文章介紹了光照對(duì)作物生長(zhǎng)的影響及光照控制需要注意的問題；選擇了合適的光敏元件及電路，高計(jì)了低成本的控制系統(tǒng)，應(yīng)用表明，效果較好，實(shí)現(xiàn)了溫室光照控制的智能化管理。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；傳感器；光照強(qiáng)度；光合作用

目前，信息技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，并應(yīng)用在了各個(gè)行業(yè)及部門。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，地域廣闊，溫室大棚保有量較大，其生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平直接關(guān)系到人民的生活質(zhì)量。縱觀國(guó)內(nèi)各農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件不一，旱澇災(zāi)害常發(fā)，使得農(nóng)作物產(chǎn)量不高，質(zhì)量不好，溫室大棚的作用更為突出。

目前，國(guó)外溫室的控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)或正在向完全自動(dòng)化及無(wú)人化的方向發(fā)展，盡管我國(guó)已對(duì)溫室控制系統(tǒng)中的氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等因素進(jìn)行了研究，但其實(shí)用效果并不理想，與國(guó)外還有很多差距，很多方面仍需要改進(jìn)。因此，研發(fā)低成本、低功耗的經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型溫室智能控制系統(tǒng)前景廣闊。

溫室環(huán)境控制技術(shù)是溫室智能控制技術(shù)的重要組成部分，其中主要包括溫濕度控制、二氧化碳濃度控制、土壤情況控制、光照強(qiáng)度控制等技術(shù)，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一是光照強(qiáng)度控制。因光照是植物光合作用的首要因素，影響著植物的產(chǎn)量和質(zhì)量，所以通過研究光照強(qiáng)度的控制運(yùn)用于農(nóng)業(yè)具有重要意義。

1 光對(duì)作物的影響

植物的生長(zhǎng)離不開光合作用，在這一過程中，光對(duì)植物的影響是最關(guān)鍵的因素之一。光照不足或過強(qiáng)，都會(huì)使光合作用減弱，植物生長(zhǎng)緩慢，植物只有在適合的光照強(qiáng)度下才能良好生長(zhǎng)，開花結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，植物的生長(zhǎng)速度與光照強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)成正相關(guān)的關(guān)系。傳統(tǒng)意義的光指陽(yáng)光，在溫室中，采用人造光源也可以達(dá)到相同的光合作用效果?？刂乒庹盏膹?qiáng)度，照射的時(shí)間、分布情況等，都會(huì)影響作物的生長(zhǎng)。

2 光的控制

溫室光的控制主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是光的種類，另外是光的強(qiáng)度或時(shí)間，光強(qiáng)度高，作用時(shí)間長(zhǎng)，則相應(yīng)的光合作用產(chǎn)生的能量也高。不同的作物對(duì)光的波長(zhǎng)有不同的需求，同一種作物在不同階段對(duì)的需求也不相同。因此，需要對(duì)不同作物，在不同階段進(jìn)不同的光照控制，以達(dá)到促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量的目的。如使用黃色薄膜，可使黃瓜生長(zhǎng)加速，使豆類更加茁壯等。當(dāng)光照強(qiáng)度不足時(shí)，需要對(duì)作物進(jìn)行補(bǔ)光處理，如陰雨天、冬春季等時(shí)節(jié)。補(bǔ)光控制主要有兩種方法，一是人工光源進(jìn)行補(bǔ)充，另外是控制溫室草苫的揭蓋時(shí)間，增加或減少光照。需要注意的是，補(bǔ)光要注意結(jié)合控制溫室內(nèi)的溫度高低。

光照對(duì)于溫室而言，光合作用為蔬菜生長(zhǎng)提供能量，同時(shí)光合作用釋放的能量也為溫室的環(huán)境提供了溫度保障。當(dāng)然，光照強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，作物光合作用與呼吸作用平衡，再增加光照，光合產(chǎn)物也不再增加。因此，光照的時(shí)間及強(qiáng)度并不是越大越好，必須合理控制。如在夏天，光照強(qiáng)度大，如中午以后，光照強(qiáng)度達(dá)到最大，高強(qiáng)度的光照會(huì)灼傷作物，同時(shí)作物氣孔關(guān)閉，光合作用停止。此時(shí)，必須進(jìn)行遮光處理，才利于作物生長(zhǎng)。一般溫室采用遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)光照時(shí)間進(jìn)行控制。

系統(tǒng)控制時(shí)，主要是光敏元件接受信號(hào)，轉(zhuǎn)換后啟動(dòng)遮光網(wǎng)控制器件。需要注意遮陽(yáng)網(wǎng)的啟停也要考慮溫室溫度的高低，溫室內(nèi)溫度偏低時(shí)，也應(yīng)控制設(shè)備打開遮陽(yáng)網(wǎng)以利于溫度上升。檢查光照強(qiáng)度低于光照下限時(shí)，遮陽(yáng)網(wǎng)應(yīng)關(guān)閉。

3 光照元件及電路

傳感器是控制系統(tǒng)不可缺少的元件，光電傳感器則是將測(cè)量的光照量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)強(qiáng)弱的元件，主要由光源、光學(xué)通路光電元件組成。目前的各類光電傳感器中，首選價(jià)格低、推廣容易的光敏電阻傳感器。本研究選用PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片包括1個(gè)串行數(shù)據(jù)接口線，1路模擬輸出和4路模擬輸入。工作時(shí)，待機(jī)電能耗小，8位逐次逼近型，模擬電壓范圍為VSS（電路供電壓）到VDD（芯片工作電壓）。對(duì)于光強(qiáng)度的測(cè)量，使用美國(guó)TAOS公司的TSL2561芯片，具有速度快，能耗低，測(cè)量范圍寬、可編程靈活等優(yōu)點(diǎn)。傳感器與單片機(jī)接口電路如圖所示。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

整個(gè)溫室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為三個(gè)部分：第一是控制策略，對(duì)光照的補(bǔ)充、溫度的高低控制、通風(fēng)、灌溉等；其次是溫室內(nèi)部環(huán)境的控制，光照強(qiáng)度、溫濕度、土壤濕度、作物等；三是外部環(huán)境條件，太陽(yáng)輻射、降水等。在此基礎(chǔ)上，對(duì)光照控制進(jìn)行研究。其設(shè)計(jì)思路如下：

對(duì)溫室的光照強(qiáng)弱進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)元件轉(zhuǎn)換為模擬值進(jìn)行傳輸；傳輸來(lái)的量值進(jìn)行指令控制，調(diào)整光照強(qiáng)度的量；對(duì)調(diào)節(jié)指令進(jìn)行對(duì)應(yīng)控制器的控制，通過改變光源，達(dá)到光照調(diào)節(jié)的目的；完成初步調(diào)節(jié)后，再次進(jìn)行光照強(qiáng)度的采集，對(duì)比系統(tǒng)設(shè)定值，以實(shí)現(xiàn)合理的光照。

通過使用上述系統(tǒng)，對(duì)某蔬菜溫室大棚進(jìn)行光照控制實(shí)驗(yàn)，作物生長(zhǎng)良好，與人工控制相比，生長(zhǎng)期縮短，產(chǎn)量提高，基本達(dá)到了控制目的。

5 結(jié)語(yǔ)

溫室大棚光照系統(tǒng)的實(shí)施，是溫室自動(dòng)控制的一部分，通過采用光敏元件對(duì)光照信號(hào)的接受，單片機(jī)進(jìn)行模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過電路設(shè)計(jì)，實(shí)施控制策略，對(duì)溫室光進(jìn)行了有效的控制。對(duì)比系統(tǒng)使用前后，使自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)施，是本文通過光敏傳感器接收光照信號(hào)，單片機(jī)轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，實(shí)施調(diào)節(jié)方案實(shí)現(xiàn)光照控制的補(bǔ)光控制和遮光控制。有效的控制光照，使溫室內(nèi)蔬菜產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高，達(dá)到了控制目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于海業(yè)，發(fā)達(dá)國(guó)家溫室設(shè)施自動(dòng)化研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1997，13：3-5.

[2] 董文國(guó)，蔬菜溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].曲阜師范大學(xué)，2012：112-115.

[3] 彭宏麗，溫室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)的設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，（8）：159-160.

作者簡(jiǎn)介：劉文（1994-），男，漢族，山東滕州人，本科，研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)。