動態(tài)調(diào)控決策下人工光環(huán)境中冬季辣椒幼苗生長特性分析

邱兆美， 馬延武， 于瑞鋒， 張 伏， 王 俊， 毛鵬軍， 張海峰

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南洛陽 471003； 2.商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南商丘 476000)

通信作者：馬延武，碩士研究生，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備方向的研究。E-mail：qzm381@126.com。

辣椒作為我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，不僅具有食用價值，在藥用價值上也有諸多優(yōu)點(diǎn)，而且品種分類多[1-2]。近年來，隨著我國辣椒栽培面積不斷擴(kuò)大，利用大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施進(jìn)行反季節(jié)栽培，可以提早或延遲辣椒上市時間，提高經(jīng)濟(jì)效益[3]。育苗是辣椒生產(chǎn)栽培過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]，對溫濕度和光照等因素要求比較嚴(yán)格，育苗質(zhì)量的好壞將直接影響到蔬菜的早熟性、豐產(chǎn)性及經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。

溫室具有與外部環(huán)境相隔離的特殊內(nèi)部小氣候環(huán)境，是強(qiáng)非線性、慢時變、強(qiáng)耦合、大滯后復(fù)雜系統(tǒng)，決定了溫室控制因素的多樣性[7]。在進(jìn)行辣椒育苗時，傳統(tǒng)的育苗方法育苗質(zhì)量低、成苗率低、土傳病害嚴(yán)重、育苗成本高及運(yùn)輸不便等弊端越來越明顯[8-10]，加上環(huán)境污染嚴(yán)重，冬季雨雪霧等天氣狀況，大氣透明度低，以及薄膜透光率和灰塵覆蓋等造成光環(huán)境差異等[11]，使產(chǎn)業(yè)化育苗面臨著育苗安全性等諸多難題[12]。LED光源應(yīng)用于植物產(chǎn)品生長領(lǐng)域，包括溫室補(bǔ)光、植物組培與育苗工廠、植物工廠、食用菌等，可以根據(jù)不同植物品種而任意選擇光質(zhì)和光照度，為植物提供最適宜的光環(huán)境參數(shù)，有效提高作物光能利用率[9，13-14]；組培育苗是現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的支柱之一，研究植物組織培養(yǎng)技術(shù)對于加快種苗培育具有重要意義[15]；水肥一體循環(huán)利用系統(tǒng)提高了水分利用率[16]?，F(xiàn)有關(guān)于溫室環(huán)境監(jiān)測控制的研究廣泛[17-19]，但春茬果菜生產(chǎn)育苗時間正值冬季，給育苗帶來許多不利影響[20]，育苗缺失配套環(huán)境與配套設(shè)施，忽視環(huán)境控制設(shè)備，育苗監(jiān)測系統(tǒng)僅能滿足監(jiān)測要求[21-22]，對控制系統(tǒng)的研究也是采用現(xiàn)代測控儀表監(jiān)測，設(shè)定閾值或者人為調(diào)控，其環(huán)境調(diào)控精度不能滿足育苗過程所需要指標(biāo)[4，23]。關(guān)于LED植物生長及控制系統(tǒng)研究及光源優(yōu)化設(shè)計(jì)，所采用LED不適用于溫室補(bǔ)光光源的功率要求，光源系統(tǒng)也未針對植株或育苗進(jìn)行生長照射試驗(yàn)[24-27]。

針對以上情況，本研究基于現(xiàn)有的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和WSN技術(shù)[17-19]設(shè)計(jì)一種育苗環(huán)境動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)，包括協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和調(diào)控節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)采用CC2530作為核心處理模塊，加入反饋控制的動態(tài)調(diào)控決策，在該動態(tài)調(diào)控決策下進(jìn)行人工光源的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并對辣椒幼苗進(jìn)行不同光照度和光照時間下的生長特性分析。該決策和系統(tǒng)可以為育苗工作的進(jìn)行提供一個安全可靠的環(huán)境。

1 環(huán)境因子對辣椒育苗狀況的影響分析

1.1 光源對育苗狀況的影響

光能是植物進(jìn)行光合作用的能量來源，除此之外還影響植物許多生理反應(yīng)，因此植株育苗需要選擇在陽光充足的地方[9，28-30]。研究發(fā)現(xiàn)，不同波段光對植物的生長影響不同(表1)[31-32]。植物在生長過程中會吸收特定波長的光進(jìn)行光合作用，主要集中在420～480 nm的藍(lán)光和610～700 nm的紅光[25]。實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)育苗不同時期所需目標(biāo)光值進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)育苗過程按需調(diào)光。

1.2 溫濕度對辣椒育苗狀況的影響

植物生長需要特定的溫濕度環(huán)境(表2)。溫度影響代謝活動中酶的活性，影響植株生長；植株莖葉表面和周圍環(huán)境的濕度影響植物的蒸騰作用[31]，在辣椒育苗過程中極易造成因濕度過大或放風(fēng)不及時而發(fā)生莖基腐病或早疫病[33]。因此，進(jìn)行辣椒育苗時，將溫室環(huán)境參數(shù)嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，對育苗十分重要。育苗過程采用穴盤育苗和滴灌技術(shù)，穴盤滴灌技術(shù)采取地下供水方式，能在保證作物生長所需水分和營養(yǎng)條件的同時，降低作物地上部分和生長環(huán)境的濕度，在一定程度上有效緩解苗床表面土壤板結(jié)現(xiàn)象，增強(qiáng)作物根部氧氣流通性能，有助于預(yù)防因濕度過大而引起的苗期病害，有利于實(shí)現(xiàn)育苗基質(zhì)見干見濕狀態(tài)。同時利用滴灌系統(tǒng)的特點(diǎn)，定時定期把作物苗期生長所需的營養(yǎng)肥加入到滴灌系統(tǒng)中，有助于實(shí)現(xiàn)水肥一體化管理[16，33]。

表1 不同波段光對植物的影響

表2 辣椒育苗溫濕度要求

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和調(diào)控節(jié)點(diǎn)組成，現(xiàn)場通過ZigBee進(jìn)行通信，并能實(shí)現(xiàn)Internet遠(yuǎn)程傳輸，便于遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。整個網(wǎng)絡(luò)采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)，完成空氣溫濕度和土壤濕度與光合有效量子通量密度值的采集；協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，完成環(huán)境實(shí)時參數(shù)和目標(biāo)光值的計(jì)算；調(diào)控節(jié)點(diǎn)作為葉子節(jié)點(diǎn)，完成命令的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)溫濕度和調(diào)光控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2.1 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)以CC2530芯片為核心進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，具有環(huán)境信息實(shí)時匯聚、調(diào)光量計(jì)算、無線通信以及調(diào)光命令發(fā)送等功能。能在不同模式下運(yùn)行，可分為CPU及相關(guān)存儲器模塊、時鐘和外設(shè)及能耗管理模塊、無線通信模塊3部分。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要包括電源模塊、時鐘模塊、光監(jiān)測模塊(主要是光量子傳感器)、溫濕度(包括土壤濕度)監(jiān)測模塊。實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集、處理和發(fā)送。溫濕度監(jiān)測模塊采用傳感器DHT11，溫度測量范圍0～50 ℃，精度±1 ℃；濕度測量范圍20%～90%，精度±5%。

2.2 調(diào)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

調(diào)控節(jié)點(diǎn)利用CC2530接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的控制信號，轉(zhuǎn)化為2路PWM信號后通過功率驅(qū)動芯片調(diào)控通過LED電流，實(shí)現(xiàn)光質(zhì)調(diào)節(jié)。采集的環(huán)境溫濕度信息以及土壤含水率，并與系統(tǒng)初始設(shè)定值進(jìn)行差值比較，經(jīng)過動態(tài)調(diào)控決策算法控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出功率，控制加熱棒、風(fēng)機(jī)或穴盤滴灌裝置等，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境控制功能。調(diào)控節(jié)點(diǎn)包括電源模塊、CC2530處理模塊、功率驅(qū)動芯片、LED光源、加熱棒、風(fēng)機(jī)及穴盤滴灌裝置，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

3 動態(tài)調(diào)控決策

植物的生長發(fā)育對所需要的環(huán)境有一個較寬的范圍，只要將環(huán)境參數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)即可滿足植物的生長需要。在動態(tài)調(diào)控決策下，調(diào)控節(jié)點(diǎn)可以接受協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的命令，通過算法處理下的數(shù)字信號，輸出寬度可調(diào)的PWM方波，改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，完成溫室內(nèi)部加熱、除濕、通風(fēng)降溫及LED光質(zhì)調(diào)節(jié)等功能，達(dá)到控制溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的目的，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控育苗環(huán)境。

3.1 動態(tài)調(diào)控決策原理

動態(tài)調(diào)控決策方法的原理是根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的初始目標(biāo)值，動態(tài)采集4類環(huán)境參數(shù)實(shí)時信息，利用反饋信息計(jì)算當(dāng)前值與目標(biāo)值的偏差，通過動態(tài)調(diào)控決策算法控制調(diào)控量的輸出，實(shí)現(xiàn)以初始設(shè)定值為目標(biāo)的動態(tài)調(diào)控功能。控制邏輯如圖3所示。

3.2 調(diào)控量的確定

由溫濕度傳感器及光量子傳感器等現(xiàn)代檢測設(shè)備，檢測當(dāng)前育苗溫室內(nèi)實(shí)時環(huán)境參數(shù)，判斷是否在初始設(shè)定值范圍內(nèi)，如果實(shí)時環(huán)境參數(shù)大于設(shè)定目標(biāo)值，則啟動執(zhí)行機(jī)構(gòu)降低相關(guān)參數(shù)或停止調(diào)控，反之，根據(jù)調(diào)控量公式(1)[34]確定補(bǔ)給量。如果系統(tǒng)處于調(diào)控狀態(tài)下，可以根據(jù)公式差額計(jì)算下一時刻調(diào)控量。

Amountneed=Amountset-Amountreal。

(1)

式中：Amountneed為需要補(bǔ)給量；Amountset為初始設(shè)定的目標(biāo)值；Amountreal為實(shí)時監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)值。

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到的偏差量作為調(diào)控量，在動態(tài)調(diào)控決策下調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，動態(tài)實(shí)時調(diào)整滿足植株生理需求，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控。

3.3 動態(tài)調(diào)控決策算法

本研究動態(tài)調(diào)控決策算法采用無模型自適應(yīng)控制算法MFAC，MFAC作為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動控制算法，只需用到控制系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)，具有在線調(diào)整參數(shù)少、成本低廉、設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、擾動下調(diào)整速度快及超調(diào)小等優(yōu)點(diǎn)。其主要思想是利用新引入的偽偏導(dǎo)數(shù)和偽階數(shù)，在被控系統(tǒng)軌線附近用動態(tài)線性時變模型來代替一般非線性系統(tǒng)，利用被控系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)在線估計(jì)系統(tǒng)的偽梯度向量，從而實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制[7]。分為緊格式動態(tài)線性調(diào)整和全格式動態(tài)線性調(diào)整，全格式線性化控制器各方面性能較優(yōu)，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，計(jì)算量大。這里采用緊格式動態(tài)線性化控制器，輸入控制準(zhǔn)則函數(shù)為：

J[u(k)]=[|y*(k+1)-y(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2]。

(2)

式中：λ為權(quán)重系數(shù)；y*(k+1)為期望輸出。

為解決參數(shù)估計(jì)值變化問題應(yīng)用極小化方法得到偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)算法：

(3)

式中：μ是權(quán)重因子，ηk為步長因子。

由此可以得到緊格式動態(tài)線性化無模型自適應(yīng)控制算法如下：

(4)

3.4 動態(tài)調(diào)控決策下的LED自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)

LED具有譜線窄、響應(yīng)速度快和體積小的優(yōu)點(diǎn)，且在工作電壓范圍內(nèi)發(fā)光亮度與正向電流近似成正比，控制部分利用這一點(diǎn)設(shè)計(jì)了LED自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)(圖4)，使電壓基本固定，通過電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)LED不同配色。系統(tǒng)所用LED發(fā)光模塊各單元均包括1只紅色LED、1只綠色LED、1只藍(lán)色LED，通過對發(fā)光單元的排布實(shí)現(xiàn)配色調(diào)整[35]。

同時，根據(jù)PWM調(diào)光技術(shù)，脈沖寬度調(diào)制最重要的就是導(dǎo)通與關(guān)斷時間的控制[36]。系統(tǒng)由脈寬調(diào)制控制電路對模塊產(chǎn)生的信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，由RS觸發(fā)器來完成PWM脈沖寬度調(diào)制信號的產(chǎn)生。關(guān)斷時間控制模塊在檢測到谷底信號時，將輸出相應(yīng)的信號到R端，從而控制功率管的打開；S端輸入為功率管導(dǎo)通時間控制模塊與過溫、過壓和過流模塊的共同作用結(jié)果，控制功率管的關(guān)斷。通過鏡像電流的變化改變電容充電速度，輸入基準(zhǔn)電壓VREF1、VREF2及誤差放大器VEA-OUT的電壓的變化改變充電電壓值，實(shí)現(xiàn)對電容充放電時間的改變，完成對開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷時間的控制。

4 結(jié)果與分析

本研究基于動態(tài)調(diào)控決策，對辣椒人工育苗環(huán)境進(jìn)行育苗環(huán)境智能調(diào)控。通過LED配色調(diào)整，采用紅 ∶藍(lán)=3 ∶1配比混合光源對辣椒幼苗進(jìn)行照射，來進(jìn)行辣椒幼苗的生長特性分析，得到不同光照度和不同光照時間下辣椒幼苗生長的各項(xiàng)指標(biāo)，分析結(jié)果如下。

4.1 不同光照度下辣椒幼苗生長特性分析

通過改變光照度，使光照度分別達(dá)100、160、220、280 μmol/(m2·s)。每天的光照時間為08：00—22：00，持續(xù)光照14 h，對辣椒株高、株徑、葉綠素含量和葉面積進(jìn)行測量繪制表格，并進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果繪制成曲線圖(圖5)。隨著光照度的增加，辣椒幼苗經(jīng)歷著長勢由劣到優(yōu)的變化。光照度較低，作物的生長發(fā)育較緩，不利于作物的增產(chǎn)增收；光照度較高，有利于達(dá)到壯苗的作用，但是較前光度值沒有顯著的差異。因此，從經(jīng)濟(jì)以及作物的增產(chǎn)增收考慮，可以將光源的光照度設(shè)置在160～220 μmol/(m2·s)之間。

4.2 不同光照時間下辣椒幼苗生長特性分析

根據(jù)固定光照度下混合LED光及不同光照度對辣椒長勢影響分析結(jié)果，將光照度設(shè)置為160 μmol/(m2·s)，溫度控制在白天27 ℃、夜晚17 ℃，光照時間分別設(shè)置成每天照射12、16、20、24 h。每天12 h的光照時間設(shè)置為08：00—20：00，每天光照16 h的時間設(shè)置為08：00—24：00，每天光照20 h時間設(shè)置為08：00到次日04：00，每天光照24 h為全天候不斷電。辣椒幼苗各項(xiàng)生長特性如圖6所示。隨著每天光照時間的增加，辣椒苗的株高、株徑、葉面積、葉綠素都有不同程度的增加。每天光照20 h處理下的辣椒苗較之于每天光照12 h和16 h的辣椒苗在株高、株徑、葉面積、葉綠素含量方面都有較大的提升，但相比于每天光照24 h處理下的辣椒苗并無顯著變化。因此，從經(jīng)濟(jì)方面以及減少辣椒育苗周期上來看，可以選擇每天光照20 h。

5 結(jié)論

本研究提出一種動態(tài)調(diào)控決策下的辣椒人工育苗系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了辣椒育苗環(huán)境按需、實(shí)時的精準(zhǔn)調(diào)控，滿足植株不同生長階段的生理需求，滿足精準(zhǔn)化調(diào)控要求，并實(shí)現(xiàn)調(diào)光系統(tǒng)下辣椒的育苗特性研究。試驗(yàn)表明，隨著光照度和時間的增加，對辣椒幼苗的整體長勢有促進(jìn)作用，但從經(jīng)濟(jì)節(jié)能、作物增長及縮短辣椒育苗周期來看，光照度設(shè)置在160～220 μmol/(m2·s) 之間，每天光照時間為20 h最佳。

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