植物生長全自動節能補光系統設計

張 帆 趙光偉 楊松立 王君普

（臨沂大學汽車學院，山東 臨沂 276000）

1 研究意義

面對越來越嚴重的空氣、土壤污染，如何更快、更安全的獲得綠色無污染的蔬菜滿足于人們的日常生活需要已經成為越來越迫切的問題，各國都在研究植物工廠，方向之一就是全自動植物工廠。其中有為滿足市場需求的大型全封閉植物工廠，為植物生產提供適宜的、穩定的生長環境，縮短植物生長周期；也有小型的家用陽臺式植物工廠，主要為市民體驗種植樂趣，豐富市民生活，同時讓市民吃上自己種植的真正無公害潔凈蔬菜。

本文在這一方面進行了初步嘗試，旨在設計一套小型的、全自動植物生長節能補光系統模型，主要用于為植物生長補光，縮短植物生長周期。促進植物生長，縮短生長周期。

2 研究內容

根據不同植物及植物生長的不同階段（幼苗期、掛果期等）對光質、光照強度、光照時間的需求，利用可編程控制器（PLC）、太陽能光伏電源、LED植物生長燈、人機界面等設備，通過程序設計，自動調節植物生長的光環境，為植物提供一個和諧的光世界，促進植物的健康生長，并提高光合作用的效率，減少能源損耗。

3 理論根據

光能促進植物組織和器官的分化，對植物生長及形態結構有重要作用，只要光照強度不低于2000LX，就不會影響植物生長。但強光會導致高溫，造成水分虧缺、氣孔關閉和CO2供應不足，引起光合作用下降。

不同植物對光照強度的要求不同，陰天、夜晚光照強度減弱，也會影響了植物的光合作用。因此為了縮短植物生長周期，提高植物生長品質，必須合理控制植物生長燈的光照強度。

植物光照強度調節的原理如圖1所示。

圖1 植物光照強度調節原理

植物光合作用所需的光照強度為I，由光照度傳感器測量的當前太陽光的光照強度為Ia，則需要植物生長燈提供的光照強度Ib=I-Ia，占空比（植物生長燈的光照強度與P成正比）P=Ib/I，通過PLC控制在周期T內的接通時間Ton=PT。通過控制周期T內植物生長燈的通斷時間，調節占空比P，從而實現對植物生長燈的光照強度的調控。

4 系統組成

該系統由光伏發電系統、電源自動選擇開光、光測量設備、控制系統、LED植物生長燈等組成。如圖2所示。

圖2 系統組成框圖

4.1 光伏發電系統

選用太陽能光伏電源作為補光的主電源,為植物生長燈供電。但由于太陽能發電容易受陰雨天氣的影響，所以在太陽能電池不能提供足夠的電量時，通過自動轉換開關，改由電網供電，使系統仍能正常工作。

4.2 LED 植物生長燈

植物生長燈主要是在自然光照不充足的情況下進行光源的補充。使用過程中主要是結合被照作物的原有生長特性，進行適當的補光。長日照作物根據其日照需求可多照，短日照作物少照，如果自然光已經基本滿足植株本身對光照的需求，就不需補光。合理利用植物生長燈，可以有效提高經濟效益。

4.2.1 燈光顏色的選擇

植物在生長過程中會吸收特定波長的光進行光合作用，這些光主要是集中在640~680nm之間的紅光和430~470nm之間的藍光。紅光是有利于葉綠素的形成及碳水化合物的合成，加速長日照植物的生長發育，延遲短日照植物的發育，并促進種子萌發，促使植物的莖生長。藍光可以促進氣孔開放，有助于外界的二氧化碳進入細胞，從而提高光合作用速率，有利于蛋白質合成，加速短日照植物的發育，延遲長日照植物的發育，促進植物的葉生長。理論和實驗證明，紅光的光合作用最強，用富含紅光的光源補光，會引起植物較早開花結實，可促進植物體內干物質的積累，促使鱗莖、塊根、葉球以及其他植物器官的形成。用富含藍光的光源進行人工補光可延遲開花，使以獲取營養器官為目的的植物充分生長。適當的紅光和藍光的比才能保證培育出形態健全的植物。

選取最易被植物吸收的660nm的紅光與450nm的藍光為植物補光，并且根據不同植物對光質的不同要求，選擇不同比例的紅藍燈數量，同時根據植物的生長周期調整紅色光和藍色光比例。

植物生長燈基本都是做成紅藍組合、全藍、全紅三種形式，覆蓋光合作用所需的波長范圍。在視覺效果上，紅藍組合的植物燈呈現粉紅色。植物生長燈的紅藍燈色譜比例一般在5：1~10：1之間為宜，常可選7~8：1的比例。當然有條件的可根據植物生長周期調整紅色和藍色光的比例最好。用植物生長燈給植物補光時，一般距離葉片的高度為0.5～1米。

4.2.2 光照時間的控制

光合作用分為光反應和碳反應，前者提供后者所需的ATP（三磷酸腺苷）以及NADPH（還原態氫），為碳反應的原料，后者利用CO2合成有機物。光照的時間越長，光反應發生的時間就越長，光反應提供的ATP以及NADPH越多，那么在CO2越多的情況下，光合作用就會越多。光照時間短，碳反應雖然可以在無光的條件下反應，但是由于ATP以及NADPH生成不足，最終導致的結果是碳反應也無法發生。

但并不是光照時間越長，對植物生長越好。根據植物對光周期反應的不同，可將植物分為長日照植物、短日照植物和中間性植物。長日照植物光照時間越長，生長越快。短日照植物在生長發育過程中，需要有一段時間白天短（少于12小時，但不少于8小時）、夜間長的條件。中間性植物在生長發育過程中，對光照長短沒有嚴格的要求。因此，針對不同植物對光照的不同要求,有必要對光照時間進行調控。

將植物在不同生長時期所需要的光照時間輸入計算機，通過PLC控制植物生長燈的通斷，來控制補光時間。補光時間由PLC內部的計時器控制，達到設定的補光時間時，PLC控制斷開植物生長燈，停止補光。

圖3 系統電氣控制原理圖

4.3 控制系統

控制系統主要由PLC和人機界面組成。

PLC作為整個補光系統的核心,通過程序控制植物生長燈的光照強度及通斷時間。人機界面用于PLC的運行控制及顯示、監控，以及選擇并顯示植物生長所需的光照環境參數，實時顯示植物各階段的生長狀況。

系統控制原理如圖3所示。

4.4 系統特點

（1）動態LED植物補光系統可以實時、精確調控植物生長所需的光照環境：合理的光質比、適宜的光照強度和光照時間。

（2）采用植物生長燈為植物補光，提高了光能利用率，降低了能源消耗和運行成本，清潔無污染。

（3）由PLC控制植物LED生長燈,進行人工補光，提高了光合作用的效率，縮短了生長周期，提高了單位面積的產出比，降低了生產成本。

［1］喬俊楓，周慶珍，等.植物生長補光燈優化部署模型[J].農機化研究，2014，36（5）：48-51.

［2］居家奇，陳枕流，等.光劑量計在植物生長補光照明系統中的應用[J].中國照明電器，2013（9）：1-4.

［3］張紅艷.植物生長燈在溫室番茄生產中應用效果初探[J].遼寧農業科學，2013（1）：72-73.

［4］毛競，關欣，陳棟.氣候因子對不同栽培模式下番茄生長發育的影響及比較[J].安徽農業科學，2009，37(10)：4479-4481.