組培鐵皮石斛LED 智能照明系統(tǒng)設(shè)計

陳 苗 ，崔世鋼

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

鐵皮石斛屬珍稀植物，歷代一直被視為名貴中藥材[1]，由于其種子在自然條件下萌發(fā)率極低，對生長環(huán)境要求極為苛刻，且被人們過度采挖，已經(jīng)瀕臨滅絕?，F(xiàn)今，得益于科技的發(fā)展，組織培養(yǎng)技術(shù)能快速繁殖某些稀有植物或具有較大經(jīng)濟(jì)價值的植物，因而被廣泛應(yīng)用。從植物學(xué)的角度，學(xué)者們在對組培鐵皮石斛的培養(yǎng)基篩選[2-3]、不同植物生長調(diào)節(jié)劑的影響[4-6]等方面做了大量的研究。在選擇植物培養(yǎng)光源上，李茹等[7]研究了不同LED 光質(zhì)對鐵皮石斛瓶內(nèi)開花的影響；陳志等[8]研究了不同色溫LED 白光對鐵皮石斛組培苗生長的影響。上述文獻(xiàn)僅針對組培鐵皮石斛的單一環(huán)境因素作了一些研究，并沒有結(jié)合自動化技術(shù)來達(dá)到提高組培效率目的。本文以自動化和植物學(xué)交叉學(xué)科為出發(fā)點(diǎn)，基于可控可調(diào)的光照強(qiáng)度和光質(zhì)比，提出一種適合組培鐵皮石斛的LED 智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32 微處理器為主控芯片，以紅藍(lán)峰白光LED 為光源，為鐵皮石斛不同的組培階段提供最佳的光強(qiáng)和光質(zhì)比。

1 組培鐵皮石斛環(huán)境分析

1.1 組培環(huán)境參數(shù)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]記載，植物組織培養(yǎng)除了受各種培養(yǎng)基類型、植物激素的影響，光照、溫度等環(huán)境因子更是直接影響種苗的生長發(fā)育和有機(jī)物積累。

光照是植物能量的來源，是植物的光合作用、生長發(fā)育、形態(tài)建成以及物質(zhì)消耗等多方面必要條件之一。汪一婷等[11]為探究組培鐵皮石斛的最佳光照時間，以光照時間為變量，設(shè)置 10 h/d、12 h/d、14 h/d、16 h/d 4個實(shí)驗(yàn)組，放置在相同組培條件下培養(yǎng)3 個月，每日記錄組培苗的增殖芽數(shù)、開花率等生長指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：每日照射鐵皮石斛組培苗12 h 不僅能夠有效抑制鐵皮石斛組培苗在瓶內(nèi)開花，而且組培苗其他形態(tài)指標(biāo)均優(yōu)于其他光照時間下培養(yǎng)的組培苗。

光照的另一個因子是光照強(qiáng)度，不同的光照強(qiáng)度對組培鐵皮石斛的生長有不同的影響。李武等[12]研究了最適合組培鐵皮石斛生長的光量子流密度，以25 滋mol·m-2·s-1為對照組，設(shè)置 50 滋mol·m-2·s-1、75 滋mol·m-2·s-1、100 滋mol·m-2·s-13 種梯度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：75 滋mol·m-2·s-1光量子流密度處理下的鐵皮石斛幼苗莖粗和鮮重高于其他組別，葉片SPAD 值和蔗糖合成酶活性也得到顯著提高。此外，溫度是影響植物正常生長的重要環(huán)境因素，鐵皮石斛適合在涼爽的環(huán)境中生長。田思源[13]研究了溫度對組培鐵皮石斛影響的實(shí)驗(yàn)，以溫度為變量設(shè)置 20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃共4 個實(shí)驗(yàn)組，研究結(jié)果表明：溫度在25 ℃的組培環(huán)境下，更有利于鐵皮石斛外植體的出芽率。

1.2 組培光源分析

傳統(tǒng)的組織培養(yǎng)光源選擇普通的熒光燈，其耗能大、光效低、發(fā)熱量大，不利于植物組織培養(yǎng)工作的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展[14]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，LED 光源憑借結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安全性高、波譜窄、能耗低、壽命長、響應(yīng)快等優(yōu)勢脫穎而出。LED 光源作為一種人工冷光源，不僅可以提供特定波長的光和根據(jù)需要調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，而且還能近距離照射植物且不會引起植物灼燒。已有研究結(jié)果表明，紅光有助于植物干物質(zhì)的積累，促進(jìn)莖的伸長生長，提高光合速率和糖含量。藍(lán)光具有抑制莖伸長、促進(jìn)分化、增加葉面積、提前花期、抑制黃化現(xiàn)象等作用[15]。同時，鐵皮石斛對波長為 425～490 nm 的藍(lán)光以及 610～700 nm 的紅光吸收最多。

丁有生[16]研究了多種光質(zhì)比對組培鐵皮石斛苗的影響，設(shè)置紅藍(lán)光源比分別為 1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1、4 ∶1 的4 種情況，在相同培養(yǎng)環(huán)境下組培鐵皮石斛培養(yǎng)苗，以葉綠素a、葉綠素b 含量、類胡羅卜素等測量指標(biāo)為依據(jù)，最終發(fā)現(xiàn)紅藍(lán)光源的波長定位于660 nm、450 nm，且光質(zhì)比為2 ∶1 時，鐵皮石斛的生長狀況最佳。

組培鐵皮石斛經(jīng)過誘導(dǎo)、增殖、分化、生根4 個階段，且每個階段對光照強(qiáng)度、紅藍(lán)光光質(zhì)比的要求不完全一致。表1 列出了鐵皮石斛處于不同階段的最佳光質(zhì)比需求。

表1 鐵皮石斛處于不同階段的最佳光質(zhì)比需求

1.3 組培環(huán)境方案制定

學(xué)者們在探究組培鐵皮石斛的最佳光環(huán)境時，都以生根階段的組培苗為研究對象，忽略了不同階段需要不同環(huán)境參數(shù)的問題。綜上所述，為了組培出質(zhì)量更優(yōu)的鐵皮石斛苗，需要對其組培環(huán)境作更為細(xì)致的設(shè)定。表2 是以鐵皮石斛不同生長階段為劃分點(diǎn)，列舉其不同階段的最佳環(huán)境因子和光照條件。

表2 鐵皮石斛處于不同階段的最佳環(huán)境因子和光照條件

本文結(jié)合以往學(xué)者的研究成果，首先對組培鐵皮石斛的4 個重要環(huán)境參數(shù)作了分析和選定，尤其是光照強(qiáng)度和光質(zhì)比，不同階段其需求也不盡相同，以可調(diào)光照強(qiáng)度和可配比的紅藍(lán)光源為切入點(diǎn)，采用模塊化的設(shè)計方法對智能照明系統(tǒng)分別進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計，使其實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度和紅藍(lán)光光質(zhì)比的功能，并基于均勻性實(shí)驗(yàn)和組培實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的優(yōu)越性。該系統(tǒng)所能達(dá)到的預(yù)期效果是能使以鐵皮石斛莖段為外植體，最終發(fā)育成質(zhì)量較高的鐵皮石斛苗。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

用于組培鐵皮石斛的LED 智能照明系統(tǒng)由傳感器檢測模塊、單片機(jī)控制模塊、執(zhí)行模塊、顯示模塊、上位機(jī)和供電電路組成。檢測模塊采用光電探測器，檢測鐵皮石斛組培架中的光照強(qiáng)度、光質(zhì)比等光信息；控制模塊選用STM32 單片機(jī)，接收處理由傳感器檢測到的光信息來調(diào)節(jié)輸出占空比可調(diào)的PWM 信號，完成系統(tǒng)調(diào)光功能；執(zhí)行模塊也稱LED 植物生長燈，由智能控制電路以及不同波長和配比的陣列型LED 芯片組成，接收由控制器發(fā)出的控制信號，驅(qū)動LED 電路自動實(shí)現(xiàn)LED 燈板對光照強(qiáng)度、光質(zhì)比的調(diào)節(jié)；顯示模塊由DGUS 觸摸屏組成，通過對鐵皮石斛不同培養(yǎng)階段的光照強(qiáng)度、光質(zhì)比進(jìn)行設(shè)置，還可實(shí)時顯示組培架內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。LED 智能照明系統(tǒng)模塊組成如圖1 所示，系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖1 LED 智能照明系統(tǒng)模塊組成

圖2 系統(tǒng)控制流程

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 單片機(jī)的選擇

本系統(tǒng)選用STM32F101 基本型單片機(jī)，相比其他控制芯片，STM32 單片機(jī)程序是模塊化的，自身攜帶很多功能，接口簡單，不需要外部功能添加和外圍電路設(shè)計，工作速度快，其運(yùn)算速度是80C51 單片機(jī)的幾十倍[17]。STM8S103 含有多個定時器，基于傳感器采集的光照強(qiáng)度值和光質(zhì)比與設(shè)定值的偏差，對PWM的周期和占空比大小進(jìn)行配置并輸出，從而調(diào)控LED燈珠光照強(qiáng)度和紅藍(lán)光配比。

2.1.2 傳感器檢測模塊的設(shè)計

系統(tǒng)的檢測模塊選用GY-30 光電式傳感器來獲取光照強(qiáng)度和光質(zhì)比等光信息，內(nèi)部由光敏二極管、運(yùn)算放大器、ADC 采集、晶振等組成。PD 二極管通過光生伏特效應(yīng)將輸入光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)運(yùn)放電路放大后，由ADC 采集電壓，然后通過邏輯電路轉(zhuǎn)換成16 位二進(jìn)制數(shù)存儲在內(nèi)部的寄存器中，單片機(jī)通過I2C 協(xié)議與BH1750 模塊通訊。該傳感器的SCL、SDA 分別是IIC 時鐘線和數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)的PB2、PB3 引腳相連，獲取和傳輸光照強(qiáng)度值和光質(zhì)比。

2.1.3 LED植物生長燈的設(shè)計

一種適合組培鐵皮石斛生長的LED 植物生長燈，需要具備較高的光照均勻性，其最大光照強(qiáng)度能達(dá)到鐵皮石斛的光飽和點(diǎn)，且在光譜中紅藍(lán)光的比例要盡可能大。針對組培鐵皮石斛不同培養(yǎng)階段對不同光配比的需要，選擇光譜疊加的白色LED 燈珠和紅藍(lán)燈珠作為光源，其光線柔和，能減少對人眼的傷害。

紅藍(lán)光的比例應(yīng)占主要部分，可有助于鐵皮石斛的光合作用。其中紅色燈珠、藍(lán)色燈珠和白色燈珠的數(shù)目比為 1 ∶1 ∶1～3 ∶1 ∶1，以此來提供所需的光譜組合。為了保證植物所接收的光照強(qiáng)度值一致，LED 植物生長燈的中間區(qū)域?qū)? 種燈珠以間距3 cm 交替放置為6 cm×6 cm 的矩形陣列，燈板兩邊區(qū)域的燈珠間距逐漸減小，燈珠的連接方式為混聯(lián)，既能避免因?yàn)榇?lián)導(dǎo)致不同LED 間的相互影響，又能避免并聯(lián)造成的LED 燈亮度不能自動調(diào)節(jié)的問題。此外，為了避免燈板溫度過高傷害植物，該LED 燈具備良好的散熱性，還采用獨(dú)特的灌封膠防水設(shè)計，實(shí)現(xiàn)良好的防水效果。

2.1.4 LED驅(qū)動電路的設(shè)計

LED 燈的光照強(qiáng)度值和光質(zhì)比由LED 驅(qū)動電路調(diào)控，為了保證系統(tǒng)在工作時流過每顆燈珠的電流相同，需采用恒流驅(qū)動方式。LED 驅(qū)動電路由MOS 管開關(guān)電路、電流采樣電路、運(yùn)放電路組成?？刂破靼l(fā)送PWM 信號控制MOS 管開關(guān)電路的通斷，從而調(diào)節(jié)LED 植物生長燈的光照強(qiáng)度和光質(zhì)比，電流采樣電路將流過燈的電流信號經(jīng)運(yùn)放電路放大后，反饋至控制器。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)是一款開源的搶占式的多任務(wù)實(shí)時內(nèi)核，其結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、執(zhí)行效率高，具有可擴(kuò)展性好、程序代碼免費(fèi)開源、資料豐富、技術(shù)成熟、簡單易用等特點(diǎn)[18]。μC/OS-Ⅱ通過5 個任務(wù)完成所有功能，包括系統(tǒng)主任務(wù)、傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、通信任務(wù)、觸摸屏任務(wù)。主任務(wù)的建立通過調(diào)用Start_task（）函數(shù)完成[19]，以此建立其他4 個任務(wù)，并賦予這些任務(wù)不同的優(yōu)先級[20]；傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)是通過傳感器定時采集組培架內(nèi)的光照強(qiáng)度值和光質(zhì)比數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理任務(wù)把采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分批估計自適應(yīng)加權(quán)融合，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；通信任務(wù)實(shí)現(xiàn)觸摸屏和單片機(jī)的串口通信連接；觸摸屏任務(wù)完成當(dāng)前光照強(qiáng)度和光質(zhì)比的顯示和調(diào)節(jié)。

當(dāng)系統(tǒng)上電，人機(jī)交互界面會實(shí)時顯示當(dāng)前的光照強(qiáng)度值和光質(zhì)比，若光強(qiáng)不在誤差范圍±100 lx 內(nèi)或光質(zhì)比不一致，用戶可通過觸摸屏設(shè)定新的光照強(qiáng)度值和光質(zhì)比等參數(shù)，智能控制電路檢測到二者間的誤差后，控制器發(fā)出控制信號至LED 驅(qū)動電路，改變輸出的PWM 波占空比，調(diào)節(jié)流過LED 燈珠的電流，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的功能。系統(tǒng)軟件流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

3.1 均勻性實(shí)驗(yàn)設(shè)計

為了驗(yàn)證LED 光源的均勻性，將LED 光源固定于燈架，其正下方30 cm 處鋪設(shè)100 cm×100 cm 的坐標(biāo)紙，通過光量子流密度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器測量坐標(biāo)紙內(nèi)1 cm×1 cm 處的光量子流密度和光照強(qiáng)度值，再基于Matlab 軟件將所采集的數(shù)據(jù)繪制成三維圖。

3.2 組培實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)材料選取天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)植物工廠重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生長架的水培鐵皮石斛植株，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度25 ℃，光照時間為 12 h/d（8：00—20：00），實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）滅菌器具 將所需燒杯、培養(yǎng)瓶、鑷子、手術(shù)剪、培養(yǎng)皿、玻璃棒、手套等放入高溫高壓滅菌鍋（121～126 ℃、0.1 MPa）進(jìn)行滅菌。

（2）消毒超凈工作臺 用酒精噴壺噴灑工作臺，開啟紫外線滅菌，滅菌共計2 次，每次15 min。

（3）制備試劑 制備適量無菌水、75%酒精。

（4）配制培養(yǎng)基 將20.87 g MS 粉末定容于1 L超純水的燒杯中，加熱攪拌至煮沸，以每瓶2～2.5 cm分裝在培養(yǎng)瓶中，共計10 瓶。定容時，用量程為1～10 mL的移液槍少量多次導(dǎo)入適量的NaOH、5%檸檬酸，使pH 值位于 5.6～5.8。

（5）二次滅菌 用高壓滅菌鍋（121～126℃、0.1 MPa）將6瓶無菌水、培養(yǎng)基滅菌20 min 冷卻備用。

（6）制備外植體 將鐵皮石斛在流水下沖洗1 h后，用手術(shù)剪將鐵皮石斛以3 節(jié)莖為單位剪取莖段；分別用75% 酒精浸泡莖段30 s 后在無菌水中洗滌莖段 3 次，時間分別為 2 s、1 min、5 min；再用 2% NaClO浸泡莖段4 min，無菌水洗滌，方法、時間同上；最后將莖段經(jīng)手術(shù)剪剪去頭尾和葉片，放置在培養(yǎng)皿備用。

（7）接種外植體 類原球莖誘導(dǎo)，夾取莖段使其根部斜插入基質(zhì)中使外植體接種在誘導(dǎo)培養(yǎng)基上，并將培養(yǎng)瓶放置在LED 智能照明系統(tǒng)組培架上。類原球莖繼代增殖，待培養(yǎng)基質(zhì)厚度大致為1 cm 時，選取長勢均勻一致的原球莖，按0.5 cm×0.5 cm 的大小接種到培養(yǎng)基上并放置在組培架上。類原球莖分化，待培養(yǎng)基質(zhì)厚度大致為1 cm 時，選取長到6～7 cm 的原球莖接種到培養(yǎng)基。類原球莖生根，待培養(yǎng)基質(zhì)厚度大致為 1 cm 時，選取苗高 2.5～4.0 cm、葉 3～4 片、葉色濃綠且具頂端生長點(diǎn)的鐵皮石斛無菌苗，切去其原有的根，接種至培養(yǎng)基上。上述階段的培養(yǎng)條件和觀測指標(biāo)各不相同，具體內(nèi)容如表3 所示。

其中，誘導(dǎo)率=誘導(dǎo)出的原球莖的外植體數(shù)/組培株數(shù)，增殖率=增殖后原球莖數(shù)/接種原球莖數(shù)，分化率=分化出幼苗的原球莖數(shù)/接種原球莖數(shù)，生根率=生根苗數(shù)/接種組培苗數(shù)。

表3 鐵皮石斛培養(yǎng)條件設(shè)置和觀測指標(biāo)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 均勻性實(shí)驗(yàn)分析

光量子流密度和光照強(qiáng)度都是表征光照均勻性的物理量，二者可相互轉(zhuǎn)換。光量子流密度分布和光照強(qiáng)度分布越接近LED 光源中心，其值越高；鄰近區(qū)域顏色越接近或者波峰位置越平坦，其值相差較小，均勻性高。光量子流密度分布圖和光照強(qiáng)度分布圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 光量子流密度分布圖

圖5 光照強(qiáng)度分布圖

中間區(qū)域呈現(xiàn)相近顏色的面積較大、波峰位置較為平坦，且最高光照強(qiáng)度達(dá)2 600 lx，可滿足鐵皮石斛生長的光照條件。綜上，結(jié)合二者標(biāo)準(zhǔn)差分別為23 和18，該LED 光源均勻性較好，光量子流密度和照度值較高，可使組培的鐵皮石斛均勻受光。

4.2 組培實(shí)驗(yàn)分析

圖6 為不同生長階段的組培鐵皮石斛。隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，鐵皮石斛由初始的莖段逐步發(fā)育成芽、枝到整個植株，可以出瓶進(jìn)行人工煉苗。植株表現(xiàn)為正常的翠綠色，整體生長態(tài)勢良好。

圖6 1 號鐵皮石斛不同生長階段的生長圖

2019 年1 號鐵皮石斛生長觀察記錄如表4 所示，整體指標(biāo)如表5 所示。由表4 可以看出，不同生長階段測量的指標(biāo)不完全相同。在培養(yǎng)過程中，葉片數(shù)量、分化的原球莖數(shù)、生根數(shù)均在不斷增加，基質(zhì)厚度在不斷減少，葉片數(shù)量高于整體平均值，生根數(shù)更是高達(dá)10 根。表5 表明這一批鐵皮石斛相比其他文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，染菌率和褐化率有待下降，但是未染菌的植株整體發(fā)育較好，每個階段末的指標(biāo)值都在82%以上，是一次比較成功的組培實(shí)驗(yàn)。

表4 2019 年1 號鐵皮石斛數(shù)據(jù)記錄表

表5 鐵皮石斛整體指標(biāo)列表

在上述實(shí)驗(yàn)中，除具備較扎實(shí)的植物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能外，更為重要的是依據(jù)不同階段調(diào)控適合鐵皮石斛生長的光照強(qiáng)度和光質(zhì)比。在通過觸摸屏設(shè)定光照強(qiáng)度和光質(zhì)比時，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，LED 燈珠也未出現(xiàn)故障，傳感器實(shí)測的光強(qiáng)和光質(zhì)比接近設(shè)定值。

5 結(jié) 語

本文對適合組培鐵皮石斛的智能照明系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。該系統(tǒng)以STM32 微處理器為主控芯片，以紅藍(lán)峰白光LED、紅色燈珠和藍(lán)色燈珠為光源，為鐵皮石斛組培的不同階段提供了最佳的光強(qiáng)和光質(zhì)比。基于Matlab 探究LED 光源的光量子流密度分布和光照強(qiáng)度分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該LED 光源完全能滿足組培鐵皮石斛的光照要求且均勻性良好；設(shè)計的鐵皮石斛組培實(shí)驗(yàn)，通過制備外植體、接種外植體到培養(yǎng)等實(shí)驗(yàn)步驟，將初始光照強(qiáng)度設(shè)置為1 800 lx，光質(zhì)調(diào)為紅光，光照時間為12 h/d，隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)到 2 000 lx、2 500 lx，光質(zhì)比調(diào)控到 3 ∶1、2 ∶1、紅光，最終鐵皮石斛由初始的莖段逐步發(fā)育成芽、枝到整個植株，表明該光照系統(tǒng)能夠滿足組培鐵皮石斛要求。在今后的研究中，可從植物學(xué)的角度測量比較組培苗的鮮重、葉綠素a、多糖等量化指標(biāo)，使最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力。