植物UV-B智能控制系統研制及其照度分布

黃 超，曾體賢，殷萬君，田引黎，熊建云

(1．四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017; 2． 西華師范大學 物理與空間科學學院，四川 南充 637009)

光合作用是植物生長的重要生理過程，而UV-B 作為光的一個重要組成部分，其照度對植物生長起到非常重要的作用［1］．然而，大氣層臭氧減少使UV-B 輻射增強．為了研究臭氧減少所致的地表UV-B 增強對植物的影響，科研人員引入了對植物進行UV-B 人工模擬增強的田間實驗［2］．至今，國際上已有多位學者自行研制可調式UV-B 自動控制系統進行植物UV-B 模擬增強實驗［3-6］．然而國內進行的UV-B 田間增強實驗均未能較好地模擬日光中的UV-B 輻射的自然變化及波動(日變化和季節變化等)，所采用的人工光源發出的UV-B 輻射不隨時間變化而變化．為此，大棚內實驗迫切需要一種設備，該設備能精確控制UV-B 的照度大小，同時能動態模擬室外UV-B 強度的變化．

基于此，研發了一種大棚內植物紫外(UV-B)照射智能控制系統(包括硬件和軟件)，并研究了設備在棚內的照度分布．該系統已在相關實驗基地使用，運行效果良好．

1 UV-B 智能控制系統設計

1．1 硬件部分

溫室中的照度及其均勻性是影響日光溫室生產力的重要因素［7］． 為此本系統光源采用UVBF8T5 熒光燈管，并以0．13mm 的醋酸纖維素膜濾掉UV-C．系統硬件示意圖如圖1 所示，分為棚內終端控制系統和基站系統，均以51 單片機作為MCU．棚內終端控制系統負責室內外UV-B 檢測，溫濕度數據處理，輸出顯示，UVB 燈管照度控制，905 模塊無線通信，掃描鍵盤等．基站負責與各個棚內子系統通過905 進行通信，同時與電腦進行通信．電源總線部分串接一個2 通道常開繼電器，用于控制UV-B 燈管正負極同時通斷，繼電器通過單片機一個引腳驅動來控制．當系統未工作時，處于斷開狀態;反之處于閉合狀態．只有當燈管處于閉合狀態下，控制部分才能實現對燈管的照度控制． 燈管控制部分主要通過單片機一個端口輸出一定空占比PWM波，放大后驅動由本團隊自行研發并取得國家專利的光控變阻器［8］輸出連續的電流信號，將其輸入到電子鎮流器中實現對燈管由5%照度到95%照度的控制，采用此光控變阻器可實現UV-B 燈管照度控制連續，不間斷．

圖1 硬件設計構造圖Fig．1 The design of hardware structure

此外，為了實驗結果更具可靠性，實驗過程中電源穩定，燈管照射均勻，空氣通風，燈管累計功率不宜過大等都是必要的因素［9］．

1．2 軟件系統

本單片機系統內包括單機模式和聯機模式，均有恒定和動態UV-B(室外同步UV-B)兩種控制模式．單機模式是每個溫室里面的控制系統手動設置，相互獨立運行，不受到主機控制．聯機模式是指通過電腦遠程自動控制，只需在電腦上設置控制參數即可．恒定UV-B 模式指設定需要的恒定UV-B 值，系統就可以讓溫室內的UV-B 一直恒定維持在這個數字．室外同步UV-B 則指溫室內的UV-B 值將隨室外的UV-B 值按照設置的比例大小動態變化．大棚內終端主要通過while 函數不斷掃描是否有電腦指令發送過來，并且將本大棚內的各種采集數據按照一定協定發送出去．電腦與大棚之間的基站主要通過while 循環下不斷掃描電腦發出的指令并且按照要求接收大棚終端發送過來的數據并傳送給電腦．

圖2 控制軟件界面Fig.2 The interface of control software

電腦軟件控制界面主要由操控部分(圖2 中的1)，數據顯示部分(圖2 中的2)和其他設置構成(圖2 中的3)．操控部分設置三個子系統的工作方式，控制比例或者恒定數據大小以及采集周期．數據顯示部分由表格和曲線圖構成，表格顯示最近五次采集的數據，曲線圖顯示最近30 組室內外UV-B 數據變化曲線．其他設置部分包括系統注冊、com 口設置、文本數據查看、調用按鈕等．工作時依靠按鈕觸發事件，對設置的命令參數按照一定協定由串口發送給基站，同時時刻監測串口發送過來的數據．由串口觸發事件對接收到的數據經行分割、處理及保存．

2 照度分布

系統采用燈管照射模擬陽光的效果．如圖3 所示，E 表示照度，H 是燈管上面任一點光源，G 是受光點，M，N 分別是發光點元H 和受光點元G 的法線方向，L 為發光點元亮度(L 為常數，與燈管長度、功率、發光效率等有關)，n 為燈管個數．推導可得到水平面G 點總照度公式為［10］:

以上計算出了線光源在一定高度為z 的受照面內任一點G 的照度．通過改變高度z 可比較不同高度的照度變化情況．以下對不同高度下對培養室內的照度進行分析．

部分實驗參數為:UV-B 燈功率為15W，發光效率為50Lm/w，燈管高度z 為1．5m，燈管長度l 為0．8m，燈管間距a 為0．2m，受照面積邊長為0．6m 的正九邊形．根據受照面大小確定x 方向兩端的坐標為x =0 和x=0．8，y 方向兩端的坐標為y=0 和y=0．8．選取受照面內的81 個點帶入式(1)，對z=1．5m 受照面照度計算，經繪圖處理，得到照度分布情況，如圖4 所示．

圖3 燈管照射模擬Fig.3 Tube simulation irradiation

圖4 高度z=1.5m 的照度分布Fig.4 The distribution of illumination with height z=1.5m

從圖4 中可以看出，數據具有軸對稱，表明受照面的照度分布是以中心燈管在地面的投影為對稱軸的;此外，以區域中心為原點，呈一系列近似于同心圓的等照度區域，且中心區域照度最大，向外呈輻射狀逐漸均勻遞減．通過改變高度z，可以對不同高度的照度進行比較．

采用同樣的方法，可獲得z=1．4m 和z=1．3m 的照度分布圖，如圖5 所示:

圖5 高度z=1.4、1.3m 的照度分布Fig.5 The distribution of illumination with height z=1.4、1.3m

從圖中可以看出，受照面照度分布仍為一系列近似于橢圓的同心等照度區域，照度值隨高度的減小而增大;隨著高度的減小，中心等照度區域面積增大．

3 結 論

本文所研發的UV-B 智能控制系統具有功能多，穩定性好，照射均勻，照顧變化模擬性強，價位低等特點．在實驗過程中，可按照圖4 所示環形擺放作物，受光更均勻．本系統在大棚內進行一年多的跟蹤測試，證明實用性較高．

［1］ 劉 曉，賀俊芳，岳 明．熒光動力學方法研究光系統Ⅱ原初傳能過程對低劑量UVB 輻射的響應［J］．生物物理學報，2011，27(10):839 -840．

［2］ 李海濤，姚永軍，周曙東．可調式UV-B 自動控制系統的研制［J］．江西農業大學學報，2003，6(25):953 -954．

［3］ CALDWELL M M，FLINT S D． Stratospheric ozone reduction，solar UV-B radiation and terrestrial ecosystems［J］． Climatic Change，1994，28(4):375 -394．

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［7］ 杜震宇，謝秋紅，賈 蕾．日光溫室內太陽輻射照度分布的實驗研究［J］．太原理工大學學報，2010，41(4):372．

［8］ 曾體賢，黃 超．一種數字變阻器及控制電路:中國，ZL201320213902．4［P］．2013 -10 -23．

［9］ 葉軍安，尹德金，沈志強．引起紫外輻射照度計數值不一致誤差偏大等原因的探討［J］．計量裝置及應用，2011，增刊1:129 -130．

［10］ 田 鋒，楊體強，韓改利，等．植物培養架燈光照度分布理論與實驗［J］．內蒙古大學學報(自然科學版)，2008，39(4):23-24．