多肉植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)智能LED系統(tǒng)研究與實(shí)踐

麻靈

摘要：結(jié)合LED光照對(duì)多肉植物的影響特性，提出一種LED系統(tǒng)，給出了植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)智能LED系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與控制策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，智能LED系統(tǒng)不僅能夠產(chǎn)生更多的生理有效輻射能，更有效地促進(jìn)植物生長(zhǎng)，而且使用壽命更長(zhǎng)、電費(fèi)成本支出更低，具有更經(jīng)濟(jì)的效果。

關(guān)鍵詞：多肉植物；生長(zhǎng)調(diào)節(jié)；LED；智能控制

在多肉植物生長(zhǎng)過(guò)程中，光照強(qiáng)度是影響其光合作用與生長(zhǎng)狀況的主要因素之一，因此，通過(guò)調(diào)節(jié)光照環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)植物生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)。LED植物生長(zhǎng)燈是植物燈的一種，它以LED（發(fā)光二極管）為光源，包含能夠促進(jìn)或抑制植物生長(zhǎng)激素產(chǎn)生的紅藍(lán)光源，由于LED系統(tǒng)能夠進(jìn)行控制以改變光照強(qiáng)度、輻射范圍、照射時(shí)間長(zhǎng)度等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程的人為調(diào)節(jié)，促進(jìn)植物在生長(zhǎng)期加快枝、葉、根、莖的分蘗，調(diào)節(jié)植物結(jié)果或成熟期內(nèi)的能量輸送，以利于增加產(chǎn)量。本文采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)智能LED系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)通信接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、電源與時(shí)鐘電路等硬件部分，并基于B/S架構(gòu)通過(guò)WIFI實(shí)現(xiàn)LED光照系統(tǒng)的智能控制。

1LED光照對(duì)植物的影響特性

LED系統(tǒng)產(chǎn)生的光可以分為紅綠藍(lán)3種基色，并且可以由三基色組合成其它顏色的光源。植物生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)于光源的吸收主要用于光合作用，以促進(jìn)自身的成長(zhǎng)與結(jié)果。針對(duì)這一目的，對(duì)于LED光照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制，也是以控制LED光照的波長(zhǎng)與頻率為主要目的，以調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)過(guò)程，縮短植物的生長(zhǎng)周期。一般來(lái)說(shuō)，冷白光的色溫為4500～10000K，主波長(zhǎng)為5500nm，典型光通量為1501m。暖白光的色溫為2850～3800K，主波長(zhǎng)為3300nm，典型光通量為1351m。藍(lán)光的色溫為20000K，主波長(zhǎng)為470nm，典型光通量為4.971m。

對(duì)LED植物燈光線光譜與植物光合作用之間的關(guān)系進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)如下特性：280～315nm對(duì)形態(tài)與生理過(guò)程的影響極??；315～400nm葉綠素吸收少，影響光周期效應(yīng)，阻止莖伸長(zhǎng)；400～520nm（藍(lán)）葉綠素與類胡蘿卜素吸收比例最大，對(duì)光合作用影響最大；520～610nm色素的吸收率不高；610～720nm（紅）葉綠素吸收率低，對(duì)光合作用與光周期效應(yīng)有顯著影響；720～1000nm吸收率低，刺激細(xì)胞延長(zhǎng)，影響開(kāi)花與種子發(fā)芽；>1000nm轉(zhuǎn)換成為熱量。

2植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)智能LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)包括上位機(jī)PC實(shí)現(xiàn)監(jiān)視與數(shù)據(jù)收集功能，單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中樞，完成光照、溫度檢測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，LED組合光源是受控光源，可以在單片機(jī)的調(diào)節(jié)下改變光照參數(shù)，傳感器部分完成對(duì)植物生長(zhǎng)參數(shù)的測(cè)量與采集，并且通過(guò)通信模塊MINI-PAM完成與PC的數(shù)據(jù)交互與通訊。單片機(jī)工作原理主要包括檢測(cè)、控制與預(yù)警，通過(guò)紅光檢測(cè)、藍(lán)光檢測(cè)與溫度檢測(cè)3個(gè)檢測(cè)程序獲得LED燈頭的工作參數(shù)，并根據(jù)光照與植物生長(zhǎng)之間的影響特性，進(jìn)行紅光補(bǔ)光、藍(lán)光補(bǔ)光、以及工作報(bào)警。系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口電路與Internet進(jìn)行通信，它可以將嵌入式WEB服務(wù)器采集的視頻信息傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端或者把遠(yuǎn)程監(jiān)控端傳輸?shù)目刂泼顐魉徒o嵌入式設(shè)備。在這個(gè)過(guò)程中，由網(wǎng)絡(luò)控制器處理網(wǎng)絡(luò)接口、接收數(shù)據(jù)的分析、發(fā)送數(shù)據(jù)的封裝等問(wèn)題。

3智能LED控制策略

本文提出一種基于植物生長(zhǎng)特性的光環(huán)境控制策略。LED光源及光譜組成根據(jù)植物生長(zhǎng)特性以及植物生長(zhǎng)過(guò)程、階段控制。初始階段，控制智能LED系統(tǒng)發(fā)出遠(yuǎn)紅光與UV光照射植物受光體，然后將光照調(diào)節(jié)為400～700nm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，以促進(jìn)植物光和色素的形成?？梢?jiàn)光被植物受光體接收后，調(diào)控植物光形態(tài)的建成，以調(diào)控植物光合作用，促進(jìn)葉莖植株的生長(zhǎng)過(guò)程，提高光合器官的活性與效率，并改善碳氮代謝過(guò)程，提高植物果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)性與產(chǎn)量。

4植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)智能LED系統(tǒng)的應(yīng)用

將多肉植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)智能LED系統(tǒng)應(yīng)用到多葉類蔬菜溫室大棚中，可以發(fā)現(xiàn)采用智能LED系統(tǒng)不僅能夠產(chǎn)生更多的生理有效輻射能，更有效地促進(jìn)植物生長(zhǎng)，而且使用壽命更長(zhǎng)、電費(fèi)成本支出更低，具有更經(jīng)濟(jì)的效果。

（收稿：2017-03-22）