溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)的研究

歐志鵬 李延國 李建軍 趙紅星 孫雪嬌 黃雷 張航 任慧 楊眉 何禹

摘 要：溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽能光伏電池組件、植物栽培區(qū)域、單棟溫室、植物栽培光照控制器。植物栽培光照控制器包括植物種類確定單元、生長狀態(tài)收集單元、生長區(qū)域確定單元、波長確定單元、植物移動決定單元和一個數(shù)據(jù)庫。為解決了太陽光無法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長階段所需要的最佳光照條件，研究了一種溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能根據(jù)植物的種類和不同生長階段，提供植物生長發(fā)育的最佳吸收波長的光照，營造適宜生長的光環(huán)境，縮短生長周期，提高植物產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：溫室;植物;栽培;光照;波長;控制系統(tǒng)

中圖分類號：S-3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190730015

1 研究領(lǐng)域及背景技術(shù)

本文研究的是溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)，具體地說是根據(jù)植物種類和生長階段的不同，有效調(diào)控溫室植物栽培的一種光照控制系統(tǒng)，屬于設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

溫室植物光照控制系統(tǒng)可調(diào)控溫室植物內(nèi)部環(huán)境，保證溫室常年生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品而不受外界環(huán)境影響，如玻璃溫室、日光溫室等被廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)。溫室獲取光照多數(shù)是利用自然光透過玻璃或者塑料薄膜進(jìn)入溫室內(nèi)部，營造一個適宜的生長環(huán)境，保證植物的正常生長，進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)。

植物生長環(huán)境條件包括如光照強度、土壤溫度、土壤濕度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、二氧化碳濃度等，植物種類不同和不同生長階段所需要的環(huán)境條件也有所差異。一般情況下，植物的生長階段可分為發(fā)芽期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期等，所以可以根據(jù)植物的不同生長階段，對作物生長環(huán)境進(jìn)行控制，來提高作物的產(chǎn)量。

光照是植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素之一，許多試驗已經(jīng)證實根據(jù)植物的種類和不同生長階段，提供不同波長或波段的光照，對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生的影響各有差異。由于太陽光是不同波長的光組成的，并不會根據(jù)植物的種類和生長階段的變化需要而發(fā)生變化，因此為了促進(jìn)植物生長，縮短生長周期，可根據(jù)不同植物或同一植物的不同生長階段提供最佳波長或波段的光照。

2 技術(shù)特點

研究開發(fā)的溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)是根據(jù)植物的種類和不同生長階段，提供植物生長發(fā)育的最佳波長，營造適宜生長的光環(huán)境，縮短生長周期，提高植物產(chǎn)量，解決太陽光無法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長階段所需要的最佳光照條件，來改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

3 附圖說明

圖1中：1、2、3、4、5和6、可彎曲的透明太陽能光伏電池組件;7、8、9、10、11和12、植物栽培區(qū)域;13、單棟溫室;14、植物栽培光照控制器;圖2中15、植物種類確定單元;16、生長狀態(tài)收集單元;17、生長區(qū)域確定單元;18、波長確定單元;19、植物移動決定單元;20、數(shù)據(jù)庫;圖3中21、22、23、24、25和26、射頻識別標(biāo)簽;圖4中27、連棟溫室。

4 研究內(nèi)容

本研究的目的是為了解決太陽光無法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長階段所需要的最佳光照條件而開發(fā)的一種溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)。該光照控制系統(tǒng)能夠根據(jù)植物的種類和不同生長階段，提供植物生長發(fā)育的最佳波長，營造適宜生長的光環(huán)境，縮短生長周期，提高植物產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

下面結(jié)合附圖對所研究的技術(shù)方案說明如下。

溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽能光伏電池組件與植物栽培區(qū)域及植物栽培光照控制器。可彎曲的太陽能光伏電池組件安裝在單棟溫室的棚頂表面與植物栽培區(qū)域相對應(yīng)，每個可彎曲的透明太陽能光伏電池組件都包含一個染色敏化太陽能光伏電池，且擁有不同的顏色。植物栽培區(qū)域都對應(yīng)一個射頻識別標(biāo)簽，射頻識別標(biāo)簽用于植物種類信息以及相對應(yīng)的植物栽培區(qū)域信息。植物栽培光照控制器由植物種類確定單元、生長狀態(tài)收集單元、生長區(qū)域確定單元、波長確定單元、植物移動決定單元和一個數(shù)據(jù)庫組成。

植物種類確定單元用于確定植物的種類，生長狀態(tài)收集單元用于收集當(dāng)前植物的生長狀態(tài)信息，生長區(qū)域確定單元用于確定植物栽培區(qū)域的最佳吸收波長。波長確定單元用于確定植物的種類和當(dāng)前生長階段需要的最佳吸收波長。植物移動決定單元用于決定某一植物栽培區(qū)域內(nèi)的植物是否移動。數(shù)據(jù)庫用于存儲植物的種類和植物栽培區(qū)域及根據(jù)植物生長階段的最佳吸收波長的數(shù)據(jù)信息。

本發(fā)明的有益效果為：該光照控制系統(tǒng)能根據(jù)植物的種類和不同生長階段，提供植物生長發(fā)育的最佳吸收波長，促進(jìn)植物生長，縮短生長周期，提高作物產(chǎn)量。

5 具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對所研究的溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)的控制方法及實施方式作詳細(xì)敘述。

一般來說，植物有一種感光色素可以根據(jù)入射光的波長來調(diào)節(jié)植物的生長階段。植物生長階段所涉及的感光色素包括：葉綠素、類胡蘿卜素、花青素、植物色素等等。一個感光色素的最佳吸收波長葉綠素A是430nm和662～664nm，葉綠素B是453～460nm和642～647nm，類胡蘿卜素的最佳吸收波長為430～500nm和640～660nm。在光敏色素情況下，藍(lán)色最佳吸收波長是650～670nm，綠色最佳吸收波長是705～740nm，花青素的最佳吸收波長是530～540nm。因此，植物最佳吸收波長是隨著生長階段的不同而變化的。

此外，根據(jù)栽培的植物種類不同也有不同的生長變化模式。以萵苣為例，是在種子發(fā)芽后才需要營養(yǎng)來促進(jìn)生長，原因是當(dāng)萵苣進(jìn)入生殖生長階段（開花結(jié)實期）時，萵苣就失去商品價值了。然而，紅葉萵苣在進(jìn)入生殖生長階段時，則需要在紫外線的照射下才能使花青素顯現(xiàn)。與此相反，水果類蔬菜在進(jìn)行一段時間的營養(yǎng)生長后，才進(jìn)行生殖生長。另外，水果類蔬菜在進(jìn)入市場前，需要用紫外線對該區(qū)域進(jìn)行足夠的照射，才能使水果的顏色呈現(xiàn)的更加鮮艷。

如上所述，對植物所需的最佳吸收波長是隨著栽培植物的種類和植物的生長階段的不同而變化的。

參閱附圖1，溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了一個單棟溫室13、可彎曲的太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6和植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12及一個植物栽培光照控制器14。

可彎曲的透明太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6安裝在單棟溫室13的棚頂表面上，與單棟溫室13中的植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12相對應(yīng)。每個可彎曲的透明太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6能傳輸一定波長的太陽光，則相對應(yīng)的植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12內(nèi)種植的植物可以吸收傳輸過來一定波長的太陽光。

每個可彎曲的透明太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6都包含一個染色敏化太陽能光伏電池，且擁有不同的顏色。染色敏化太陽能光伏電池包括一個涂覆在透明基板上的太陽能透光性電極、一個催化計數(shù)器電極、一個涂覆在透光性電極和反電極之間填充的一種氧化/還原劑。透明基板能反射太陽光中紫外線或紫外線相類似的短波，未被反射的太陽光一部分透過太陽能電池進(jìn)入單棟溫室13，另一部分太陽光則被太陽能光伏電池吸收產(chǎn)生電能，作為溫室運行的輔助能源。進(jìn)入單棟溫室13植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12的太陽光波長取決于使用染色太陽能光伏電池的顏色，因此不同顏色的太陽能光伏電池能為不同栽培區(qū)域提供不同波長的光照。

植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12種植不同植物時，植物生長周期所需要的波長由可彎曲的透明太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6提供最佳吸收波長的光照。同理，同種植物在不同的植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12內(nèi)種植時，多個可彎曲的透明太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6可以提供植物不同生長階段的最佳吸收波長的光照。

參閱附圖2，植物栽培光照控制器14包括植物種類確定單元15、生長狀態(tài)收集單元16、生長區(qū)域確定單元17、波長確定單元18、植物移動決定單元19及數(shù)據(jù)庫20。其主要作用是根據(jù)溫室13中植物的種類和植物的生長階段，來確定某一栽培區(qū)是否要移動合適生長區(qū)域，接受最佳光照波長。

植物種類確定單元15可以從用戶種植的植物種類中獲得信息來確定植物的種類，并將有關(guān)植物種類的信息傳送到波長確定單元18。

植物生長狀態(tài)收集單元16包括一個傳感器，用于感測植物葉子的數(shù)量、大小等，確定各植物栽培區(qū)域的植物生長狀況的信息，確定每株植物的生長狀態(tài)，并將這些信息傳遞給波長確定單元18。

植物生長區(qū)域確定單元17把根據(jù)植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12中獲得的信息傳遞到波長確定單元18，用于確定植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12的最佳吸收波長。

植物波長確定單元18根據(jù)溫室栽培植物種類信息、植物栽培區(qū)域信息以及收集植物生長狀態(tài)信息確定植物需要的最佳吸收波長，最后又植物移動決定單元19確定是否對植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12內(nèi)的植物進(jìn)行移動。

植物移動決定單元19用于比較植物最佳吸收波長和當(dāng)前植物栽培區(qū)域的波長，然后確定是否對植物進(jìn)行移動。如果區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的植物的波長與波長確定單元18確定的最佳吸收波長不相同的時候，植物移動決定單元19決定移動植物到波長確定單元18確定的最佳吸收波長的區(qū)域。反之，如果提供給當(dāng)前植物栽培區(qū)域的波長在波長確定單元18確定的最大或者最小吸收波長范圍內(nèi)時，植物移動決定單元19決定不移動相應(yīng)植物。

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫20，用于存儲植物的種類、植物栽培區(qū)域和根據(jù)植物生長階段的最佳吸收波長的數(shù)據(jù)信息，為波長確定單元18提供確定植物最佳吸收波長。

參閱附圖3，射頻識別標(biāo)簽21、22、23、24、25和26附著在各個區(qū)域多個植物上，能儲存植物種類信息以及相應(yīng)植物栽培區(qū)域生長狀態(tài)信息，并把這些信息傳遞到波長確定單元18。在這種情況下，植物生長區(qū)域確定單元17可以根據(jù)射頻識別標(biāo)簽21、22、23、24、25和26傳遞的信息識別確定植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12。

根據(jù)以上研究的實施例所闡述的內(nèi)容，單棟溫室13被劃分為多個植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11和12，對應(yīng)多個可彎曲的透明太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6。每個不同的植物栽培區(qū)域?qū)?yīng)傳輸不同的波長的光照，并且以不同的方式體現(xiàn)。

參見附圖4，是連棟溫室安裝多個可彎曲的透明太陽能光伏電池組件的實施例。多個的溫室可以作為一個整體來使用，傳送不同波長的可彎曲的透明太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6可以分別安裝在連棟溫室27棚頂表面上。當(dāng)傳輸不同波長的可彎曲的透明太陽能光伏電池組件1、2、3、4、5和6相應(yīng)地安裝在連棟溫室27棚頂表面上時，植物栽培光照控制器14根據(jù)植物的種類和生長階段需要決定是否移動每個溫室中植物以獲得最佳吸收波長。

以上實施例不僅需要通過上述的方法和設(shè)備來實現(xiàn)，還需要通過程序控制來實現(xiàn)控制功能。

6 系統(tǒng)特點

該系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽能光伏電池組件、植物栽培區(qū)域、單棟溫室和植物栽培光照控制器，植物栽培光照控制器包括植物種類確定單元、生長狀態(tài)收集單元、生長區(qū)域確定單元、波長確定單元、植物移動決定單元和數(shù)據(jù)庫;每一個可彎曲的透明太陽能光伏電池組件擁有一個染色敏化太陽能光伏電池，且擁有不同的顏色;植物種類確定單元用于確定植物的種類;生長狀態(tài)收集單元用于收集當(dāng)前植物的生長狀態(tài)信息;生長區(qū)域確定單元用于確定植物栽培區(qū)域的最佳吸收波長;波長確定單元用于確定植物的種類和當(dāng)前生長階段需要的最佳吸收波長。

植物移動決定單元用于決定某一區(qū)域內(nèi)的植物是否移動。

數(shù)據(jù)庫用于存儲植物的種類、植物栽培區(qū)域和根據(jù)植物生長階段的最佳吸收波長的數(shù)據(jù)信息。

7 結(jié)論

溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)，其架構(gòu)形式能夠靈活多變，可以做出若干簡單推演或替換并派生系列產(chǎn)品，其有益效果是該光照控制系統(tǒng)能夠根據(jù)植物的種類和不同生長階段，提供植物生長發(fā)育的最佳吸收波長，促進(jìn)植物生長，縮短生長周期，提高作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。