溫室大棚L(fēng)ED智能補(bǔ)光自適應(yīng)控制系統(tǒng)

李 明， 劉 娟， 凌廣明

(1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南鄭州 450046； 2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河南鄭州 450046；3.武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430072)

我國北方冬季受日照時(shí)間短、霧霾和陰雪天氣等影響，容易使溫室內(nèi)的作物長期處于弱光環(huán)境，從而影響正常的光合作用，主要表現(xiàn)為作物生長速度緩慢、植株同化作用下降、減產(chǎn)甚至死亡，這時(shí)候有必要對其進(jìn)行人工補(bǔ)光。適宜作物生長的光照條件主要受光質(zhì)、強(qiáng)度和照射時(shí)長等因素影響[1-2]。牛萍娟等研究結(jié)果，作物進(jìn)行光合作用所需要的光譜范圍是380～760 nm，并主要集中在紅光與藍(lán)光兩部分，其中，紅光的波長范圍為600～700 nm，而藍(lán)光的波長為400～500 nm[3]。不同光質(zhì)的光對作物生長起到不同的作用，其中，藍(lán)光可以促進(jìn)葉的生長，也會促進(jìn)淀粉、糖類和氨基酸的合成，而紅光則催化莖的生長，并使在光合作用中產(chǎn)生的淀粉、糖類和氨基酸在其體內(nèi)保持均勻分布。光照不足會引起作物生長緩慢或者停滯，但過量的光照也會適得其反，容易產(chǎn)生病蟲害，使植株變黃和變矮。目前，溫室補(bǔ)光主要通過熒光燈和高壓鈉燈的方式，但由于其光譜范圍較窄，與作物需要的光質(zhì)有偏差，效果并不是特別理想[4]。也有采用白熾燈和日光燈的方式補(bǔ)光的，雖然能起到一定的作用，但效能很低，需要消耗大量的電能，投入成本較大。

近年來，隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，也逐漸被人們應(yīng)用在溫室作物補(bǔ)光中[5]?，F(xiàn)階段市場上大部分LED補(bǔ)光產(chǎn)品大多采用定光質(zhì)、定光強(qiáng)和定時(shí)的方式，雖然成本較低，但這種產(chǎn)品不能滿足按需補(bǔ)光的要求，補(bǔ)光過多不僅耗費(fèi)電能，還不利于作物的生長，補(bǔ)光少則容易引起弱光脅迫[6]。同時(shí)，考慮到不同作物對光照條件的需求有所差異，甚至在同種作物不同生長階段的差異性，為了實(shí)現(xiàn)對作物的自適應(yīng)精準(zhǔn)智能補(bǔ)光，本研究利用無線通信、傳感器、自動控制和太陽能等技術(shù)設(shè)計(jì)了溫室光照智能控制系統(tǒng)，利用LED不同的發(fā)光光譜特性，結(jié)合溫室內(nèi)的溫度和光照的變化情況，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)光照強(qiáng)度的自適應(yīng)調(diào)整。

1 補(bǔ)光策略與總體設(shè)計(jì)

1.1 補(bǔ)光策略與分區(qū)管理

溫度影響著光合作用酶的活性，所以作物在進(jìn)行正常的光合作用時(shí)，不僅需要適宜的光照，還需要適宜的溫度。一般當(dāng)溫度低于10 ℃或者高于35 ℃時(shí)，光合作用基本停止，所以在進(jìn)行補(bǔ)光策略時(shí)，還需要考慮溫度的因素，才能起到最佳的效果[7]。在夜間由于光照消失，溫度降低，作物主要進(jìn)行呼吸作用，如沒有專業(yè)的且經(jīng)濟(jì)的增溫設(shè)備，不宜在夜間進(jìn)行補(bǔ)光，常用的方法是在早晚進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)光，即當(dāng)早晨溫度達(dá)到光合作用的要求時(shí)，且陽光不充足的情況下，或者夜幕降臨時(shí)，但溫室內(nèi)的余溫還能滿足進(jìn)行光合作用的要求。另外，還要控制作物吸收光強(qiáng)的因素，需要將溫室大棚內(nèi)作物處的光照強(qiáng)度(自然光照和補(bǔ)光的疊加)保持在合適的范圍。當(dāng)遇到陰雨天氣時(shí)，需要全天補(bǔ)光；當(dāng)中午光照過強(qiáng)時(shí)，要完全停止補(bǔ)光。

結(jié)合上述的分析情況，設(shè)計(jì)了溫室光照智能控制系統(tǒng)，考慮到溫室大棚的結(jié)構(gòu)、朝向和遮擋等問題，將溫室大棚采取分區(qū)管理模式，根據(jù)每個(gè)區(qū)域的環(huán)境情況，進(jìn)行不同的補(bǔ)光策略，使補(bǔ)光措施更加精準(zhǔn)。為了補(bǔ)光的效果更均勻，本方案采用了冠層補(bǔ)光方式，并控制LED與作物的高度H保持在 50～70 cm 的范圍，分區(qū)的跨度為L，一般范圍在4～6 m，使補(bǔ)光更加充分。溫室大棚分區(qū)補(bǔ)光見圖1。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的使用范圍，設(shè)計(jì)的溫室大棚光照智能控制系統(tǒng)，可借助農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)配置不同的參數(shù)，來適應(yīng)于不同作物不同階段的補(bǔ)光要求。系統(tǒng)采用分級架構(gòu)設(shè)計(jì)， 主要由補(bǔ)光區(qū)控制節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器、農(nóng)戶智能手機(jī)及傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，記錄著當(dāng)前溫室內(nèi)作物的生長和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其中的農(nóng)業(yè)專家?guī)炖锉４媪硕喾N作物在不同生長周期中最佳的光質(zhì)和光強(qiáng)[ql，qh]等信息。補(bǔ)光區(qū)節(jié)點(diǎn)利用傳感器采集本區(qū)域內(nèi)的溫度t0和光照強(qiáng)度q0信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，并根據(jù)當(dāng)前作物的生長期，返回最佳的光照強(qiáng)度信息。同時(shí)，判斷溫度是否處在作物能夠進(jìn)行光合作用的范圍[tl，th]，如果qlqh或者t0th時(shí)，此時(shí)調(diào)整PWM的占空比為0，停止進(jìn)行補(bǔ)光。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器給互聯(lián)網(wǎng)提供了可訪問的端口，農(nóng)戶通過智能手機(jī)登陸進(jìn)入系統(tǒng)，查看棚內(nèi)光照強(qiáng)度、溫度和補(bǔ)光設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。當(dāng)棚內(nèi)溫度過高過低或者光照過強(qiáng)，也會自動向農(nóng)戶手機(jī)推送信息，便于農(nóng)戶及時(shí)處理。

2 補(bǔ)光區(qū)控制節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

補(bǔ)光區(qū)控制節(jié)點(diǎn)采用嵌入式處理器LPC2129作為核心，通過光感傳感器ISL29020采集作物冠層的紅/藍(lán)光強(qiáng)，并根據(jù)溫度傳感器DS18B20獲取周圍溫度，利用PWM對LED驅(qū)動芯片PT4115進(jìn)行控制，從而使不同配比的紅/藍(lán)LED燈組發(fā)光，使棚內(nèi)的作物在適宜的溫度條件和光照條件下進(jìn)行光合作用。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和電量等信息，會通過無線通信模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。硬件結(jié)構(gòu)見圖3。當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也在追求綠色經(jīng)濟(jì)，為此本方案對整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)采用了太陽能供電。太陽能電池板在白天吸收光能，并存儲在蓄電池中，再通過電源管理單元進(jìn)行處理輸出不同穩(wěn)定的電壓源，這樣不僅節(jié)約了大量的電能，還減少了對環(huán)境的污染。

2.1 光強(qiáng)檢測

光強(qiáng)傳感器ISL29020是Intersil推出的高精度、高靈敏度、低功耗的光數(shù)字傳感器，高集成度的設(shè)計(jì)降低了模擬調(diào)理電路的設(shè)計(jì)周期，可實(shí)現(xiàn)較寬的測量范圍0.015～64 000 lx，且最大工作電流僅為65 mA，通過I2C接口與控制器進(jìn)行通信[8]。由于ISL29020檢測光強(qiáng)是外界自然光全波段的，為了能夠獨(dú)立測量紅光和藍(lán)光的光強(qiáng)，需要進(jìn)行特殊的處理。針對紅光檢測，首先使外界的光線依次透射過波長大于600 nm和小于700 nm的濾光片，同樣，對于藍(lán)光檢測，則使外界的光線依次透射過波長大于400 nm和小于500 nm的濾光片，然后再分別照射到光強(qiáng)傳感器ISL29020上，控制器通過I2C直接讀取傳感器上的光強(qiáng)數(shù)值，由于選取的是透光率為90%的濾光片，計(jì)算外界紅/藍(lán)光強(qiáng)時(shí)需要進(jìn)行修正，即除以0.9。

2.2 光照調(diào)節(jié)及控制

LED具有光譜特性明顯、電光轉(zhuǎn)化效率高、易調(diào)光、工作電壓低、發(fā)光均勻穩(wěn)定和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)光波長主要取決于制造發(fā)光二極管所用的半導(dǎo)體材料。本方案中紅藍(lán)光源均選取Philips生產(chǎn)的LuxeonRebel高亮LED，其額定功率為 3 W，額定電流700 mA，發(fā)光效率30 lm/W，且光照強(qiáng)度跟通過電流具有良好的線性關(guān)系。為了便于獨(dú)立調(diào)節(jié)紅藍(lán)光強(qiáng)，采用了分組設(shè)計(jì)，再將每組LED組成陣列，每組包括10只串聯(lián)的紅/藍(lán)光LED，并通過芯片PT4115進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動。PT4115屬于降壓恒流源芯片，電壓的工作范圍是6～30 V，可輸出1.2 A的穩(wěn)定電流[9]，并通過DIM接口調(diào)節(jié)輸出電流的大小，即光強(qiáng)的大小。借助嵌入式控制器LPC2129的PWM接口，可編程輸出給DIM接口不同占空比的信號，從而實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)的調(diào)節(jié)[10]。初始狀態(tài)通過調(diào)節(jié)外接電阻來完成，當(dāng)占空比為100%時(shí)，保證輸出給LED的額定工作電流為700 mA。

3 數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器

數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器是連接溫室大棚內(nèi)補(bǔ)光區(qū)節(jié)點(diǎn)與農(nóng)戶之間的橋梁，主要由ZigBee通信板卡配置、溫室分區(qū)管理規(guī)劃、補(bǔ)光策略、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫SQL2012、訪問權(quán)限管理及太陽能電量管理模塊等組成[11]。數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器結(jié)構(gòu)見圖4。

數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器上安裝了ZigBee通信的PCI板卡，可實(shí)現(xiàn)與各補(bǔ)光分區(qū)節(jié)點(diǎn)的通信。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中記錄著不同作物在不同階段對溫度、濕度、光照和礦物質(zhì)等的需求信息，通過收集各補(bǔ)光區(qū)的光照和溫度等信息，結(jié)合農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)和補(bǔ)光策略來實(shí)時(shí)控制分區(qū)節(jié)點(diǎn)紅/藍(lán)光的光照強(qiáng)度，即便是遇到多日的陰天，沒有太陽光照射，也不會影響棚內(nèi)作物的正常生長。太陽能電池板是該系統(tǒng)的重要組成部分，在白天光照強(qiáng)的時(shí)候儲存電能，在需要用電時(shí)為溫室內(nèi)所有的補(bǔ)光設(shè)備提供了電能，其工作狀態(tài)和電量等信息被存儲在數(shù)據(jù)庫SQL2012中，在不消耗額外電能的情況下實(shí)現(xiàn)了溫室補(bǔ)光，既能做到綠色無污染生態(tài)，還能做到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、增產(chǎn)增收的效果。同時(shí)，數(shù)據(jù)集中管理服務(wù)器具有規(guī)定的IP地址，為互聯(lián)網(wǎng)提供了訪問接口，每個(gè)農(nóng)戶對自己所管理的溫室大棚都有相應(yīng)的管理權(quán)限，可以通過智能手機(jī)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程登錄該平臺，查看溫室內(nèi)的光照、溫度和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息[12-13]。

4 結(jié)果與分析

番茄屬于喜光喜溫作物，適宜在10～35 ℃的環(huán)境中生長發(fā)育，對環(huán)境要求嚴(yán)格[14-16]。光照對番茄在不同階段的生長至關(guān)重要，直接影響著其花芽分化、著花位置、坐果數(shù)量、果實(shí)大小和品質(zhì)等，每天能保證16 h的光照為最佳。在我國北方冬季日照普遍較短，有必要增加補(bǔ)光設(shè)備，本試驗(yàn)通過采取不同的補(bǔ)光方式進(jìn)行對比來說明本方法的有效性，并從番茄產(chǎn)量和補(bǔ)光設(shè)施的耗能兩個(gè)方面進(jìn)行了比較。

4.1 不同補(bǔ)光方式產(chǎn)量比較

為了保證試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)，需要保證其他生長條件均一致，故在同一個(gè)溫室大棚里選擇了3塊面積相等的分區(qū)，番茄植株數(shù)量和密度相等，定植2.5株/m2，分區(qū)大小5 m×4 m，共計(jì)50株。施肥和澆水等同時(shí)同量進(jìn)行，不同的是光照方式。3種光照方式分別為白熾燈、固定光強(qiáng)LED、本研究的智能LED補(bǔ)光。鄔奇等對LED光源進(jìn)行了深入研究，紅/藍(lán)組合光強(qiáng)比在2 ∶1，紅光閾值預(yù)設(shè)為2 000 lx，藍(lán)光閾值預(yù)設(shè)為 1 000 lx，最有利于番茄幼苗的生長發(fā)育[17]。在果實(shí)采收期記錄成熟果實(shí)的產(chǎn)量情況，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同光照方式下番茄平均每株產(chǎn)量情況

從表1可以看出，在這幾種補(bǔ)光方式中，采用本研究設(shè)計(jì)的智能LED補(bǔ)光系統(tǒng)優(yōu)勢突出，果實(shí)飽滿圓潤，產(chǎn)量明顯增加，主要是由于在白晝早晚均延長了補(bǔ)光時(shí)間，且補(bǔ)光適度，延長了番茄進(jìn)行光合作用的時(shí)間，單株掛果數(shù)量明顯增多，比固定光強(qiáng)LED補(bǔ)光方式提高了4.17%，比未補(bǔ)光的提高了19.05%；平均單果質(zhì)量增加，比固定光強(qiáng)LED提高了 6.30%，比未補(bǔ)光的提高了16.32%；平均單株產(chǎn)量比固定光強(qiáng)LED、未補(bǔ)光的分別提高了10.73%、38.47%。

4.2 能耗對比試驗(yàn)

從成本的角度考慮，除了對產(chǎn)量進(jìn)行比較外，對這幾種補(bǔ)光方式的能耗也進(jìn)行了比較，以白熾燈為基準(zhǔn)，每天固定補(bǔ)光13 h(07：00—20：00)，固定光強(qiáng)LED每天也開啟13 h，為了避免采用LED固定補(bǔ)光在中午對番茄補(bǔ)光過量，造成對作物的傷害無法進(jìn)行比較試驗(yàn)，當(dāng)紅藍(lán)光均充足時(shí)采取暫停補(bǔ)光，時(shí)間段為11：00—16：00，夜間溫度降低，不適宜進(jìn)行光合作用，也停止光照，不同補(bǔ)光方式的功耗及輸出光強(qiáng)見表2。

從表2可以看出，通過對外界自然光中紅藍(lán)光光強(qiáng)檢測可知，紅光在11：00—16：00是充足的，藍(lán)光在10：00—16：00是充足的，均超出了補(bǔ)光閾值，故在2個(gè)疊加的時(shí)間段 11：00—16：00，智能補(bǔ)光自動停止工作。當(dāng)溫室環(huán)境溫度介于15～30 ℃時(shí)，最適宜光合作用進(jìn)行碳水化合物積累，此時(shí)應(yīng)該保證紅藍(lán)光光強(qiáng)比為2 ∶1，光照強(qiáng)度分別為2 000 lx和 1 000 lx。但固定LED補(bǔ)光無法自動調(diào)節(jié)，不僅造成能耗的浪費(fèi)，而且還會抑制作物的生長。固定補(bǔ)光所消耗的電量為 0.992 kW·h，而智能LED補(bǔ)光系統(tǒng)則消耗了0.610 kW·h，能耗降低了38.5%，且沒有造成過量補(bǔ)光。

表2 不同補(bǔ)光方式的功耗及輸出光強(qiáng)比較

5 結(jié)語

借助LED的發(fā)光特性，利用作物在不同溫度條件下進(jìn)行光合作用的差異，設(shè)計(jì)了溫室大棚智能補(bǔ)光系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集作物冠層光照強(qiáng)度，根據(jù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的指導(dǎo)通過PWM輸出不同的占空比，實(shí)現(xiàn)對LED燈組的光強(qiáng)自適應(yīng)控制。經(jīng)過對溫室大棚內(nèi)的番茄采取不同的補(bǔ)光方式進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用本研究設(shè)計(jì)的智能補(bǔ)光系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了按需精準(zhǔn)補(bǔ)光，有效克服了由于溫室大棚所處的緯度、結(jié)構(gòu)、朝向和天氣等原因造成的采光不足的缺陷，使溫室大棚內(nèi)作物的生長不受天氣影響，延長了作物進(jìn)行光合作用的時(shí)長，從而使產(chǎn)量大幅提升，而消耗的電量則明顯減少，且電能均取自太陽能，不會對環(huán)境造成污染，系統(tǒng)還可與農(nóng)戶的智能手機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理溫室大棚，契合了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

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