基于植物專家系統的智能LED光照控制系統設計

范　瑋，程予任，孟昭閣，劉　濟

(華東理工大學信息科學與工程學院，上海 201424)

0　引言

光照是植物生長至關重要的條件。光環境不僅影響植物的光合速率，還參與調節植物每個生長階段的生理過程。因此，光照控制系統的創新尤為重要。

當前，國內的植物工廠普遍通過遮蓋或開關光源來調控光環境。這些方法不僅無法調控各波長光的發光強度和比例，還存在部分光譜被浪費、光譜匹配不理想、光能利用率低等缺點。此外，工廠大多使用的是高壓鈉燈等傳統光源，屬于熱光源。其大量產熱使環境溫度升高，降低了實際經濟效益。LED光源波長范圍窄、光譜可調性好，可以組合出更適宜植物生長吸收的波長。同時，冷光源LED體積小，可以實時使用不同波長組合的光，分別對不同位置進行多種方式的照射，如點照射、面照射、大面積補光等，對植物生長發育有顯著的促進作用。

目前，僅少數國家研發成功先進的光照控制系統，例如基于嵌入式CPU改變輸出脈寬調制(pulse width modulation，PWM)占空比來調節補光燈的亮度、采用無線傳感器網絡技術進行遠程監控等[1]。日本第一座自動控制植物工廠于1974年問世，至1998年其已有該類型的植物工廠近40個。美國以垂直農業模式和LED創新應用推動該技術[2]。歐洲則主要由飛利浦、PlantLab等大公司以及Greenhouse Horticulture Team科研所等合作開展LED立體栽培和溫室補光的示范試驗。

如何有效進行光環境調控的問題引起了許多學者和企業家的高度重視，已成為研究熱點。現有研究大多集中于溫濕度環境參數調控和周期補光[3]，如：集裝箱植物工廠自動控制系統采用順序控制進行營養液循環和LED定周期補光[4]；基于無線傳感器網絡的智能生態保障系統可以調控植物生長的水環境[5]；植物園無線網絡智能管理監測系統可以智能控制園內照明[6]。當前，該領域大部分光環境調控研發方案和產品仍采用定光強、定光波長比的光照方式[7]，很容易造成光照不足和光照過度的現象。國內具有自主知識產權的智能LED光照自動控制系統的研發基本還是空白。

1　植物光照控制專家知識

光是植物生長發育所需要的主要環境因素，其主要通過3個參數影響植物生長，即光質、光照度和光周期[8]。

1.1　光質對植物生長的影響

光質即光的波長，它既能作為一種能源控制光合作用，又能作為一種觸發信號影響植物的生長。葉綠素是影響植物光合作用的重要色素，植物的葉綠素a、b在紅橙光和藍紫光波段有兩個吸收峰。

不同波長的光對植物的生長發育、種子萌芽、開花結果及形態建成等方面的影響各不相同。光譜范圍對植物生長的影響如表1所示[9]。

表1　光譜范圍對植物生長的影響Tab.1　The effects of spectral range on plant growth

自然光輻射的光譜不能被植物全部吸收。植物主要吸收波長為595～700 nm的紅橙光和370～435 nm的藍紫光[10]。研究表明，紅橙光對葉綠素的形成及碳水化合物的合成起重要作用；藍紫光則對蛋白質合成有重要作用，且紫外線有利于維生素C的合成。合適的紅光與藍光的光通量之比(即R/B)是確保培育出形態健全植株的必要條件。

根據不同植物的生長特性及其生長發育的需求，可以選擇不同的B/R。2007年，魏靈玲等進行了黃瓜育苗試驗，發現在B/R為7∶1時，黃瓜苗的各項生理指標最優[11]。2015年，楊維杰等進行了鐵皮石斛培育試驗，發現在紅藍比為1∶1時，可以有效縮短鐵皮石斛播種階段的生長時間；而在紅藍比為4∶1時，鐵皮石斛多糖含量較高，可以有效提升鐵皮石斛的品質[12]。

紅藍光質比的選擇要依據具體植物所需的生長條件，如生菜要選擇刺激提高莖葉質量及產量的補光方案，可以適當增加藍光比例；西紅柿要選擇刺激其開花結果的補光方案，可以適當增加紅光比例。植物生長發育中對不同波長光配比的需求可以由不同顏色的LED組合滿足。

1.2　光照度對植物生長的影響

光照度對植物生長發育的影響程度，因植物的種類特性而各不相同。植物可根據光照度影響效果分為陽生植物、陰生植物及中生植物。植物的光響應曲線如圖1所示。

圖1　植物光響應曲線Fig.1　Light response curve of plant

由圖1可知，光合速率隨著光照度的增大將不斷上升，直至光飽和點。A點為光補償點，表示當植物光合速率隨光照度的下降而降低時，植物光合作用制造和呼吸作用吸收的有機物達到平衡狀態的光照度。B點為光飽和點，表示光合速率不再隨光照度上升而提高時的光照度。通常，陽生植物的光補償點較高，陰生植物光補償點較低。光照度會影響植物的生長發育、結構特征、花芽分化以及果實產量。不同植物對光照度的需求不同，只有選擇合適的光照度，才能促進植物良好生長。

1.3　光周期對植物生長的影響

植物對光照時間的需求各不相同，可以分為短日照、長日照和中日照這3類。查閱相關資料發現，光周期對長日照植物影響顯著。若光照時間不足，植株花芽的形成會受到抑制；而長日照條件，則能使植株持續健康生長。不同植物對光照時間的不同需求可以通過LED光照控制系統來實現。

2　控制系統總體設計

目前，國內大部分研發方案和產品未考慮到一個重要因素，即不同植物在不同生長階段的需光量及光輻射波長存在差異。因此，這些研發方案和產品沒有真正意義上解決核心問題，即采用自動控制技術來實現低能耗、精準化的補光問題。故本文設計的光照控制系統引入植物專家系統，根據植物專家已有的研究結果，獲取不同階段的最適光照經驗數據，并通過調節LED光源的三色光波長配比、光照度和光照周期，實現植物的最適光環境調控，從而保證植物一直處于最佳生長狀態。該系統的優點在于調節精度高，適應性強，便于用戶操作。當栽培植物的品種發生變化時，系統可以通過人機界面或控制器按鍵靈活地改變系統參數，將植物生長環境調節到最適光環境，減少了控制設備變更的投入，節省時間，提高了生產效率。控制系統總體結構如圖2所示。

圖2　控制系統總體結構圖Fig.2　The overall structure of control system

控制系統采用模塊化設計，包括主控制器單片機、人機交互模塊、檢測模塊、異步串行通信模塊、報警模塊、LED發光模塊以及電源模塊。其中，檢測模塊包括光照度測量電路和溫濕度測量電路。異步串行通信模塊包括RS-232/485通信光電隔離模塊、MAX232串口通信模塊以及在線編程程序下載電路。LED發光模塊包括光耦合PWM輸出隔離電路、PWM驅動電路以及LED發光模塊。控制系統軟件包括單片機系統軟件和上位機系統軟件。系統具備上位機、主控制器聯機控制和下位機自動控制這2種控制模式。此外，僅LED光源通過PWM控制的方式實現連續控制，其他設備均通過電磁繼電器實現開關控制。

2.1　人機交互模塊

上位機實現基于植物專家系統的光照度和各色光波長配比的設置，并顯示監測結果，采用鍵盤輔助設備進行參數調整。

植物專家系統由知識庫、推理機、綜合數據庫、知識獲取這4個部分構成。首先，將植物專家試驗分析得到的、關于植物生長最適光照度的知識存儲在知識庫。然后，推理機針對當前不同植株的不同生長時期，利用系統已有的專業知識獲取相應數據，并采用逆向推理反復匹配知識庫中的規則，得到光照的最適值。推理過程中所需的原始數據、中間結果和最終結論，暫時存儲于綜合數據庫。此外，通過知識獲取擴充、修改知識庫中的內容。

2.2　檢測模塊

檢測模塊實時檢測紅、藍和紅外光的光照度及環境溫濕度，對檢測信號進行處理后將其傳入單片機，實現對溫濕度、光照數據的采集。

光照度檢測要求光照度傳感器瞬時檢測3種光單色的光照度，可采用兩種檢測方案：①在普通光照傳感器基礎上加濾鏡，分別用3個傳感器檢測3種光的光照度，共同組成系統所需光傳感器；②采用1個傳感器，通過單片機控制不同LED的關閉，檢測當前單色光光照度。此外，植物生長光照模塊包含了可見光和紅外波段光的測量模塊。在紅外頻段測量時，要求檢測紅外波長的傳感器能夠檢測450～700 nm波段的光譜，從而保證檢測模塊測量值的準確性。溫濕度檢測采用可以同時檢測溫度和濕度的數字傳感器，要求可檢測溫度范圍為0～50 ℃(精確度為±1 ℃)、濕度范圍為20%～90%(精確度為±4%)。為了避免數據傳送時出現沖突，在數據輸出端接上拉電阻。

2.3　報警模塊

報警模塊包括聲音報警和LED燈光報警。當系統檢測到溫度、濕度等參數超過警戒值或發生錯誤時，系統發出控制信號驅動LED燈光報警和聲音報警，提醒操作者進行相關處理，直到系統復位鍵被按下，停止報警。在打開LED 紫外線燈進行滅菌操作時，聲光報警提醒人員離開。

2.4　LED發光模塊

LED發光模塊采用三路恒流驅動電路。該模塊利用PWM控制技術，分別控制紅、藍、紅外三色LED光源的發光亮度，得到與植物專家系統匹配的、最適宜植物生長的3種光的單色光照度，以及最適配比的光環境。

本光照控制系統的軟件包括單片機系統軟件和上位機系統軟件。單片機軟件采用循環掃描的方法讀取各光照和溫濕度傳感器采集的數據，并進行運算。在聯機模式下，單片機與上位機之間通過串口中斷程序實現通信，單片機打包傳感器數據上傳至上位機，并接收上位機發送的控制信號，輸出給光照驅動模塊和溫濕度控制設備。在單機模式下，單片機根據傳感器檢測數據和內置設定值的偏差，進行控制運算，并自動向各控制設備輸出控制信號。上位機軟件系統主要實現植物專家系統、現場數據監控與處理、人機交互操作、串口通信和全系統控制等功能。其中，數據監控和處理功能是將環境參數以動態數據、曲線、表格等各種方式實時顯示并存儲，而且可自動超限報警。

3　光環境和溫濕度控制方案

3.1　光環境控制方案

光環境控制方案采用閉環自動控制系統。該系統由兩部分組成，一部分是植物專家系統所得控制信號的正向通路，另一部分是光照傳感器所得檢測信號的反饋通路。該系統實現了對3種光單色光照度及配比的實時檢測和控制。以紅光光照度控制為例，光照度控制方案如圖3所示。藍光及遠紅外光的控制方案類同。

圖3　光照度控制方案Fig.3　Control scheme of illumination

在主控制器自動控制模式下，植物專家系統需預先設定該時期植物生長最適合的3種光的單色光光照度值以及比例。單色光傳感器實時檢測紅、藍和紅外光的單色光光照度，由單片機采集到光照度的數字信號后，將當前的采樣值通過串行通信傳送給上位機。當光照度高于或低于其設定值時，根據設定值與實際值偏差，計算出控制量并下傳到單片機，由單片機分別產生對應的PWM控制信號，計算對應PWM控制信號的占空比；通過三路LED控制電路，調整LED發光模塊中各單色光輸出的光照度及三色光比例。該方案可根據植物的需求，調節光波長配比，滿足單位面積上光合作用所需的照度值。

3.2　溫濕度控制方案

單片機通過溫度傳感器實時對溫度進行檢測，根據控制要求打開或關閉加熱源。若溫度過高，還要考慮開啟冷風機，從而實現溫度自動控制，使植物溫室保持在最適宜的溫度。溫度控制方案如圖4所示。濕度控制方案與溫度控制方案相似，但執行器為電加濕器與除濕機。

圖4　溫度控制方案Fig.4　Control scheme of temperature

4　結束語

光環境對植物生長有重要的影響。由于目前國內的光環境控制系統較為落后，所以在LED飛速發展的背景下研究光環境控制系統有著重要的意義。本文設計的、基于植物專家系統的智能LED光照控制系統，選擇紅、藍和紅外光三色LED組成發光模塊控制植物的光照環境；基于單片機，運用植物專家系統實時設定最適宜的各色光照度配比，采用閉環自動控制的方法，可實現光環境的低能耗、高精準自動調節以及環境溫濕度的自動控制，從而達到在惡劣條件下自動控制植株形態建成和生長發育的目的，帶來了良好的經濟效益。經軟、硬件聯合調試，該控制系統運行良好。

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