基于PLC的光調控植物跟蹤生長系統

楊 浩,林添堤,徐 永,b

(福建農林大學 a.機電工程學院;b.光電子農業工程與技術研究中心,福州 350002)

0 引言

對于綠色植物而言,光照是其生長過程中最重要的生長環境因素之一[1],且植物在其各個生長階段所需的光照環境也是不同的[2]。光照不僅對植物的種子萌發階段,莖葉、根系生長階段,以及結果階段有影響,而且對植物體內的有效生化物質的積累也有重要影響。在長期的進化進程中,植物可以對外界的光照環境進行感知,還可通過改變自身的形態結構和生理活性等適應周圍的光照環境,如植物的向光性等[3-4]。

目前,新型LED光源代替了傳統高壓鈉燈,成為植物培養的主要人工光源[5],具有生物能源效率高、植物栽培密度高、節能效果顯著等優點[6]。對于相對封閉的農業生產系統,如溫室和植物工廠,是一種非常適合的人工光源[7]。并且,新型LED 光源的研發和應用在近年來也大幅度降低了溫室及植物工廠等密閉農業生產系統的成本。

植物工廠中的光環境影響植物的形態形成、光合作用速率、物質代謝和DNA的表達[8]。光環境對這些方面的影響主要表現在以下幾個方面。

1)光照強度對植物的影響。光照強度對植物生長發育和次生代謝物質的建成有重要作用,例如,在藥用植物組織培養中,青蒿素的含量隨光照強度的加強而明顯提高,其含量在光照強度為57μmol/(m2·s)處達到最大值;但是,對于不同的藥用植物,光照強度對其藥用成分的形成和積累的影響是不同的,有的促進藥用成分積累,有的抑制藥用成分積累[9]。

2)光質對植物的影響。研究表明,在380～760nm可見光光譜范圍內,對植物生長產生作用的光譜區域主要集中在610～720nm紅橙光波長以及400～510nm的藍紫光波長范圍[10-11]。LED 能夠提供植物生長所需要的各種光質,光譜半波全寬±20nm,各種單色LED光經組合后,其光譜成分可與各種植物光合作用與形態建成所需的光譜相匹配。因此,將適當光質的LED用作植物照明光源可以提高植物的光能利用效率,其節能效果極為顯著[12]。

3)光周期對植物的影響。光周期是一天之中光照明暗時間變化的周期,包括植物在內的生物的生理活動都會受到日照長短的控制。光周期是生命活動的定時器和啟動器,植物的光周期反應主要是誘導花芽形成和轉入休眠[13]。例如,長日照植物需要12h以上的日照時間才能開花,如小麥、菠菜、楊樹等,而短日照植物需要10h以下的日照時間才能開花,如水稻、玉米和高粱等。

通常定義的光環境主要是以上3個要素。徐永教授將原先的三要素擴展到了光的7個維度特性,分別為:光強、光質、光照模式、均勻性、方向性、偏振性和相干性[14]。這些擴展特性的提出,為后續研究設施農業中在人工光環境下植物的生長狀況提出了新方向,從這些維度對光與植物相互作用時產生的有效效益進行研究具有很重要的意義。

總的來說,國內外對植物工廠中光環境調控的研究還處于被動的狀態,一般都是等待種植的植物發生變化時才去對其進行人為控制,而沒有從根本上解決問題。前人研究中也僅關注光環境三因素中的單因素或雙因素的組合,而很少將光環境三因素作為一體進行考慮,利用現代智能科技進行綜合分析和研究[15]。鑒于此,課題組研發了一種基于PLC的光調控植物跟蹤生長系統,主要包括上位機監控系統和下位機操作系統,利用PLC中PWM(Pulse Width Modulation脈沖寬度調制)的程序控制將光環境三要素有效地結合起來,實現全自動跟蹤生長的效果。將其應用于實際生產時,只需將所種植對象的光環境參數輸入至系統中,在上位機點擊種植,即可實現一鍵式“傻瓜式”種植,即當硬件設施布置好后,系統的流水線式的植物生長軟件可以根據需要進行安裝;當該軟件裝入系統后就可以進行全自動的流水線式的生產,完全不需要人工的干預,非常適合于大面積的推廣和使用;而且一種植物對應于一個控制程序,無論用戶種植什么植物都能獲得最優的控制和生產效果,大大節省了人力物力,實現了全自動化的種植生產。

1 LED植物光照分析

光質是影響植物中有效干物質積累的主要因素,也對光合產物產生直接影響。通常,紅光有利于碳水化合物的積累形成,藍光有利于蛋白質的合成,綠光則對植物生長有一定的抑制作用[16]。本系統研發的目的是將其應用于實際生產中,以提高植物生產率,獲得較高的產品價值。因此,本系統只選擇紅光與藍光光質的組合,用適當的紅光與藍光的比例來保證培育出形態良好且有效物質含量高的植物[16]。

對于光照強度和光周期而言,系統運用課題組研究數據,以葉用萵苣為例:從兩葉一心的移栽到苗期階段,葉用萵苣的最適光照模式為紅藍配比為5∶5,光周期16L/8D,光強為200μmol/(m2·s);從苗期到生長期階段的最適光照模式為紅藍配比7∶3,光周期20L/4D,光強為150μmol/(m2·s);從生長期到采收期階段的最適光照模式為紅藍配比5∶5,光周期16L/8D,光強為200μmol/(m2·s),具體配給方案如表1所示。

表1 不同階段光環境最優參數表

對不同生長時期最適光照模式的分析比較發現,葉用萵苣不同生長階段最適光環境略有不同,這樣的光環境方案更有利于用最低的能耗獲得最佳的生長效果,針對性更強;并且,本系統對植物生長光環境的控制是漸變式的,不會引起植物體內的應激性反應,因而是最佳的。

在光照度均勻度方面,光線分布越均勻說明照度越好,光照度均勻度接近于1最好,反之越小均勻度就越差。經測試,系統的LED光照度均勻度接近于1。圖1為本系統3個階段的光譜能量分布圖。圖2為本系統的光照度均勻三維圖。

(a)

圖2 系統光照度均勻性三維圖

圖1中,橫坐標為光譜范圍,縱坐標為光照度值。

圖2中,X、Y坐標軸為本系統培養箱長、寬(cm);縱坐標軸為光量子通量密度。

2 系統整體方案設計

根據課題組研究的結果,可得出不同光強、光質、光照時間下的最優光環境的配給方案,可以是使葉用萵苣外部指標最茁壯的方案,也可是使植物內部有效生理指標(葉綠素、蛋白質、糖、胡蘿卜素等)累計最多的方案。一種植物對應一個控制程序,且該程序是通過反復的實驗、變化光環境參數獲取植物生長全過程的光環境信息與時間變化的對應關系,以形成固定的流水線式作業。根據所得出的配給方案,將最優光環境配給方案編寫入PLC程序中,可以實現全程跟蹤生長,嚴格地把控植物的生長周期。這樣可達到一種植物對應于一條生產線,在生產過程中并不需要對植物的生長狀況進行任何實時的反饋和跟蹤,就可以達到植物培養的最佳狀態和效率的目的。后續再編寫上位機組態王程序,實現實時監控、操作等功能,具體設計流程如圖3所示。

圖4 系統的硬件接線圖

3 上位機、下位機設計

PLC具體型號選擇為FX3U-16MT/ES,是由日本三菱公司所研發的晶體管漏型輸出PLC,性價比較高,可以很好地完成本系統的邏輯控制。此外,LED雖為半導體發光的冷光源器件,但因其材質、內部封裝及其外部其他部件限制了其散熱的有效性[17];因此,對培養環境的溫度因子進行適時有效的調控尤為重要。系統的溫度傳感器采用PT100熱電阻,輸出信號為5～20mA,測量溫度為0～100℃。對溫度傳感器變送的反饋信號用A/D模塊進行采集,具體型號為FX2N-2AD,此款模擬量輸入模塊是分辨率為12位二進制的高精度模塊,可以精確地對所采集的溫度變化信號進行傳送。

3.1 系統硬件設計

硬件接線圖如4所示。因本系統需要長時間工作,為防止短路造成損失,特在火、零線處都加有保險絲。系統為DC24V輸入,根據FX3U-16MT接線手冊的要求,將S/S、24V兩個端子相接。系統中PLC的輸入端使用了內部輔助繼電器M,沒有使用輸入端子X0、X1、X2…,既節省了硬件接線時間,又能使內部輔助繼電器不易損壞;在輸出端,Y0端口接KA1為固態繼電器輸出。系統運用PWM方法進行光環境的控制,且所需光頻率必須非常快,所用PLC有3個高速輸出Y端子(Y0、Y1、Y2),在Y1、Y2處接LED的紅、藍光引線,記為KA2、KA3;HA1為系統報警蜂鳴器。模擬量輸入模塊的接線將所采集的信號送入PLC的模擬量輸入通道2。系統的溫度調控具體流程如圖5所示。

圖5 溫度調控流程圖

3.2 系統軟件設計

系統運用PLC控制器中的PWM指令進行編寫。LED是一個固態器件,可以實現高達微秒的快速開關,這是任何其它非固態發光器件所無法比擬的。因此,只要把電源改成脈沖恒流源,用脈寬調制(PWM)法就可以改變其亮度。這是通過改變輸入電壓的占空比來調節LED的亮度,當占空比大時,通電時間變長,LED燈就更亮,反之亦然。

脈寬調制調光的優點是:①不會產生任何色譜偏移。②可以有很高的調光精確度。因為脈沖波形可以控制到很高的精度,所以很容易實現萬分之一的調光精度。③即使在很大范圍內調光,也不會發生閃爍現象。因為恒流源的工作條件(升壓比或降壓比)不會因LED的亮度而變,更不可能發生過熱等問題。

在程序編寫時,PLC內部軟元件均采用斷電保持型,防止在實際生產應用中因突然斷電而造成不必要的損失。在光周期程序中,假設生菜從苗期至采收期需35天,通過時鐘寄存器M8014(即PLC通電時,產生周期為1min的脈沖信號)和計數器的組合來延長定時時間。將35天分為不同的時間段,運用區間比較指令的方法分段驅動指定內部寄存器。當某一內部寄存器運行時,使用區間比較指令和實時時鐘寄存器D8015的組合,接下來就可直接調用PWM指令,參考程序如圖6所示。需要指出的是,不能重復使用PWM指令中的軟元件。在圖6的PWM功能指令中K5、K10即為脈沖幅寬與周期,對應于Y輸出端子。通過上述處理可以有效地解決光照強度與光質調節的問題。

圖6 系統時序參考程序

3.3 上位機設計

采用組態王kingview6.53對上位機進行設計。組態王是一款新型的、用于開發工業自動監控系統的軟件,用一個由標準工業計算機軟硬件平臺組成的集成系統取代傳統的封閉系統,具有適應性強、開放性好、易于擴展及經濟適用等優點。

本系統運用組態王軟件進行圖形界面的設計,并可對下位機進行實時監控。當技術成熟后,操作人員只需在界面上點擊所需種植的植物即可實現對該植物的自動跟蹤生長,栽培不同的植物只需更換不同的植物生長流水線的控制軟件即可實現。圖7為本系統的初代上位機操作界面。

圖7 上位機界面

系統中,上位機不僅是一個便于操作的可視化界面,還可用于對特定植物的跟蹤生長,具體方式為:下位機中的光照傳感器、溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器所采集到的模擬量信號經轉換可實時顯示在上位機界面中,并可將這些數據繪制成曲線圖進行顯示。當種植某一特定植物時,可以配合使用葉面積儀,測得植物在各個生長階段的葉面積指數,作為系統跟蹤生長的一個重要參考指標。在實際生產中,將每一階段的葉面積指數反饋至上位機中,并根據葉面積指數的變化率來調整光照及其它參數,以便獲得最佳的生長效果。上位機還可以整合各階段的葉面積指數,繪制曲線圖,使種植人員清晰明了地觀察植物各個階段的生長情況,達到跟蹤生長的目的。

4 系統整體方案驗證

使用本系統對葉用萵苣種子萌發階段至幼苗階段進行實驗。這一階段中LED人工光的紅藍配比為5∶5,光周期16L/8D,光強為200μmol/(m2·s);并采取相同環境、不同光照的對照組實驗,對照組采用熒光燈(FL, Fluorescent lamp),記為CK組,光周期16L/8D,光強為200μmol/(m2·s)。

葉用萵苣種子發芽生長后,分別隨機抽取3株,重復3次測量其外部生理指標,即下胚軸長度、胚根長度和莖粗。采取Origin9.1數據分析軟件,得出葉用萵苣種子萌發階段至幼苗階段兩組實驗的特性差異。表2為不同實驗對葉用萵苣種子萌發及幼苗生長階段的影響。

表2 不同實驗對葉用萵苣種子萌發及幼苗生長的影響

實驗表明:系統與CK組對葉用萵苣的發芽率影響較小,但對生長至幼苗階段的下胚軸長度、胚根長度和莖粗有顯著影響,明顯觀察到使用本系統對葉用萵苣的外部生理指標有較大地長勢優勢。

5 結論

設計了一個一鍵式的智能流水線生產系統,實現了硬件設備的通用化和軟件程序的標準化,可使人力成本大為降低,從而有效地降低 “生產成本”。在軟件程序設計方面,運用了PWM脈寬調制方法,高效利用了LED的光照強度,極大地減少電力成本。與上位機的結合也實現了種植的智能化,只需在前期將植物生長光照環境參數輸入程序中,在上位機界面點擊相應按鈕就可實現“傻瓜式”種植。目前,國內外PWM脈寬調光方法在植物生產中的應用甚少,方法還可以用來研究其產生的光高頻率波動對植物生長可能產生的影響,對未來的植物工廠等密閉式農業生產方式有一定參考價值。