無(wú)線補(bǔ)光果蔬大棚的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

計(jì)聯(lián)岳鄭敏華

作者信息：1余姚市陸埠鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦公室,315420,浙江余姚;2浙江萬(wàn)里學(xué)院，315100，浙江寧波

1 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們對(duì)新鮮蔬菜瓜果的需求量越來(lái)越大，果蔬生產(chǎn)者對(duì)果蔬大棚的產(chǎn)出要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)在電光源技術(shù)不斷發(fā)展和革新，各種人造光源越來(lái)越多地被用于植物的種植和栽培領(lǐng)域，它的應(yīng)用具有生產(chǎn)周期短、適于棚室栽培及經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，在世界小漿果生產(chǎn)中居于首位。受市場(chǎng)需求的推動(dòng)，生產(chǎn)主栽果蔬農(nóng)產(chǎn)品品種普遍采用棚室。但由于受溫室結(jié)構(gòu)、卷放簾時(shí)間、棚膜上的塵土露水等的影響，溫室內(nèi)一般光照不足，冬春季節(jié)因受陰、雨、雪、霧等天氣的影響，設(shè)施內(nèi)部光照不足和光質(zhì)組成不平衡現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。與日美等先進(jìn)國(guó)家相比，單位面積產(chǎn)量比較低、畸形果發(fā)生率較高、病蟲害嚴(yán)重、生產(chǎn)管理技術(shù)相對(duì)落后等問(wèn)題日益突出。為此急需補(bǔ)光設(shè)備給溫室補(bǔ)光，利用科學(xué)的果蔬補(bǔ)光方法，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)，達(dá)到增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、抗病和無(wú)公害的目的。通過(guò)補(bǔ)光可以促進(jìn)農(nóng)作物光合作用，調(diào)節(jié)農(nóng)作物的開(kāi)花與結(jié)果，控制株高和營(yíng)養(yǎng)成分，加速農(nóng)作物生長(zhǎng)，提高免疫和抗病害能力，延長(zhǎng)有效產(chǎn)收期，從而提高果蔬的品質(zhì)與產(chǎn)量。結(jié)合不同地區(qū)的生態(tài)條件，將不同的人造光源應(yīng)用于植物生長(zhǎng)照明，主要有如下優(yōu)勢(shì)：①可以提供植物生長(zhǎng)所有階段所需要的光照；②在冬季，可以彌補(bǔ)太陽(yáng)光照的不足，而使植物生長(zhǎng)不受季節(jié)的影響；③促進(jìn)植物光合作用，加速植物生長(zhǎng)，進(jìn)而縮短生長(zhǎng)周期。

如何科學(xué)地給棚室蔬菜、瓜果補(bǔ)光成了各國(guó)科技工作者的熱點(diǎn)研究問(wèn)題，各種人造光源補(bǔ)光已成為國(guó)內(nèi)外棚室栽培的重要技術(shù)措施。一種全天候的應(yīng)用補(bǔ)光技術(shù)的果蔬大棚，采用集中式無(wú)線遠(yuǎn)距離控制方式，能實(shí)現(xiàn)多種控制功能，使大棚果蔬達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、豐收的目的，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 大棚的基本結(jié)構(gòu)

果蔬大棚建設(shè)已經(jīng)火了很多年，農(nóng)民收入也越來(lái)越高，建大棚的熱情也越來(lái)越高。補(bǔ)光果蔬大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以國(guó)家頒布的相關(guān)通用標(biāo)準(zhǔn) （如GB 50009-2001）為依據(jù),同時(shí)作為農(nóng)用大棚，其設(shè)計(jì)也要注意遵循農(nóng)業(yè)部的部頒標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如JB/T 10286-2001(日光溫室結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn))，在標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下才能建成符合標(biāo)準(zhǔn)的果蔬大棚。為了節(jié)省成本，補(bǔ)光果蔬大棚可以在現(xiàn)有大棚的基礎(chǔ)上應(yīng)用補(bǔ)光技術(shù)改進(jìn)而成。為了達(dá)到照度要求，標(biāo)準(zhǔn)大棚補(bǔ)光燈具采用雙排安裝，每盞燈具間距5 m，相鄰燈具采用間隔交叉排列，橫向間距和離地高度根據(jù)燈的功率確定，但要保證作物受光強(qiáng)度達(dá)到一定要求，如圖1所示。

圖1 大棚結(jié)構(gòu)及補(bǔ)光燈安裝

3 補(bǔ)光光譜的特點(diǎn)和選型

電光源種類繁多，如何挑選適合果蔬大棚的光源顯得十分重要。如圖2所示為人眼和植物對(duì)各種光譜成分的敏感程度：人眼的峰值敏感波長(zhǎng)約為550 nm，即黃綠光區(qū)域；而植物對(duì)紅光和藍(lán)光更敏感，其峰值波長(zhǎng)在630 nm附近。這說(shuō)明紅光可以為植物生長(zhǎng)提供最有效的營(yíng)養(yǎng)素，藍(lán)光次之，而黃綠光則基本沒(méi)有貢獻(xiàn)。在植物生長(zhǎng)期內(nèi)，在光照射下，植物體內(nèi)進(jìn)行光合作用的葉綠素吸收大部分紅光和藍(lán)光，而反射大部分黃綠色區(qū)域的光，所以多數(shù)植物呈現(xiàn)出綠色的顏色。

圖2 植物和人眼對(duì)光的敏感程度與波長(zhǎng)的關(guān)系

為了促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，必須使農(nóng)作物能均衡地吸收到足夠的紅光和藍(lán)光，保證光合作用的效率。而不同植物所需的紅藍(lán)光比例及光照周期存在一定差異，不同地區(qū)不同植物對(duì)光色的需求又有不同。目前國(guó)內(nèi)的鈉燈是針對(duì)人眼敏感波長(zhǎng)設(shè)計(jì)制造的，常適用于對(duì)顯色性要求不高的場(chǎng)合，如道路、停車場(chǎng)照明。因此，果蔬大棚補(bǔ)光需重新選用專門針對(duì)農(nóng)作物特點(diǎn)的具有足夠的紅光和藍(lán)光、保證光合作用的高效率燈具，本次實(shí)驗(yàn)燈具選用了寧波亞茂光電有限公司專門設(shè)計(jì)的75 W植物鈉燈和LED燈。

4 無(wú)線控制系統(tǒng)

4.1 遠(yuǎn)距離無(wú)線控制技術(shù)

現(xiàn)在無(wú)線控制的距離是個(gè)難點(diǎn) ，做到高可靠性則更難，常見(jiàn)低頻效率較低，2.4 GHz高頻則直線傳輸，受障礙物影響十分明顯。綜合考慮，本系統(tǒng)采用433 MHz頻段進(jìn)行控制，結(jié)合軟硬件糾錯(cuò)措施，達(dá)到需要的性能指標(biāo)。整個(gè)無(wú)線控制系統(tǒng)由主機(jī)和從機(jī)組成，其電路構(gòu)成分別如圖3、4所示。為了達(dá)到遠(yuǎn)距離、高可靠控制，優(yōu)先選用低功耗無(wú)線收發(fā)模塊完成信號(hào)的發(fā)射和接收。通信方式采用全雙工方式，工作頻率433 MHz，發(fā)射功率小于100 mW。

圖3 主機(jī)電路方框圖

圖4 從機(jī)電路方框圖

無(wú)線發(fā)射模塊接口電路、CPU和模塊的通信方式采用 SPI接口，CPU端口通過(guò)控制 CTRL1和CTRL2來(lái)選擇發(fā)送或者接收，然后通過(guò)SPI總線讀寫接收到的數(shù)據(jù)和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

4.2 抗干擾設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)可靠工作，采取以下措施：每個(gè)分機(jī)有獨(dú)有的識(shí)別碼，防止干擾，如圖5所示；安裝時(shí)采用架高接收系統(tǒng)方式防止大棚對(duì)系統(tǒng)的干擾；采用低功耗遠(yuǎn)距離收發(fā)無(wú)線模塊；采用糾錯(cuò)方式防止掉包。

主機(jī)和從機(jī)通過(guò)433 MHz來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，具體所使用的抗干擾通信方式的發(fā)送接收數(shù)據(jù)包格式如圖6所示，xor是用于校驗(yàn)一幀數(shù)據(jù)是否正確。

圖6 發(fā)送接收數(shù)據(jù)包格式

5 總結(jié)

經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)驗(yàn)，利用科學(xué)的果蔬補(bǔ)光方法，可以極大提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)，達(dá)到增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、抗病和無(wú)公害的目的。通過(guò)補(bǔ)光可以促進(jìn)農(nóng)作物光合作用，調(diào)節(jié)農(nóng)作物的開(kāi)花與結(jié)果，控制株高和營(yíng)養(yǎng)成分，加速農(nóng)作物生長(zhǎng)，提高免疫和抗病害能力，延長(zhǎng)有效產(chǎn)收期，從而提高果蔬的品質(zhì)與產(chǎn)量。

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