基于光質(zhì)配比的智能植物補(bǔ)光試驗(yàn)研究

李鑫 劉健 張博 蔡喜平

摘要 基于不同光質(zhì)配比對(duì)植物生長(zhǎng)有不同的生理意義，對(duì)LED智能植物補(bǔ)光燈進(jìn)行研究，提出了可以“一燈多用”的光質(zhì)配比補(bǔ)光方法。補(bǔ)光燈以FPGA為控制器，選用RGB-LED燈珠為補(bǔ)光燈源，通過(guò)光強(qiáng)傳感器采集光強(qiáng)值，當(dāng)與預(yù)設(shè)值不符時(shí)，調(diào)用補(bǔ)光配比方案庫(kù)內(nèi)與植物種類對(duì)應(yīng)的補(bǔ)光信號(hào)，通過(guò)三路恒流驅(qū)動(dòng)電路分別控制R、G、B 3個(gè)發(fā)光芯片的PWM占空比，以實(shí)現(xiàn)光譜可調(diào)、光質(zhì)配比可調(diào)的智能補(bǔ)光。通過(guò)紅藍(lán)光2∶1配比光照為生菜種子補(bǔ)光的萌發(fā)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)種子萌發(fā)數(shù)顯著高于對(duì)照組（P<0.05）。此智能補(bǔ)光燈成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)光比例精確，基本可滿足植物對(duì)光的需求，極具實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 LED智能補(bǔ)光;PWM;種子萌發(fā);光質(zhì)配比方案庫(kù)

中圖分類號(hào) S 123? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）20-0220-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.059

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Intelligent Plant Light Supplement Experiment Based on Light Quality Ratio

LI Xin， LIU Jian，ZHANG Bo et al

（School of Physics Science and Technology， Heilongjiang University， Harbin， Heilongjiang 100080）

Abstract Due to different physiological significance of different ratio of light quality on plant growth， LED intelligent light supplement lamp was studied. A light quality ratio light supplement method of “one lamp with multiple functions” was proposed. FPGA was used as the controller of light supplement lamp， RGB-LED lamp bead was used as the supplementary light source to collect the light intensity value through the light intensity sensor. If the light intensity did not match the preset value， we allocated the supplementary light signal corresponding to the plant species in the supplementary light ratio scheme library， and controlled the PWM duty ratios of the three light-emitting chips R， G， and B through the three constant current drive circuits， so as to realize the intelligent fill light with adjustable spectrum and adjustable light quality ratio. Through the germination experiment on lettuce seeds exposed at the light with the intensity ratio of 2∶1 for red to blue， it was found that the germinated number of seed was significantly higher than that of control group （P<0.05）. This intelligent light lamp had the advantages of low cost， simple design and accurate dimming ratio. The light lamp could basically meet the needs of plants for light， and it is extremely useful.

Key words Intelligent LED lighting;PWM;Seed germination;Light quality ratio scheme library

作者簡(jiǎn)介 李鑫（1995—），女，黑龍江雙鴨山人，碩士研究生，研究方向：家居智能相關(guān)方面的技術(shù)研發(fā)。*通信作者，教授，博士，從事光電信息技術(shù)研究。

收稿日期 2021-01-14

室內(nèi)花草不僅可以美化環(huán)境，而且可以凈化空氣。但是，如果養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，花草就可能發(fā)黃、枯萎甚至死亡。部分原因在于人們工作繁忙，無(wú)暇顧及對(duì)花草的養(yǎng)護(hù)，但更重要的原因是人們對(duì)花草的生活習(xí)性缺乏了解，不能提供合適的養(yǎng)護(hù)手段。適合在室內(nèi)種植的花草種類繁多，每一種植物都有自己獨(dú)特的基因庫(kù)，它們的生長(zhǎng)對(duì)土質(zhì)、酸堿度、營(yíng)養(yǎng)成分、光照等要求各不相同。即使人們對(duì)某種植物的生活習(xí)性有足夠的了解，但也可能因?yàn)闆](méi)有足夠的手段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)按需養(yǎng)護(hù)?；谌斯ぶ悄艿闹悄苤参镳B(yǎng)護(hù)技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效途徑，這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的智能養(yǎng)護(hù)，如自動(dòng)補(bǔ)水、智能補(bǔ)光等[1-2]。針對(duì)不同植物對(duì)光照的需求，設(shè)計(jì)了一種智能植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，用于自動(dòng)調(diào)控光譜成分和光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)任意光質(zhì)配比的補(bǔ)光，以促進(jìn)植物的健康成長(zhǎng)。

光對(duì)植物的生長(zhǎng)有著不可替代的作用。太陽(yáng)光光譜范圍為300～2 600 nm，其中對(duì)植物的光合作用有效的光譜范圍為400～700 nm。根據(jù)光譜成分的不同可將光分為不同光質(zhì)。紅光是植物光合作用的主要成分，紅光照射下可以促進(jìn)植物葉綠素、花色素苷的生成[3]。藍(lán)光有利于植物葉的生長(zhǎng)和莖的加粗，提高生長(zhǎng)速率[4-5]。綠光可以深入植物的下冠層，降低葉片枯萎速度，保持植物鮮活[6]。大量研究表明，不僅單光質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)有積極作用，將光質(zhì)按一定比例混合也對(duì)植物生長(zhǎng)有著重要意義。適當(dāng)比例的紅綠藍(lán)光混合可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)并且效果較好[7-14]。比如：光質(zhì)R∶B∶G=8∶1∶1對(duì)黃瓜幼苗的莖粗，葉面積都有積極影響;R∶B=7∶1的混合光照對(duì)蘆薈的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)增長(zhǎng)量的影響最大;R∶B=1∶9的復(fù)合光對(duì)油麥菜的生長(zhǎng)最為有利;R∶B∶G=7∶2∶1可以顯著提高番茄的葉綠素含量和凈光合速率;R∶B=3∶1對(duì)鐵皮石斛組培苗各有效成分的影響最為顯著。然而，并不是所有混合光質(zhì)都會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)有積極作用，比如對(duì)紅橘幼苗的研究中發(fā)現(xiàn)光質(zhì)比例為R∶B=4∶1時(shí)，紅橘幼苗各部分的物質(zhì)含量都明顯降低，其生長(zhǎng)被抑制[15]。由此可見(jiàn)，不同植物的生長(zhǎng)所需最優(yōu)光質(zhì)是不同的，為植物補(bǔ)充適宜的光質(zhì)可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，相反則會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，因此為植物提供最優(yōu)光質(zhì)配比顯得尤為重要。

現(xiàn)有的控制補(bǔ)光燈的光質(zhì)配比的方法是控制點(diǎn)亮的燈珠配比數(shù)量[16]。此種方法具有較大的局限性，只能針對(duì)某一植物應(yīng)用，不具有普遍意義。智能植物補(bǔ)光燈是解決上述問(wèn)題的有效途徑，它們大多采用紅色和藍(lán)色的發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）組合搭配，通過(guò)PWM-脈沖寬度調(diào)制調(diào)光、可控硅調(diào)光、模擬調(diào)光等調(diào)光技術(shù)，控制光質(zhì)比例[17]。但是，此種方法需要經(jīng)過(guò)合理布局，鋪設(shè)不同顏色的燈珠，并且當(dāng)植物所需光質(zhì)為單光質(zhì)時(shí)，其他光質(zhì)的燈珠就會(huì)被閑置。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者選用RGB-LED燈珠，可同時(shí)調(diào)控三路紅、綠、藍(lán)芯片的發(fā)光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)任意比例的光配比方案，不用改變燈珠布局。此設(shè)計(jì)既解決了傳統(tǒng)單光質(zhì)光源的補(bǔ)光的局限性，又可精確調(diào)控光質(zhì)配比。

1 智能補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為智能補(bǔ)光控制器的系統(tǒng)框圖，智能補(bǔ)光控制器利用光強(qiáng)傳感器對(duì)植物接收到的光強(qiáng)進(jìn)行采集。將采集到的光強(qiáng)值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)與預(yù)設(shè)閾值不相符合時(shí)，發(fā)送需要補(bǔ)光的信號(hào)至信息采集控制板。該控制板以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)PGA）為核心，根據(jù)植物的補(bǔ)光要求，調(diào)用光配比方案庫(kù)，輸出三路脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號(hào)，后接三路恒流驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)加載在R、G、B 3個(gè)引腳上電流的大小，以調(diào)節(jié)光強(qiáng)，使RGB_LED發(fā)出植物需要光質(zhì)及其合適比例。

1.2 調(diào)光程序設(shè)計(jì)

調(diào)光程序的設(shè)計(jì)目的是根據(jù)不同的補(bǔ)光信號(hào)，使R、G、B三路信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)的PWM。圖2為調(diào)光程序的流程圖，設(shè)計(jì)中包括主控程序設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)、選擇程序設(shè)計(jì)、PWM程序設(shè)計(jì)。主控程序的設(shè)計(jì)目的根據(jù)植物對(duì)光的需要調(diào)用存儲(chǔ)器內(nèi)相應(yīng)信息。只讀存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)光質(zhì)配比方案，對(duì)植物所需的光質(zhì)配比信息進(jìn)行編碼，可根據(jù)主控信號(hào)的不同，選擇對(duì)應(yīng)的光質(zhì)配比信息信號(hào)。選擇程序的設(shè)計(jì)目的是為PWM占空比提供控制信號(hào)。PWM程序設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)選擇程序的信號(hào)輸出PWM1、PWM2、PWM3信號(hào)。

1.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電路分為恒壓驅(qū)動(dòng)電路和恒流驅(qū)動(dòng)電路。因?yàn)長(zhǎng)ED伏安特性具有負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)，當(dāng)電壓一定時(shí)，電流會(huì)隨溫度變化。選用3 W大功率RGB-LED對(duì)溫度的影響非常嚴(yán)重，溫度過(guò)高會(huì)造成輻射光強(qiáng)大幅度減弱，因此選擇恒流驅(qū)動(dòng)電路。恒流驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)組成器件不同，可以分為晶體管恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源、集成運(yùn)放恒流源3類。其中，集成運(yùn)放恒流源的主要器件為運(yùn)算放大器和場(chǎng)效應(yīng)管，采用運(yùn)放作為反饋，因?yàn)闇囟葘?duì)運(yùn)放參數(shù)的影響較小，因此集成運(yùn)放恒流源更穩(wěn)定，精度更高。經(jīng)過(guò)綜合分析，選用恒流源驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)了恒流驅(qū)動(dòng)電路，原理圖如圖3所示。調(diào)光程序輸出的PWM1、PWM2、PWM3信號(hào)分別與運(yùn)算放大器的同相輸入端連接，改變脈沖信號(hào)的占空比從而改變了電流大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)光強(qiáng)度。

2 智能調(diào)光方案設(shè)計(jì)

2.1 LED燈的選擇

選擇合適的LED是植物補(bǔ)光試驗(yàn)中的一重要部分。LED燈有節(jié)能環(huán)保、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，可滿足日常家居長(zhǎng)時(shí)間為植物補(bǔ)光的需要[18]。LED發(fā)出的光是冷光源，發(fā)熱少，即使近距離為植物補(bǔ)光照射，也不會(huì)對(duì)植物造成傷害。RGB-LED不僅有普通LED的優(yōu)點(diǎn)，而且因其內(nèi)部封裝了3個(gè)發(fā)光芯片，可以同時(shí)發(fā)出3個(gè)波段的光。通過(guò)PWM信號(hào)改變其占空比，從而調(diào)節(jié)發(fā)光光強(qiáng)和合成光譜，即對(duì)光質(zhì)的調(diào)節(jié)。圖4為RGB-LED燈珠的3個(gè)LED光源的光譜圖，波長(zhǎng)范圍分別為440～480、490～580、600～680 nm，峰值分別為460、530和630 nm，可滿足植物對(duì)光的需要。

2.2 補(bǔ)光燈性能測(cè)試

為了測(cè)試調(diào)光效果，分別測(cè)試紅、綠、藍(lán)3個(gè)芯片發(fā)光強(qiáng)度與PWM占空比的關(guān)系，如圖5所示。

試驗(yàn)表明，擬合優(yōu)度值接近 回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度較好。當(dāng)改變PWM信號(hào)占空比時(shí)，可以線性改變光強(qiáng)度，滿足調(diào)光要求。

2.3 補(bǔ)光燈光配比方案設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)光質(zhì)配比的方法是通過(guò)PWM調(diào)節(jié)各路信號(hào)占空比，從而控制R、G、B發(fā)光強(qiáng)度的相對(duì)比例。如圖6a所示，當(dāng)電流為1∶1∶1時(shí)，紅、綠、藍(lán)三基色的相對(duì)光強(qiáng)度比并不是1∶1∶ 并且相距較大，如果按照傳統(tǒng)方式調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比會(huì)造成較大誤差。針對(duì)此問(wèn)題，解決思路是調(diào)節(jié)各路信號(hào)占空比，使其相對(duì)光強(qiáng)度為1∶1∶ 然后以此為基數(shù)，改變對(duì)應(yīng)份數(shù)占空比，以此得到不同的光配比方案。

根據(jù)占空比與相對(duì)光強(qiáng)度比例關(guān)系和試驗(yàn)測(cè)量可得，當(dāng)調(diào)節(jié)占空比為2%、6%、9%及其相同倍數(shù)時(shí)，相對(duì)光強(qiáng)度比為1∶1∶ 如圖6b所示。將占空比為2%、6%、9%確定為補(bǔ)光燈的初始值，當(dāng)改變單路倍數(shù)便可得到更多的相對(duì)比例。將各配比方案儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，當(dāng)不同信號(hào)到來(lái)時(shí)調(diào)用光配方庫(kù)內(nèi)對(duì)應(yīng)信號(hào)，即可根據(jù)植物對(duì)光的需要，精確調(diào)控光質(zhì)配比。

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)材料

3.1.1 植物的選擇。

選擇購(gòu)自梅州市吉豐種業(yè)發(fā)展有限公司的品種為“298”的意大利全年生菜王（Italys king of lettuce）種子，該品種生長(zhǎng)周期短，10 d左右便可發(fā)芽，便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象;在15～33 ℃下都可存活，實(shí)驗(yàn)室條件下可滿足生長(zhǎng)所需溫度。

3.1.2 光質(zhì)配比的選擇。

大量研究表明，紅藍(lán)混合光質(zhì)下更適合生菜的生長(zhǎng)。當(dāng)紅藍(lán)復(fù)合光中紅光為藍(lán)光的1～4倍時(shí)，對(duì)生菜生長(zhǎng)具有積極意義[19-23]。根據(jù)前人的研究結(jié)果，試驗(yàn)利用R∶B=2∶1的試驗(yàn)材料，檢驗(yàn)智能補(bǔ)光燈是否對(duì)生菜種子的萌發(fā)有作用。根據(jù)光質(zhì)比例要求，PWM信號(hào)占空比分別為40%、0和90%。圖7為紅綠藍(lán)三路信號(hào)的PWM信號(hào)占空比仿真圖，圖8為光譜儀測(cè)量得到紅光與藍(lán)光相對(duì)光強(qiáng)度比例。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年10月5日在黑龍江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。整平土壤后，選取健康的生菜種子200粒，隨機(jī)平均分為2組，將種子均勻地撒在2個(gè)花盆內(nèi)，然后表面覆蓋一層3～5 mm厚度的細(xì)土，每天噴灑適量清水，保持種子成長(zhǎng)環(huán)境濕潤(rùn)。A組采用自然光照射為自然光照組，B組采用紅光與藍(lán)光混合光照射為補(bǔ)光組，每組試驗(yàn)重復(fù)3次（共6盆種子），每隔24 h觀察并記錄種子萌發(fā)情況，當(dāng)A組種子不再萌發(fā)時(shí)停止試驗(yàn)。

3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)期共12 d，10月5日開(kāi)始，10月16日A組的3盆生菜種子都不再有新增發(fā)芽數(shù)時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。自然光與補(bǔ)光處理對(duì)種子萌發(fā)數(shù)量的影響見(jiàn)表1。

數(shù)據(jù)處理運(yùn)用方差分析的基本思想如下：通過(guò)分析補(bǔ)光組對(duì)自然光組的貢獻(xiàn)大小，確定補(bǔ)光組對(duì)種子萌發(fā)數(shù)量的影響力大小。通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)補(bǔ)光組是否對(duì)種子萌發(fā)數(shù)量產(chǎn)生了顯著影響。如果補(bǔ)光對(duì)種子萌發(fā)數(shù)量產(chǎn)生了顯著影響，那么它與自然光照組共同作用，其結(jié)果也必然有顯著變化。如果補(bǔ)光組對(duì)種子萌發(fā)數(shù)量沒(méi)有顯著影響，那么結(jié)果主要由自然光照組決定，與補(bǔ)光組的關(guān)系不大。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，用顯著性差異（significant difference）評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的差異性，P<0.05表示試驗(yàn)結(jié)果存在顯著差異。利用SPSS 23統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。試驗(yàn)采用單因素方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)方法分析數(shù)據(jù)差異顯著性。試驗(yàn)表明，補(bǔ)光組的種子萌發(fā)數(shù)量與自然光照組的種子萌發(fā)數(shù)量有顯著差異（P<0.05）。因此，補(bǔ)光燈的紅藍(lán)光質(zhì)比例為2∶1時(shí)可以促進(jìn)生菜種子的萌發(fā)。

4 結(jié)論

根據(jù)不同光質(zhì)配比對(duì)植物有不同的影響，設(shè)計(jì)了可智能調(diào)控光照強(qiáng)度和光譜成分的補(bǔ)光燈。該補(bǔ)光燈采用RGB-LED為補(bǔ)光燈源，可實(shí)現(xiàn)“一燈多用”智能調(diào)節(jié)光譜，避免了單色燈源的閑置而造成浪費(fèi)。同時(shí)，針對(duì)三基色初始光強(qiáng)不

同的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了光配比方案庫(kù)，可以通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比調(diào)控3個(gè)發(fā)光芯片的電流，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光燈的任意光質(zhì)配比。選用生菜種子為試驗(yàn)對(duì)象，采用紅藍(lán)光2∶1配比比例，設(shè)計(jì)了光對(duì)種子萌發(fā)的影響對(duì)比試驗(yàn)，利用SPSS 23統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明用該智能植物補(bǔ)光燈補(bǔ)光的生菜種子的發(fā)芽率較自然光照射的生菜種子的發(fā)芽率有顯著差異（P<0.05）。此結(jié)果與生物學(xué)研究結(jié)果相符合，證明該智能補(bǔ)光燈對(duì)植物生長(zhǎng)有積極作用。

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