基于多光譜連續(xù)可調(diào)的植物物聯(lián)網(wǎng)配置系統(tǒng)研究

張莉萍

（長江職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 研究背景

民以食為天，食物是人類生存最基本的也是最重要的條件因素。但是，現(xiàn)在全球人口的快速增長、資源的有限、氣候的迅速變化，都給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）估計，到2050年，全球糧食產(chǎn)量需要增加70%才能再增加23億人[1]。因此，農(nóng)業(yè)必須進(jìn)行改革創(chuàng)新，而引入物聯(lián)網(wǎng)能夠讓農(nóng)業(yè)發(fā)展更上一層樓。

將物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合，通過結(jié)合傳感器、運動探測器、按鈕相機等設(shè)備，農(nóng)民可以實時對植物的生長情況還有各種參數(shù)（例如水分、土壤濕度等）進(jìn)行檢測。與傳統(tǒng)操作相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)場，可以使灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)“一秒五噴”。

2 植物生長所需要的環(huán)境因子

在引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之前，需要對植物生長所必需的環(huán)境因子有所了解，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和分析。因此，下面介紹植物在生長時所需要的環(huán)境因子。

2.1 光照

光照是植物（有葉綠體的）進(jìn)行光合作用的必要條件，經(jīng)過陽光照射，植物中的葉綠體通過一系列生物反應(yīng)，可以將空氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成自身生長所需的單糖，單糖經(jīng)過進(jìn)一步反應(yīng)生成植物生長所需的有機物等。但是對于之前的農(nóng)業(yè)來說，需要根據(jù)天氣來定，而且預(yù)測天氣是一件難事，無法準(zhǔn)確知道未來的天氣是大旱還是暴雨還是風(fēng)調(diào)雨順。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引進(jìn)可以有效解決這一問題。

2.2 水分

水分包括植物生長所需的濕度，分為土壤濕度和空氣濕度，地球上所有的生物都離不開水，水是生命之源。根據(jù)植物水分可分為3種：水生植物、濕生植物和旱生植物。水澆少了會使植物生長受阻；水澆多了會使植物的根部因為缺氧產(chǎn)生無氧呼吸而壞掉。因此，根據(jù)不同植物生長的習(xí)性，需要制定不同的計劃來澆水，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以了解到植物的狀態(tài)。

2.3 溫度

一年四季所生長的植物有所不同，所需要種植的果蔬也不同。現(xiàn)在的大棚蔬菜可以讓人們一年四季都吃到新鮮的蔬果，但是需要對大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。

2.4 土壤

土壤中含有適當(dāng)?shù)乃?、空氣和養(yǎng)分，能使植物健康生長。土壤中含有植物生長需要的大量元素和微量元素，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵等。植物通過根系吸收土壤中的水分和養(yǎng)分，因此，要求土壤松軟度合適，有足夠的氧氣讓植物呼吸。土壤、陽光等都是大自然給予植物生長的必要條件，雖然某些貧瘠地區(qū)的土地并不肥沃，但也不是完全沒有辦法，現(xiàn)在可以由人工無土栽培，能定向提供這些條件[2]。

2.5 肥料

在植物生長期間，施肥也是很重要的一個環(huán)節(jié)，能為植物提供足夠的營養(yǎng)。但是，植物生長所需生長素的量是固定在一個范圍內(nèi)的，施肥過多反而會抑制植物的生長。在正常范圍內(nèi)對植物進(jìn)行施肥，還可以抑制部分野草的生長。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

基于多光譜連續(xù)可調(diào)的植物物聯(lián)網(wǎng)配置系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高效生產(chǎn)。該系統(tǒng)不僅可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，還可以有效利用資源。通過對農(nóng)作物數(shù)據(jù)的檢測，管理人員可以知道什么時候需要澆水、澆水量需要多少以及什么時候需要用生長素等，可以有效減少資源的消耗，實現(xiàn)低成本、高回收。引入物聯(lián)網(wǎng)還可以實現(xiàn)對農(nóng)作物的實時監(jiān)測，對其現(xiàn)階段所需的生長環(huán)境因子進(jìn)行計算，并且及時控制，可以有效提高農(nóng)作物的生長效率。因為很多技術(shù)是根據(jù)計算機計算進(jìn)行的，可以不受自然條件的約束，甚至可以在沙漠、戈壁等極限條件下進(jìn)行農(nóng)作物的種植，極大地利用了地理面積，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，有效解決了土地資源不夠的相關(guān)問題。在技術(shù)的支持下，甚至還可以在太空進(jìn)行作物種植，可以源源不斷地提供食物[3]。

3.1 LED對于植物的影響

光質(zhì)是影響植物生長的一個重要的環(huán)境因子，有效利用光質(zhì)可以調(diào)節(jié)蔬菜中抗氧化化合物的合成和積累，但是因為不同品種的蔬菜對光波的吸收段不同，對每種光源的反應(yīng)也不同，甚至單個植物對不同的光波進(jìn)行吸收之后，生長反應(yīng)也有所不同。針對此類問題，下文進(jìn)行了簡述。

3.1.1 光質(zhì)

光作為植物生長發(fā)育的基本要素之一，光質(zhì)、光強、光照時間等因素對植物的生長發(fā)育均會產(chǎn)生很大影響。光質(zhì)可以通俗地解釋為光的波長。

光質(zhì)會影響植物中含有的葉綠素a以及葉綠素b對光的吸收，進(jìn)而影響光合作用。在自然光譜中，只有很少一部分可見光能被植物吸收，如果紅藍(lán)光搭配合適，便能提高光的利用率。由于光譜構(gòu)成的成分不同，組合起來或者單個光進(jìn)行照射，對作物的影響結(jié)果都不同。例如在生菜的成長中，若是將紫光和綠光相結(jié)合，生菜的生長就會被抑制；但是用紅光進(jìn)行照射，卻能促進(jìn)其對微量元素的吸收，促進(jìn)其成長。不同的光質(zhì)對葉片中的葉綠素含量也有一定的影響，例如對于花青素的合成，藍(lán)色光有促進(jìn)作用，但是紅光有抑制作用。

另外，光質(zhì)還會影響植物的生長和形態(tài)：紅光會促進(jìn)幼苗的生長。例如相關(guān)研究表明，在小麥的生長中，紅光具有促進(jìn)作用，在紅光的照射下，幼苗的干物質(zhì)積累較多，影響生長；紅光能降低赤霉素的含量，藍(lán)紫光能有效提高IAA（吲哚乙酸，一種生長素，用以促進(jìn)植物生長）氧化酶的活性，或者將兩者相融合，能降低IAA的含量，從而抑制植物莖的生長。

光質(zhì)也會影響植物對微量元素的吸收，甚至?xí)绊懼参锏纳泶x。暗呼吸是植物在沒有光的情況下進(jìn)行的有氧呼吸，一般在線粒體進(jìn)行，而藍(lán)光可以促進(jìn)暗呼吸的進(jìn)行。經(jīng)過一系列反應(yīng)，可以進(jìn)一步促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，而紅光可以促進(jìn)植物中碳水化合物的增加。

葉綠體中的色素主要吸收紅光和藍(lán)紫光，因此，在紅光和藍(lán)紫光的照射下，光合作用最強，而葉綠體中的色素吸收的綠光最少，光合作用最弱。根據(jù)上述事實以及相關(guān)研究結(jié)論表明，在植物的生長過程中，若是想要促進(jìn)植物健康發(fā)育，單一地使用紅光或者藍(lán)光的效果有限，而LED燈可以解決此問題。例如可以運用紅藍(lán)光的組合光譜，對植物的生理代謝等進(jìn)行調(diào)節(jié)。前人的實驗結(jié)果表明，引進(jìn)LED照明后，植物的生長周期縮短，有效減少了能耗，并且降低了成本。

3.1.2 光強對植物生長及品質(zhì)的影響

光強即日常所說的光照強度，高中生物課學(xué)過，光照強度會影響光合作用的效率。雖然在一定范圍內(nèi)，光照強度越大，光合作用效率越高，但是，植物對于光照強度的反應(yīng)有一個飽和狀態(tài)，即光飽和點，過猶不及，光強超過光飽和點時，光合效率不僅不會增加，還很容易引起葉綠素的分解，導(dǎo)致植物產(chǎn)生生理障礙。另外，不同植物因為自身因素，對光照強度的要求不同，光飽和點、光補償點也各不相同。引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)之后，可以針對不同的植物進(jìn)行計算，針對植物生長特性的不同，指定不同的光照條件，讓植物在更好的條件下生長。

如圖1所示，不同溫度、光強下，植物對于有機物的積累和消耗速率都不同。不同光強下，植物的凈光合速率不同，引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)就是實現(xiàn)最大凈光合速率。適當(dāng)?shù)卦黾庸鈴?，可以提升植物光合作用的速率，提高有機物的生產(chǎn)速率，進(jìn)而促進(jìn)生長。但是，過高的光照強度會對植物造成反作用，影響葉綠素的合成，從而降低光合作用的速率，降低有機物的積累速率，減緩生長速率。相關(guān)研究表明，隨著光強的減小，葉綠素的相關(guān)光譜參數(shù)在總體上呈現(xiàn)升高趨勢；三葉青的葉片中可溶性蛋白含量呈現(xiàn)先降后升的趨勢。某學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，高光強能夠促進(jìn)菊花苗中水分和養(yǎng)分的吸收，有利于菊花苗生長發(fā)育；增加光強能讓菊花氣孔導(dǎo)度提高，從而提高光合速率。

圖1 有機物積累和消耗速率

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，可以對植物的生長數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，然后設(shè)置不同的光照系統(tǒng)，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)以及植物的生理特征，對光照模式、光照時間進(jìn)行自動化調(diào)控?？梢岳孟嚓P(guān)的計算機程序?qū)χ参锏纳L進(jìn)行實時監(jiān)測，還可以進(jìn)行自動化控制，對植物環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)配。例如，用何種LED光源對植物進(jìn)行照射、光強是多少、室內(nèi)所需的二氧化碳濃度是多少、何時需要進(jìn)行澆水施肥等，使植物保持最適宜的生長狀態(tài)，大幅度提高果實產(chǎn)量品質(zhì)和藥用有效成分的極大累積，以滿足不同經(jīng)濟作物產(chǎn)業(yè)各不相同的個性化需求，如花卉、葉菜、煙草、藥材等。另外，由于植物在生長期間需要對其使用生長素，不同的生長素對植物的作用也不盡相同，有的植物生長調(diào)節(jié)劑可提高植物的蛋白質(zhì)、糖的含量，有的能改變植物形態(tài)，有的能增強抗鹽堿、抗寒、抗旱和抗病蟲害能力。所以，需要根據(jù)不同時期植物的不同狀態(tài)，合理地使用生長素。

數(shù)據(jù)傳輸不僅可以對植物的生長狀況進(jìn)行監(jiān)測，還可以對植物生長地區(qū)進(jìn)行安全檢測。若是出現(xiàn)機器故障等問題，可以及時進(jìn)行修理；若是遇上突發(fā)意外，還可以進(jìn)行報警，保障相關(guān)工作人員的安全。

4 小結(jié)與展望

對于物聯(lián)網(wǎng)植物生長培植系統(tǒng)，只是在理論知識上進(jìn)行了概述，描述了植物生長所需的各種環(huán)境因子以及物聯(lián)網(wǎng)能在技術(shù)上為農(nóng)業(yè)提供的各種幫助，但是仍有不足之處。盡管全球人口在快速增長，資源也有限，但相信未來會有更多的專業(yè)人士進(jìn)行這方面的研究，力求讓人們衣食無憂。