溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)的研究

歐志鵬 李延國(guó) 李建軍 趙紅星 孫雪嬌 黃雷 張航 任慧 楊眉 何禹

摘 要：溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件、植物栽培區(qū)域、單棟溫室、植物栽培光照控制器。植物栽培光照控制器包括植物種類確定單元、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元、波長(zhǎng)確定單元、植物移動(dòng)決定單元和一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。為解決了太陽(yáng)光無(wú)法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長(zhǎng)階段所需要的最佳光照條件，研究了一種溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段，提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳吸收波長(zhǎng)的光照，營(yíng)造適宜生長(zhǎng)的光環(huán)境，縮短生長(zhǎng)周期，提高植物產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：溫室;植物;栽培;光照;波長(zhǎng);控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190730015

1 研究領(lǐng)域及背景技術(shù)

本文研究的是溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)，具體地說是根據(jù)植物種類和生長(zhǎng)階段的不同，有效調(diào)控溫室植物栽培的一種光照控制系統(tǒng)，屬于設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

溫室植物光照控制系統(tǒng)可調(diào)控溫室植物內(nèi)部環(huán)境，保證溫室常年生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品而不受外界環(huán)境影響，如玻璃溫室、日光溫室等被廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)。溫室獲取光照多數(shù)是利用自然光透過玻璃或者塑料薄膜進(jìn)入溫室內(nèi)部，營(yíng)造一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，保證植物的正常生長(zhǎng)，進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)。

植物生長(zhǎng)環(huán)境條件包括如光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、二氧化碳濃度等，植物種類不同和不同生長(zhǎng)階段所需要的環(huán)境條件也有所差異。一般情況下，植物的生長(zhǎng)階段可分為發(fā)芽期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、生殖生長(zhǎng)期等，所以可以根據(jù)植物的不同生長(zhǎng)階段，對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行控制，來提高作物的產(chǎn)量。

光照是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素之一，許多試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段，提供不同波長(zhǎng)或波段的光照，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的影響各有差異。由于太陽(yáng)光是不同波長(zhǎng)的光組成的，并不會(huì)根據(jù)植物的種類和生長(zhǎng)階段的變化需要而發(fā)生變化，因此為了促進(jìn)植物生長(zhǎng)，縮短生長(zhǎng)周期，可根據(jù)不同植物或同一植物的不同生長(zhǎng)階段提供最佳波長(zhǎng)或波段的光照。

2 技術(shù)特點(diǎn)

研究開發(fā)的溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)是根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段，提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳波長(zhǎng)，營(yíng)造適宜生長(zhǎng)的光環(huán)境，縮短生長(zhǎng)周期，提高植物產(chǎn)量，解決太陽(yáng)光無(wú)法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長(zhǎng)階段所需要的最佳光照條件，來改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

3 附圖說明

圖1中：1、2、3、4、5和6、可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件;7、8、9、10、11和12、植物栽培區(qū)域;13、單棟溫室;14、植物栽培光照控制器;圖2中15、植物種類確定單元;16、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元;17、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元;18、波長(zhǎng)確定單元;19、植物移動(dòng)決定單元;20、數(shù)據(jù)庫(kù);圖3中21、22、23、24、25和26、射頻識(shí)別標(biāo)簽;圖4中27、連棟溫室。

4 研究?jī)?nèi)容

本研究的目的是為了解決太陽(yáng)光無(wú)法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長(zhǎng)階段所需要的最佳光照條件而開發(fā)的一種溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)。該光照控制系統(tǒng)能夠根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段，提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳波長(zhǎng)，營(yíng)造適宜生長(zhǎng)的光環(huán)境，縮短生長(zhǎng)周期，提高植物產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

下面結(jié)合附圖對(duì)所研究的技術(shù)方案說明如下。

溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件與植物栽培區(qū)域及植物栽培光照控制器?？蓮澢奶?yáng)能光伏電池組件安裝在單棟溫室的棚頂表面與植物栽培區(qū)域相對(duì)應(yīng)，每個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件都包含一個(gè)染色敏化太陽(yáng)能光伏電池，且擁有不同的顏色。植物栽培區(qū)域都對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻識(shí)別標(biāo)簽，射頻識(shí)別標(biāo)簽用于植物種類信息以及相對(duì)應(yīng)的植物栽培區(qū)域信息。植物栽培光照控制器由植物種類確定單元、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元、波長(zhǎng)確定單元、植物移動(dòng)決定單元和一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。

植物種類確定單元用于確定植物的種類，生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元用于收集當(dāng)前植物的生長(zhǎng)狀態(tài)信息，生長(zhǎng)區(qū)域確定單元用于確定植物栽培區(qū)域的最佳吸收波長(zhǎng)。波長(zhǎng)確定單元用于確定植物的種類和當(dāng)前生長(zhǎng)階段需要的最佳吸收波長(zhǎng)。植物移動(dòng)決定單元用于決定某一植物栽培區(qū)域內(nèi)的植物是否移動(dòng)。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)植物的種類和植物栽培區(qū)域及根據(jù)植物生長(zhǎng)階段的最佳吸收波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息。

本發(fā)明的有益效果為：該光照控制系統(tǒng)能根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段，提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳吸收波長(zhǎng)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，縮短生長(zhǎng)周期，提高作物產(chǎn)量。

5 具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)所研究的溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)的控制方法及實(shí)施方式作詳細(xì)敘述。

一般來說，植物有一種感光色素可以根據(jù)入射光的波長(zhǎng)來調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)階段。植物生長(zhǎng)階段所涉及的感光色素包括：葉綠素、類胡蘿卜素、花青素、植物色素等等。一個(gè)感光色素的最佳吸收波長(zhǎng)葉綠素A是430nm和662～664nm，葉綠素B是453～460nm和642～647nm，類胡蘿卜素的最佳吸收波長(zhǎng)為430～500nm和640～660nm。在光敏色素情況下，藍(lán)色最佳吸收波長(zhǎng)是650～670nm，綠色最佳吸收波長(zhǎng)是705～740nm，花青素的最佳吸收波長(zhǎng)是530～540nm。因此，植物最佳吸收波長(zhǎng)是隨著生長(zhǎng)階段的不同而變化的。

此外，根據(jù)栽培的植物種類不同也有不同的生長(zhǎng)變化模式。以萵苣為例，是在種子發(fā)芽后才需要營(yíng)養(yǎng)來促進(jìn)生長(zhǎng)，原因是當(dāng)萵苣進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段（開花結(jié)實(shí)期）時(shí)，萵苣就失去商品價(jià)值了。然而，紅葉萵苣在進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段時(shí)，則需要在紫外線的照射下才能使花青素顯現(xiàn)。與此相反，水果類蔬菜在進(jìn)行一段時(shí)間的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后，才進(jìn)行生殖生長(zhǎng)。另外，水果類蔬菜在進(jìn)入市場(chǎng)前，需要用紫外線對(duì)該區(qū)域進(jìn)行足夠的照射，才能使水果的顏色呈現(xiàn)的更加鮮艷。

如上所述，對(duì)植物所需的最佳吸收波長(zhǎng)是隨著栽培植物的種類和植物的生長(zhǎng)階段的不同而變化的。

參閱附圖1，溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了一個(gè)單棟溫室13、可彎曲的太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6和植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12及一個(gè)植物栽培光照控制器14。

可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6安裝在單棟溫室13的棚頂表面上，與單棟溫室13中的植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12相對(duì)應(yīng)。每個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6能傳輸一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，則相對(duì)應(yīng)的植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12內(nèi)種植的植物可以吸收傳輸過來一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光。

每個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6都包含一個(gè)染色敏化太陽(yáng)能光伏電池，且擁有不同的顏色。染色敏化太陽(yáng)能光伏電池包括一個(gè)涂覆在透明基板上的太陽(yáng)能透光性電極、一個(gè)催化計(jì)數(shù)器電極、一個(gè)涂覆在透光性電極和反電極之間填充的一種氧化/還原劑。透明基板能反射太陽(yáng)光中紫外線或紫外線相類似的短波，未被反射的太陽(yáng)光一部分透過太陽(yáng)能電池進(jìn)入單棟溫室13，另一部分太陽(yáng)光則被太陽(yáng)能光伏電池吸收產(chǎn)生電能，作為溫室運(yùn)行的輔助能源。進(jìn)入單棟溫室13植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12的太陽(yáng)光波長(zhǎng)取決于使用染色太陽(yáng)能光伏電池的顏色，因此不同顏色的太陽(yáng)能光伏電池能為不同栽培區(qū)域提供不同波長(zhǎng)的光照。

植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12種植不同植物時(shí)，植物生長(zhǎng)周期所需要的波長(zhǎng)由可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6提供最佳吸收波長(zhǎng)的光照。同理，同種植物在不同的植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12內(nèi)種植時(shí)，多個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6可以提供植物不同生長(zhǎng)階段的最佳吸收波長(zhǎng)的光照。

參閱附圖2，植物栽培光照控制器14包括植物種類確定單元15、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元16、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元17、波長(zhǎng)確定單元18、植物移動(dòng)決定單元19及數(shù)據(jù)庫(kù)20。其主要作用是根據(jù)溫室13中植物的種類和植物的生長(zhǎng)階段，來確定某一栽培區(qū)是否要移動(dòng)合適生長(zhǎng)區(qū)域，接受最佳光照波長(zhǎng)。

植物種類確定單元15可以從用戶種植的植物種類中獲得信息來確定植物的種類，并將有關(guān)植物種類的信息傳送到波長(zhǎng)確定單元18。

植物生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元16包括一個(gè)傳感器，用于感測(cè)植物葉子的數(shù)量、大小等，確定各植物栽培區(qū)域的植物生長(zhǎng)狀況的信息，確定每株植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，并將這些信息傳遞給波長(zhǎng)確定單元18。

植物生長(zhǎng)區(qū)域確定單元17把根據(jù)植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12中獲得的信息傳遞到波長(zhǎng)確定單元18，用于確定植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12的最佳吸收波長(zhǎng)。

植物波長(zhǎng)確定單元18根據(jù)溫室栽培植物種類信息、植物栽培區(qū)域信息以及收集植物生長(zhǎng)狀態(tài)信息確定植物需要的最佳吸收波長(zhǎng)，最后又植物移動(dòng)決定單元19確定是否對(duì)植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12內(nèi)的植物進(jìn)行移動(dòng)。

植物移動(dòng)決定單元19用于比較植物最佳吸收波長(zhǎng)和當(dāng)前植物栽培區(qū)域的波長(zhǎng)，然后確定是否對(duì)植物進(jìn)行移動(dòng)。如果區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的植物的波長(zhǎng)與波長(zhǎng)確定單元18確定的最佳吸收波長(zhǎng)不相同的時(shí)候，植物移動(dòng)決定單元19決定移動(dòng)植物到波長(zhǎng)確定單元18確定的最佳吸收波長(zhǎng)的區(qū)域。反之，如果提供給當(dāng)前植物栽培區(qū)域的波長(zhǎng)在波長(zhǎng)確定單元18確定的最大或者最小吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)，植物移動(dòng)決定單元19決定不移動(dòng)相應(yīng)植物。

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)20，用于存儲(chǔ)植物的種類、植物栽培區(qū)域和根據(jù)植物生長(zhǎng)階段的最佳吸收波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息，為波長(zhǎng)確定單元18提供確定植物最佳吸收波長(zhǎng)。

參閱附圖3，射頻識(shí)別標(biāo)簽21、22、23、24、25和26附著在各個(gè)區(qū)域多個(gè)植物上，能儲(chǔ)存植物種類信息以及相應(yīng)植物栽培區(qū)域生長(zhǎng)狀態(tài)信息，并把這些信息傳遞到波長(zhǎng)確定單元18。在這種情況下，植物生長(zhǎng)區(qū)域確定單元17可以根據(jù)射頻識(shí)別標(biāo)簽21、22、23、24、25和26傳遞的信息識(shí)別確定植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12。

根據(jù)以上研究的實(shí)施例所闡述的內(nèi)容，單棟溫室13被劃分為多個(gè)植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12，對(duì)應(yīng)多個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6。每個(gè)不同的植物栽培區(qū)域?qū)?yīng)傳輸不同的波長(zhǎng)的光照，并且以不同的方式體現(xiàn)。

參見附圖4，是連棟溫室安裝多個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件的實(shí)施例。多個(gè)的溫室可以作為一個(gè)整體來使用，傳送不同波長(zhǎng)的可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6可以分別安裝在連棟溫室27棚頂表面上。當(dāng)傳輸不同波長(zhǎng)的可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件1、2、3、4、5和6相應(yīng)地安裝在連棟溫室27棚頂表面上時(shí)，植物栽培光照控制器14根據(jù)植物的種類和生長(zhǎng)階段需要決定是否移動(dòng)每個(gè)溫室中植物以獲得最佳吸收波長(zhǎng)。

以上實(shí)施例不僅需要通過上述的方法和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，還需要通過程序控制來實(shí)現(xiàn)控制功能。

6 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件、植物栽培區(qū)域、單棟溫室和植物栽培光照控制器，植物栽培光照控制器包括植物種類確定單元、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元、波長(zhǎng)確定單元、植物移動(dòng)決定單元和數(shù)據(jù)庫(kù);每一個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件擁有一個(gè)染色敏化太陽(yáng)能光伏電池，且擁有不同的顏色;植物種類確定單元用于確定植物的種類;生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元用于收集當(dāng)前植物的生長(zhǎng)狀態(tài)信息;生長(zhǎng)區(qū)域確定單元用于確定植物栽培區(qū)域的最佳吸收波長(zhǎng);波長(zhǎng)確定單元用于確定植物的種類和當(dāng)前生長(zhǎng)階段需要的最佳吸收波長(zhǎng)。

植物移動(dòng)決定單元用于決定某一區(qū)域內(nèi)的植物是否移動(dòng)。

數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)植物的種類、植物栽培區(qū)域和根據(jù)植物生長(zhǎng)階段的最佳吸收波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息。

7 結(jié)論

溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)，其架構(gòu)形式能夠靈活多變，可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換并派生系列產(chǎn)品，其有益效果是該光照控制系統(tǒng)能夠根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段，提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳吸收波長(zhǎng)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，縮短生長(zhǎng)周期，提高作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。