基于作物光照需求的溫室光調控系統

朱　舟，童向亞，鄭書河

(福建農林大學 機電工程學院，福州　350002)

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基于作物光照需求的溫室光調控系統

朱舟，童向亞，鄭書河

(福建農林大學 機電工程學院，福州350002)

摘要：針對傳統的溫室光照環境控制方法粗糙、易造成作物光照不足及能源浪費的問題，考慮作物生長對光照的需求，基于光合速率模型，分析環境溫度對作物生長光照需求的影響，推導創建了溫室補光模型；同時，應用無線通訊技術設計了一個基于作物光照需求的溫室光環境遠程控制系統，介紹了系統的軟硬件結構；最后，針對秋冬季節溫室環境在1天內的實際變化情況，對系統的光照調控方法進行驗證。結果表明：該方法能夠根據環境的實時變化采取不同的光照控制措施，既滿足作物生長的需求，又能更有效地利用能源。

關鍵詞：溫室；光照需求；補光模型；光調控系統

0引言

光照作為作物光合作用的能量來源，是影響作物生長的最關鍵環境因子之一，設計出合理的溫室光照控制系統是保證作物良好生長與避免能源浪費的有效手段。

傳統的溫室光照自動控制方法是采用定時長及固定補光上下限的方式進行光照控制，易造成補光不足及能源浪費。近年來，張海輝[1]、胡瑾[2]及劉曉英[3]等人針對目前的定光照度、定光質補光方式的不足，指出應根據植物對光照的實際需求進行補光，設計出了紅、藍光強度均可調的植物補光系統，為實現精確補光提供了硬件支撐。然而，如何根據植物光照需求進行溫室光環境控制系統的設計在國內外鮮有報道。針對該問題，本文基于光合速率模型分析環境溫度對作物生長光照需求的影響，推導創建了溫室補光模型，應用無線通訊技術設計了一個基于作物光合需求的溫室光環境遠程控制系統，并驗證了系統的光照調控方法，為溫室光照控制系統的設計提供一定的理論指導。

1作物的凈光合速率模型

凈光合速率是反應作物有機物積累量的一項重要指標，是反映作物光照需求的依據，可用單位葉面積的光合速率來表示。本文采用負指數模型[4]，表達式為

(1)

式中Pn(I) —葉片的凈光合速率(μmol/m2·s)；

Pm—最大光合速率(μmol/m2·s)；

α—表觀量子效率，即光響應曲線的初始斜率；

I—光合有效輻射，用光量子通量密度來度量(μmol/m2·s)；

Rd—暗呼吸速率(μmol/m2·s)。

其中，Pm是環境溫度的函數，表示為[5]

(2)

式中Pm(Topt)—最適溫度條件下的最大光合速率(μmol/m2·s)；

T、Topt、Tmax、Tmin—作物生長的環境溫度、最適溫度、最高溫度和最低溫度。

2基于光合作用的溫室補光模型

以作物光合作用的光照需求為依據，結合溫室內的自然光照強度，建立溫室補光模型是實現按需補光的基礎。

光補償點是作物光合作用與呼吸作用達到平衡時的光合有效輻射，是維持植物生存的最低光照強度。令式(1)中Pn(I)=0，可得到作物的光補償點ILCP，則

(3)

光飽和點是作物達到最大光合速率時的光合有效輻射，當環境中的光照強度高于作物的光飽和點時，作物的光合速率不再增加，甚至過強的光照會抑制作物的生長[6]，而且也會造成能源浪費。本文所采用的光合速率負指數模型不存在凈光合速率的極值點。因此，可設式(1)中當作物的總光合速率(即Pn(I)+Rd)達到99%的最大光合速率Pm時，對應的光合有效輻射為作物的光飽和點ILSP，則可得到

(4)

由式(3)、式(4)及式中Pm與環境溫度的函數關系可知：作物的光補償點與光飽和點均是隨環境溫度變化的動態值，但其變化的程度各有差異，需做進一步分析。根據作物光合作用機理的研究成果[5,7]，上述式子中各參數取值如表1所示。

表1　補光模型中的相關參數

將式(2)分別帶入代式(3)、式(4)，可得到作物光補償點和光飽和點曲線，分別如圖1、圖2所示。

圖1　作物光補償點曲線

圖2　作物光飽和點曲線

由圖1可以看出：作物的光補償點在環境溫度較低和較高時會稍有變化。在環境溫度較低時，作物的光補償點較高，這是由于溫度的不足需要較多的光照作補償，以維持作物暗呼吸的需求；當環境溫度逐漸升高時，作物的光補償點基本上不再變化；而當環境溫度過高時，作物的光補償點再次升高，這是由于作物的光合作用受到抑制，需要增加光照進行補償。

由圖2可以看出：作物光飽和點隨溫度的變化非常明顯。當環境溫度過低時，作物不能正常光合作用，光飽和點為零；隨著環境溫度的升高，作物的光飽和點增大，是由于作物的光合速率加快，需要更多的光照才能使光合速率達到最大值；而當環境溫度高于作物生長的最適溫度(28℃)后，隨著溫度的升高，作物的光飽和點反而降低，這是因為過高的溫度對作物光合作用的抑制。

對比圖1、圖2可知：作物的光飽和點隨環境溫度的變化非常明顯，而作物光補償點基本上比較穩定，其最大值和最小值之間的差值ΔI不超過40μmol/m2·s，相對光飽和點的變化情況，其變化可以忽略不計。

綜上分析，作物光合作用需要的光照強度隨環境溫度的變化而變化，而且主要體現在作物光飽和點的變化上。因此，在溫室光照環境控制中，應根據當前環境溫度的動態變化計算出作物的光補償點和光飽和點，求出作物光飽和點與環境中光照強度的差值用于控制溫室內光照強度，使其維持在既適宜作物生長又不造成浪費的范圍內，即ILCP

Imax=ILSP-I

(5)

3基于補光模型的光照控制系統

3.1系統結構

本系統是基于無線通信技術的溫室光照環境智能控制系統，由位于控制室內的上位機和位于溫室現場的下位機系統兩個部分組成，結構如圖3所示。其中，上位機與下位機之間的通信是由上位機接入因特網，再通過GPRS服務器接入GPRS網絡與下位機的主控節點實現通信。在下位機中，主控節點與各終端子節點間的通信則是通過基于ZigBee協議組建無線傳感器網絡實現，無線傳感器網絡采用星型拓撲結構。

圖3　系統結構示意圖

3.2硬件設計

3.2.1主控節點設計

主控節點采用模塊化設計，包括電源模塊、核心控制器模塊、 ZigBee模塊、GPRS模塊、顯示模塊、按鍵模塊及預警模塊，結構如圖4所示。

圖4　主控節點電路結構圖

其中，主控制器采用STC15F2K60S2單片機，負責協調各個模塊之間的工作和系統的數據處理等相關操作；ZigBee模塊以CC2530為控制器，負責組建無線傳感器網絡，并與終端子節點進行通訊；GPRS模塊采用SIM900A模塊與上位機間實現遠程通訊；液晶顯示采用LCD1602模塊，用于顯示當前環境中的溫度、光照強度信息；按鍵模塊包括了4個按鍵，即設置鍵、確認鍵及2個方向鍵，用于手動調整系統參數；預警模塊包括指示燈和報警蜂鳴器，可在系統出現故障時及時報警。

3.2.2監測節點設計

本系統的n個監測節點按照監測要求均勻布置在溫室作物栽培區內，負責定時對當前環境的溫度、光照強度進行采集處理并發送給主節點，電路結構如圖5所示。監測節點采用模塊化設計，包括電源模塊、以CC2530為主控芯片的ZigBee模塊、信號預處理模塊及相應的傳感器模塊。其中，光照傳感器采用的是BH1750FVI的集成模塊，溫度傳感器采用DS18B20模塊。

圖5　監測節點電路結構圖

3.2.3控制節點設計

系統的控制節點包括了1個遮陽節點和n個補光節點，結構如圖6所示。采用模塊化設計，包括了電源模塊、主控模塊、驅動模塊及相應的執行模塊。以CC2530為主控芯片的ZigBee模塊負責接收主控節點發送的控制指令，通過BP2808模塊驅動相應的執行設備工作，并將設備執行結果信息反饋給主節點，然后進入睡眠模式等待下一個喚醒指令。其中，執行設備包括了補光燈和遮陽卷簾機。

圖6　控制節點電路結構圖

3.3軟件設計

本系統的軟件包括了上位機軟件、主控節點軟件、監測節點及控制節點的軟件。人機界面采用VB程序編寫，包括了通訊模塊、數據處理模塊和顯示模塊等。下位機中各個節點的軟件采用C語言編寫及對ZigBee協議棧進行移植開發。限于篇幅，本文只對主控節點的軟件設計做簡單介紹。

系統主控節點的程序流程如圖7所示。主節點上電后，首先對系統進行初始化并自動組建網絡，允許子節點的入網請求。然后主節點會在無線通道中讀取數據并分析數據類型：若為無關信號，則重新讀取；若為子節點的入網請求信息，則讀取子節點的編號，辨別出是監測節點還是控制節點，并將其加入控制列表，繼續讀取和分析無線通道中的數據。

圖7　主控節點程序流程圖

若為控制節點反饋的執行信息，則記錄并判斷控制節點的執行結果是否成功：若為不成功信息，則記錄該節點的失敗次數，當某一節點的失敗次數達到設置的閾值就會觸發報警系統，若未達到閾值則重新發送控制指令；若為執行成功的信息，則將失敗次數清零，然后繼續讀取和分析無線網絡中的數據。

若為監測節點發送的監測信息，則判斷當前環境是否滿足作物生長的需求，如果滿足，則維持現狀，并將之前收到的信息發送給上位機系統；若當前環境不滿足作物生長的要求(即光照不足)，則調用補光模型計算出需要的補光量，并制定光照調控方案，通過編碼后將控制指令發送給控制節點；然后將之前接收到的信息、做出控制和控制節點反饋的相關信息都發送給上位機；最后，系統將重新讀取無線通道中的數據進入下一個循環。

為了保證LCD顯示亮度的均勻性，顯示部分的程序放在了定時器的中斷服務程序里面，而系統的參數設置程序由外部中斷負責。當主控節點的設置鍵按下或上位機有修改參數的指令發送過來時，系統將轉入外部中斷服務程序完成相應的參數修改。

4系統調控方法驗證

針對秋冬季節溫室環境中的氣溫在某一日內的實際變化情況[8]，得到一天內作物光飽和點的變化曲線如圖8所示。由圖8可知：一天內的不同時刻作物的光飽和點值在不斷變化，反映出作物對光照需求的變化，因此必須采用不同的光照控制方案。

圖8　1日內作物光飽和點的變化曲線

根據上述作物光飽和點的變化結合當日溫室內自然光照的變化情況，對系統的調控方法進行仿真驗證，結果如圖9所示。

圖9　系統的調控方法的仿真結果

具體分析如下：0:00-8:00，雖然溫室內光照強度微弱，但由于環境溫度較低，不適合光合作用，因此不進行補光；8:00-13:00，隨著保溫被的收起，自然光照強度和環境溫度都逐漸升高，但環境中的自然光照強度始終高于作物的光飽和點，因此無需補光；13:00-16:00，自然光照逐漸減弱，環境溫度繼續升高到15:00后開始降低，但作物的光飽和點已達到最大值，因此基本上不再增加，甚至由于光合作用受到較高的環境溫度的抑制而稍有下降，此時環境中光照強度仍高于作物的光飽和點不進行補光；16:00-18:00，隨著氣溫和自然光照強度的繼續下降，環境中光照強度開始低于作物的光飽和點，開始對溫室環境進行補光；18:00-23:00，隨著夜幕的降臨和保溫被的遮蓋，溫室內自然光照強度降為零，而溫度下降速度開始變慢，作物光飽和點不為零，需進行補光以延長日照時長；23:00之后，環境溫度降低至不再適合作物光合作用，不再進行補光。

由此可見，即使在同一自然光照強度下，由于環境溫度的不同造成作物光照需求差異，本系統將根據環境的變化采取不同的光照控制措施，這種光照控制方法既能滿足作物生長的需求，又能更有效地利用能源；而若采用固定補光上下限的方法控制光照強度，必然容易造成補光不足或浪費。

5結論

從環境溫度對作物生長光照需求影響的分析結果可以看出：作物生長對光照強度的需求隨環境溫度的變化而顯著變化。因此，在溫室光照環境控制中，應當根據不同環境溫度下作物對光照的實際需求進行光照控制，避免造成補光不足和能源浪費。仿真驗證表明：本系統采用基于作物光合需求的光照調控方法，可以隨著環境溫度的變化，根據作物生長的實際光照需求進行合理的光照控制；該方法既能滿足作物生長的需求，又能更有效地利用能源，為溫室光照控制系統的設計提供了一定的理論指導。

參考文獻：

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Light Regulation System for Greenhouse Based on Light Requirements of Crops

Zhu Zhou， Tong Xiangya， Zheng Shuhe

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Abstract：Based on the photosynthetic rate model considering the light demand of crops, the influence of temperature on illumination requirements for crops’ growth was analyzed, and then the light supplement model of greenhouse was established. A remote light environment control system for the greenhouse based on the light needs of crops was designed apply with the wireless communication technology. The lighting regulation method of system was tested according to the change of greenhouse environment in a day in early winter. The simulation results demonstrated that this method can take different lighting control methods on the basis of the change of the environment, and that it cannot only meet the need of plants growth but also can help to make use of energy efficiently.

Key words：greenhouse; light requirements; light supplement model; light regulation system

文章編號：1003-188X(2016)02-0192-05

中圖分類號：S625.5+1

文獻標識碼：A

作者簡介：朱舟 (1987-)，男，福建莆田人，碩士研究生，( E-mail)zhuzhoumail@163.com。通訊作者：鄭書河(1976-)，男，福建三明人，副教授，博士，( E-mail)zshld1998@163.com。

基金項目：福建省科技重大專項(2014NZ0002-2)

收稿日期：2015-01-22