育苗溫室幼苗生長調節光照調控系統的設計

史小燕 申寶營 陳燁強

摘要 針對光照光質、光照強度以及光照時間對幼苗生長發育的影響，提出結合幼苗不同生長階段、特定光質補光與定時長定量決策的精確補光方法，設計了依據作物生長階段、生長狀態以及培育目標自適應精確補光的光照調控算法。以單片機為控制器，設計了光質可調、可定時定量的LED精確光照調控系統，可根據幼苗生長階段、生長狀態，結合幼苗形態調整補光決策確定補光光質光量和時長，通過PWM調整LED輸出光質光強。測試試驗結果表明，該系統可滿足作物不同生長階段對不同光質光量的需求，并可根據不同培育目標、不同生長狀態，及時調整補光策略。該系統的自適應光質光量時長可調的特點能夠滿足對幼苗形態調節補光的需求，相對傳統光源改善了光照環境，提高了能源利用率。

關鍵詞 LED;PWM;光質;光周期;光強;幼苗形態

中圖分類號 S625.5+2文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）11-0204-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.059

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract According to the influence of light quality，light intensity and photoperiod on seedling growth and development，a lighting method which fit to various terms of seedling was proposed.The adaptive light control algorithm adapting to the term of plants，growth status and growth target was put forward.Using a single chip as the central control unit，the LED light system which can regulate the light quality，light quantity and lighting time was designed.This system could control LED light outputting specified light quality and light intensity by the single of PWM based on the decision of lighting for the term of seedling，growth status and seedling morphology.The results of the test showed that the system could satisfy the light demand of different term of plants，and could modify the lighting tactic for different targets.This system could satisfy the light demand for the regulation of seedling morphology and improve the light environment and save energy compared to traditional light.

Key words LED; PWM; Light quality; Photoperiod; Light intensity; Seedling morphology

基金項目 福建省教育廳中青年教師教育科研項目（JAT170774，JAT170161）;福州市科技計劃項目（2017-N-40）。

作者簡介 史小燕（1987—），女，河南長葛人，碩士，工程師，從事建筑環境調控、農業電氣化研究。*通信作者，男，河南民權人，博士，講師，從事設施園藝環境調控研究。

收稿日期 2019-01-14;修回日期 2019-01-28

光照是調控植物生長發育的重要環境因素之一。光照不僅是植物光合作用的能量來源，同時也是植物生長調節以及光形態建成的信息源[1]。光質、光強、光周期都通過植物感光受體影響植物發芽、幼苗生長發育以及光形態建成[2-5]。目前人工補光技術在植物育苗中得到越來越多的研究與應用[6]。發光二極管（lighting-emitting diodes，LED）與傳統光源相比，具有光質純、波長類型豐富、壽命長、發光效率高、發熱少、易于組合控制的特點，可實現LED光源精確調控光照對植物進行培養[7]。傳統光源通常采用固定光照方式進行補光，光質比例以及光照強度均不能根據植物不同需求改變，補光效率低下。現有LED光源多采用2～3種光譜簡單組合、光強和光質比例不變的方式進行補光[8-9]，此種補光光源不能滿足植物對不同光質和不同光強的需求。劉曉英等研制了光譜柔性可調的LED光源以及可調光質精確補光系統，可實現多光譜柔性調控，并可根據環境實現精確調光，進行光合補光[10-11]。筆者在分析不同作物幼苗時期對不同光照響應的基礎上，提出精確調節光質補光方法，設計了幼苗形態調節LED補光系統，旨在提高補光效率、調控幼苗形態、降低能耗。

1 幼苗光形態調節補光分析

植物幼苗的形態發育與光照、溫度等環境因素密切相關。研究表明，植物主要吸收波長為610～720 nm的紅橙光和400～510 nm的藍紫光，因此，光照調節主要是集中對這2個波段的光照進行調節。 研究發現，單一或組合LED光質可以調控植物的形態建成和光合作用，藍紅光組合能夠促進植物幼苗的生長發育[12]。光質對不同生長時期植物的影響不同，相同光質在一個生長時期對植物生長有促進作用，而在另一生長時期卻表現出抑制作用。因此，與不同生長時期植物形態生長發育相適應的光照調控方法，主要包括植物形態調節中特定波長光強、植物生長階段監測以及特定生長時期補光光質和光量的決策方法。

1.1 信息檢測

檢測環境信息是實現自動開啟定量補光的基礎條件，可根據對植物生長時期和生長形態的檢測調控補光光質比例、補光時長和補光量。根據植物對光照的吸收波段范圍，選擇對400～720 nm波段響應的光照傳感器，實現對光照的實時檢測，同時加入溫度檢測模塊，一方面根據環境實時溫度判斷補光與否，另一方面根據補光模塊溫度判斷是否需要對光源進行降溫。這一方法不僅可提高光能利用效率，也可避免在不良環境條件下補光不當造成損害。

1.2 LED光源波段選擇

紅光和藍光是植物色素吸收最多的2個光照波段，不僅對作物的光合作用有著重要的影響，對植物形態結構、植物高度、葉綠體基因表達、莖桿生長發育、氣孔開度以及光周期的調節也起著重要作用[13]。綠光對植物形態發育和調節也起著一定的作用，并在一定程度上與紅光和藍光有著相反的作用[14]。植物色素對藍光和紅光的吸收峰分別在420～475和625～643 nm 2個波段，為此選用中心波長為450 nm、半波帶寬度為±20 nm的LED作為藍光光源，中心波長為630 nm、半波帶寬度為±20 nm的LED為紅光光源，選用中心波長為520 nm、半波帶寬度為±20 nm的LED作為綠光光源。幾種光源組成的光照波段范圍能與植物色素吸收光譜的范圍相適應。

1.3 光照調控決策

研究發現，不同光譜范圍對植物生理影響不同，植物對光質比例以及光量的需求在不同生長階段亦有明顯差異，植物形態發育會因光質比例、光強以及光照時間的差異而產生較大差別。固定光質、光強和光照時間的補光模式無法實現植物不同生長階段對光照需求的差異性，補光系統應營造出滿足植物需求的光環境，以達到調控植物生長的目的。筆者提出適應不同光照需求的光照調控決策方法，可根據植物各階段形態發育需求設置不同的補光目標參數，并根據環境參數計算各光質補光值，以此控制補光裝置的光照輸出，實現按需補光的工作模式。

2 光照系統調控分析

光照調控原理是根據用戶預先設定的溫度、光照、植物生長階段、目標生長狀態，動態采集溫度、光照以及植物生長狀態3類參數，通過分析當前值和目標值之間的差異，計算紅、藍、綠光的需求量以及補光時間，實現以用戶預設值為目標的受控LED燈的自動控制功能。光照系統調控邏輯如圖1所示。

3 LED光照調控系統設計

根據對LED光源的選擇以及LED光照調控系統算法的調控分析，設計了一套LED光照調控補光系統，可實現對植物形態發育影響因子的監測、特定波長LED光照的控制。系統主要由電源模塊、環境光溫檢測模塊、LED補光模塊、單片機控制模塊、預警模塊、用戶交互模塊等組成。整體系統框架如圖2所示。

3.1 電源模塊

通過外部電源得到12.0 V直流電，利用LM317及其外圍標準電路進行穩壓變壓后輸出穩定電壓120和3.3 V，為控制模塊、用戶交互模塊以及監測和預警模塊提供3.3 V電壓，為補光模塊提供12.0 V電壓。

3.2 用戶交互模塊

用戶交互模塊由液晶顯示屏和2×4矩陣鍵盤組成，用戶可根據不同作物，設置不同階段、不同生長狀態的目標光照參數。系統可進行多種作物多個生長階段不同生長形態參數的設置存儲管理，提高了靈活性和實用性。

3.3 檢測模塊

檢測模塊包括光照度傳感器和溫度傳感器，分別檢測環境光照和溫度。當環境光照低于設定值且溫度在設定范圍內時，補光裝置開啟。另外設置溫度傳感器對補光裝置進行溫度檢測，當裝置溫度過高時，報警采取降溫措施，保證補光裝置的正常運轉。

3.4 補光模塊

采用多組智能恒流IC驅動電路，利用脈寬調制（PWM）調控技術分別控制紅光、藍光和綠光LED燈組的亮度。采用額定功率0.2 W和中心波長分別為630、450、520 nm的窄帶紅、藍、綠光LED，分別通過串聯方式組成紅、藍、綠光LED陣列。根據不同植物對不同光譜光照需求量的不同，每個補光燈組包含若干同色LED陣列，補光燈最大輸出應滿足最大補光需求。根據不同LED燈的額定電流修正驅動電路的調節電阻以保證占空比為“1”時LED輸出為額定功率。單片機PWM輸出信號和恒流IC的DIM腳相連，以使單片機的PWM信號能夠通過調節占空比調控恒流IC輸出電流而使LED亮度在零到最大值之間變化。

3.5 控制模塊

選用工作電壓2.0～3.6 V的STM32F103單片機作為核心處理器，3.3 V電源供電，內嵌512 kB的flash程序存儲器，32 kB的SRAM，并內嵌ARM核，可兼容ARM工具和軟件。采用STM32F103單片機減少了外圍電路，增加了可靠性，降低了成本。該單片機可以實現多路調控信號的輸出，適合該光照調控系統的頻率和占空比的調控。其中，PC1和PC2分別接入光照檢測信號和溫度檢測信號，PC6、PC7、PC8分別輸出紅光、藍光、綠光PWM信號。通過軟件計算3個波段補光量、補光時間和PWM占空比，定量控制補光輸出強度和時長，按植物需求精確控制補光量。

4 系統性能驗證

為驗證補光系統能否滿足不同環境下植物各生長階段對光照的需求，對該系統進行了室內驗證試驗。設定植物不同生長階段，改變環境光照和溫度，測量補光光照值并與設定值以及植物生長階段光照需求值進行比較，檢驗補光裝置能否在不同環境下滿足植物光照需求。試驗結果表明，在各種環境條件下，設定植物生長的不同階段，該補光裝置都能滿足植物形態調節對光照的需求，可以適應不同環境并根據不同培育目標對植物不同生長階段進行形態調節。

5 結論與討論

（1）在分析光照對植物形態發育影響的基礎上，針對不同植物在不同生長階段形態發育對光照環境的不同需求，提出了適應不同植物不同生長階段植物形態調節光照需求的光照調控方法。在此基礎上，采用STM32F103單片機作為控制模塊，開發了植物幼苗形態調節光照調控系統，實現了植物形態調節的精確光照調控。該系統可根據外界環境變化、植物不同生長階段、植物形態發育不同狀態以及不同調控目標精確調控光照環境，實現了不同植物形態的光照調節。

（2）由于該系統的植物形態檢測功能尚不完善，相關領域的研究有待進一步加強。

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