組培鐵皮石斛LED 智能照明系統設計

陳 苗 ，崔世鋼

（1.天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津 300222；2.天津職業技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

鐵皮石斛屬珍稀植物，歷代一直被視為名貴中藥材[1]，由于其種子在自然條件下萌發率極低，對生長環境要求極為苛刻，且被人們過度采挖，已經瀕臨滅絕。現今，得益于科技的發展，組織培養技術能快速繁殖某些稀有植物或具有較大經濟價值的植物，因而被廣泛應用。從植物學的角度，學者們在對組培鐵皮石斛的培養基篩選[2-3]、不同植物生長調節劑的影響[4-6]等方面做了大量的研究。在選擇植物培養光源上，李茹等[7]研究了不同LED 光質對鐵皮石斛瓶內開花的影響；陳志等[8]研究了不同色溫LED 白光對鐵皮石斛組培苗生長的影響。上述文獻僅針對組培鐵皮石斛的單一環境因素作了一些研究，并沒有結合自動化技術來達到提高組培效率目的。本文以自動化和植物學交叉學科為出發點，基于可控可調的光照強度和光質比，提出一種適合組培鐵皮石斛的LED 智能照明系統。該系統以STM32 微處理器為主控芯片，以紅藍峰白光LED 為光源，為鐵皮石斛不同的組培階段提供最佳的光強和光質比。

1 組培鐵皮石斛環境分析

1.1 組培環境參數分析

根據文獻[9-10]記載，植物組織培養除了受各種培養基類型、植物激素的影響，光照、溫度等環境因子更是直接影響種苗的生長發育和有機物積累。

光照是植物能量的來源，是植物的光合作用、生長發育、形態建成以及物質消耗等多方面必要條件之一。汪一婷等[11]為探究組培鐵皮石斛的最佳光照時間，以光照時間為變量，設置 10 h/d、12 h/d、14 h/d、16 h/d 4個實驗組，放置在相同組培條件下培養3 個月，每日記錄組培苗的增殖芽數、開花率等生長指標，實驗結果顯示：每日照射鐵皮石斛組培苗12 h 不僅能夠有效抑制鐵皮石斛組培苗在瓶內開花，而且組培苗其他形態指標均優于其他光照時間下培養的組培苗。

光照的另一個因子是光照強度，不同的光照強度對組培鐵皮石斛的生長有不同的影響。李武等[12]研究了最適合組培鐵皮石斛生長的光量子流密度，以25 滋mol·m-2·s-1為對照組，設置 50 滋mol·m-2·s-1、75 滋mol·m-2·s-1、100 滋mol·m-2·s-13 種梯度實驗，結果表明：75 滋mol·m-2·s-1光量子流密度處理下的鐵皮石斛幼苗莖粗和鮮重高于其他組別，葉片SPAD 值和蔗糖合成酶活性也得到顯著提高。此外，溫度是影響植物正常生長的重要環境因素，鐵皮石斛適合在涼爽的環境中生長。田思源[13]研究了溫度對組培鐵皮石斛影響的實驗，以溫度為變量設置 20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃共4 個實驗組，研究結果表明：溫度在25 ℃的組培環境下，更有利于鐵皮石斛外植體的出芽率。

1.2 組培光源分析

傳統的組織培養光源選擇普通的熒光燈，其耗能大、光效低、發熱量大，不利于植物組織培養工作的穩定持續發展[14]。隨著現代技術的不斷發展，LED 光源憑借結構簡單、體積小、安全性高、波譜窄、能耗低、壽命長、響應快等優勢脫穎而出。LED 光源作為一種人工冷光源，不僅可以提供特定波長的光和根據需要調節光照強度，而且還能近距離照射植物且不會引起植物灼燒。已有研究結果表明，紅光有助于植物干物質的積累，促進莖的伸長生長，提高光合速率和糖含量。藍光具有抑制莖伸長、促進分化、增加葉面積、提前花期、抑制黃化現象等作用[15]。同時，鐵皮石斛對波長為 425～490 nm 的藍光以及 610～700 nm 的紅光吸收最多。

丁有生[16]研究了多種光質比對組培鐵皮石斛苗的影響，設置紅藍光源比分別為 1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1、4 ∶1 的4 種情況，在相同培養環境下組培鐵皮石斛培養苗，以葉綠素a、葉綠素b 含量、類胡羅卜素等測量指標為依據，最終發現紅藍光源的波長定位于660 nm、450 nm，且光質比為2 ∶1 時，鐵皮石斛的生長狀況最佳。

組培鐵皮石斛經過誘導、增殖、分化、生根4 個階段，且每個階段對光照強度、紅藍光光質比的要求不完全一致。表1 列出了鐵皮石斛處于不同階段的最佳光質比需求。

表1 鐵皮石斛處于不同階段的最佳光質比需求

1.3 組培環境方案制定

學者們在探究組培鐵皮石斛的最佳光環境時，都以生根階段的組培苗為研究對象，忽略了不同階段需要不同環境參數的問題。綜上所述，為了組培出質量更優的鐵皮石斛苗，需要對其組培環境作更為細致的設定。表2 是以鐵皮石斛不同生長階段為劃分點，列舉其不同階段的最佳環境因子和光照條件。

表2 鐵皮石斛處于不同階段的最佳環境因子和光照條件

本文結合以往學者的研究成果，首先對組培鐵皮石斛的4 個重要環境參數作了分析和選定，尤其是光照強度和光質比，不同階段其需求也不盡相同，以可調光照強度和可配比的紅藍光源為切入點，采用模塊化的設計方法對智能照明系統分別進行硬件和軟件設計，使其實現自動調節光照強度和紅藍光光質比的功能，并基于均勻性實驗和組培實驗驗證該系統的優越性。該系統所能達到的預期效果是能使以鐵皮石斛莖段為外植體，最終發育成質量較高的鐵皮石斛苗。

2 系統總體設計

用于組培鐵皮石斛的LED 智能照明系統由傳感器檢測模塊、單片機控制模塊、執行模塊、顯示模塊、上位機和供電電路組成。檢測模塊采用光電探測器，檢測鐵皮石斛組培架中的光照強度、光質比等光信息；控制模塊選用STM32 單片機，接收處理由傳感器檢測到的光信息來調節輸出占空比可調的PWM 信號，完成系統調光功能；執行模塊也稱LED 植物生長燈，由智能控制電路以及不同波長和配比的陣列型LED 芯片組成，接收由控制器發出的控制信號，驅動LED 電路自動實現LED 燈板對光照強度、光質比的調節；顯示模塊由DGUS 觸摸屏組成，通過對鐵皮石斛不同培養階段的光照強度、光質比進行設置，還可實時顯示組培架內的溫度、濕度等環境參數。LED 智能照明系統模塊組成如圖1 所示，系統控制流程如圖2所示。

圖1 LED 智能照明系統模塊組成

圖2 系統控制流程

2.1 系統硬件設計

2.1.1 單片機的選擇

本系統選用STM32F101 基本型單片機，相比其他控制芯片，STM32 單片機程序是模塊化的，自身攜帶很多功能，接口簡單，不需要外部功能添加和外圍電路設計，工作速度快，其運算速度是80C51 單片機的幾十倍[17]。STM8S103 含有多個定時器，基于傳感器采集的光照強度值和光質比與設定值的偏差，對PWM的周期和占空比大小進行配置并輸出，從而調控LED燈珠光照強度和紅藍光配比。

2.1.2 傳感器檢測模塊的設計

系統的檢測模塊選用GY-30 光電式傳感器來獲取光照強度和光質比等光信息，內部由光敏二極管、運算放大器、ADC 采集、晶振等組成。PD 二極管通過光生伏特效應將輸入光信號轉換成電信號，經運放電路放大后，由ADC 采集電壓，然后通過邏輯電路轉換成16 位二進制數存儲在內部的寄存器中，單片機通過I2C 協議與BH1750 模塊通訊。該傳感器的SCL、SDA 分別是IIC 時鐘線和數據線，與單片機的PB2、PB3 引腳相連，獲取和傳輸光照強度值和光質比。

2.1.3 LED植物生長燈的設計

一種適合組培鐵皮石斛生長的LED 植物生長燈，需要具備較高的光照均勻性，其最大光照強度能達到鐵皮石斛的光飽和點，且在光譜中紅藍光的比例要盡可能大。針對組培鐵皮石斛不同培養階段對不同光配比的需要，選擇光譜疊加的白色LED 燈珠和紅藍燈珠作為光源，其光線柔和，能減少對人眼的傷害。

紅藍光的比例應占主要部分，可有助于鐵皮石斛的光合作用。其中紅色燈珠、藍色燈珠和白色燈珠的數目比為 1 ∶1 ∶1～3 ∶1 ∶1，以此來提供所需的光譜組合。為了保證植物所接收的光照強度值一致，LED 植物生長燈的中間區域將3 種燈珠以間距3 cm 交替放置為6 cm×6 cm 的矩形陣列，燈板兩邊區域的燈珠間距逐漸減小，燈珠的連接方式為混聯，既能避免因為串聯導致不同LED 間的相互影響，又能避免并聯造成的LED 燈亮度不能自動調節的問題。此外，為了避免燈板溫度過高傷害植物，該LED 燈具備良好的散熱性，還采用獨特的灌封膠防水設計，實現良好的防水效果。

2.1.4 LED驅動電路的設計

LED 燈的光照強度值和光質比由LED 驅動電路調控，為了保證系統在工作時流過每顆燈珠的電流相同，需采用恒流驅動方式。LED 驅動電路由MOS 管開關電路、電流采樣電路、運放電路組成。控制器發送PWM 信號控制MOS 管開關電路的通斷，從而調節LED 植物生長燈的光照強度和光質比，電流采樣電路將流過燈的電流信號經運放電路放大后，反饋至控制器。

2.2 系統軟件設計

μC/OS-Ⅱ系統是一款開源的搶占式的多任務實時內核，其結構緊湊、占用空間小、執行效率高，具有可擴展性好、程序代碼免費開源、資料豐富、技術成熟、簡單易用等特點[18]。μC/OS-Ⅱ通過5 個任務完成所有功能，包括系統主任務、傳感器數據采集任務、數據處理任務、通信任務、觸摸屏任務。主任務的建立通過調用Start_task（）函數完成[19]，以此建立其他4 個任務，并賦予這些任務不同的優先級[20]；傳感器數據采集任務是通過傳感器定時采集組培架內的光照強度值和光質比數據；數據處理任務把采集來的數據進行分批估計自適應加權融合，保證了數據的準確性；通信任務實現觸摸屏和單片機的串口通信連接；觸摸屏任務完成當前光照強度和光質比的顯示和調節。

當系統上電，人機交互界面會實時顯示當前的光照強度值和光質比，若光強不在誤差范圍±100 lx 內或光質比不一致，用戶可通過觸摸屏設定新的光照強度值和光質比等參數，智能控制電路檢測到二者間的誤差后，控制器發出控制信號至LED 驅動電路，改變輸出的PWM 波占空比，調節流過LED 燈珠的電流，實現自動調節的功能。系統軟件流程如圖3 所示。

圖3 系統軟件流程圖

3 實驗設計

3.1 均勻性實驗設計

為了驗證LED 光源的均勻性，將LED 光源固定于燈架，其正下方30 cm 處鋪設100 cm×100 cm 的坐標紙，通過光量子流密度傳感器和光照強度傳感器測量坐標紙內1 cm×1 cm 處的光量子流密度和光照強度值，再基于Matlab 軟件將所采集的數據繪制成三維圖。

3.2 組培實驗設計

實驗材料選取天津職業技術師范大學植物工廠重點實驗室生長架的水培鐵皮石斛植株，實驗環境溫度25 ℃，光照時間為 12 h/d（8：00—20：00），實驗步驟如下：

（1）滅菌器具 將所需燒杯、培養瓶、鑷子、手術剪、培養皿、玻璃棒、手套等放入高溫高壓滅菌鍋（121～126 ℃、0.1 MPa）進行滅菌。

（2）消毒超凈工作臺 用酒精噴壺噴灑工作臺，開啟紫外線滅菌，滅菌共計2 次，每次15 min。

（3）制備試劑 制備適量無菌水、75%酒精。

（4）配制培養基 將20.87 g MS 粉末定容于1 L超純水的燒杯中，加熱攪拌至煮沸，以每瓶2～2.5 cm分裝在培養瓶中，共計10 瓶。定容時，用量程為1～10 mL的移液槍少量多次導入適量的NaOH、5%檸檬酸，使pH 值位于 5.6～5.8。

（5）二次滅菌 用高壓滅菌鍋（121～126℃、0.1 MPa）將6瓶無菌水、培養基滅菌20 min 冷卻備用。

（6）制備外植體 將鐵皮石斛在流水下沖洗1 h后，用手術剪將鐵皮石斛以3 節莖為單位剪取莖段；分別用75% 酒精浸泡莖段30 s 后在無菌水中洗滌莖段 3 次，時間分別為 2 s、1 min、5 min；再用 2% NaClO浸泡莖段4 min，無菌水洗滌，方法、時間同上；最后將莖段經手術剪剪去頭尾和葉片，放置在培養皿備用。

（7）接種外植體 類原球莖誘導，夾取莖段使其根部斜插入基質中使外植體接種在誘導培養基上，并將培養瓶放置在LED 智能照明系統組培架上。類原球莖繼代增殖，待培養基質厚度大致為1 cm 時，選取長勢均勻一致的原球莖，按0.5 cm×0.5 cm 的大小接種到培養基上并放置在組培架上。類原球莖分化，待培養基質厚度大致為1 cm 時，選取長到6～7 cm 的原球莖接種到培養基。類原球莖生根，待培養基質厚度大致為 1 cm 時，選取苗高 2.5～4.0 cm、葉 3～4 片、葉色濃綠且具頂端生長點的鐵皮石斛無菌苗，切去其原有的根，接種至培養基上。上述階段的培養條件和觀測指標各不相同，具體內容如表3 所示。

其中，誘導率=誘導出的原球莖的外植體數/組培株數，增殖率=增殖后原球莖數/接種原球莖數，分化率=分化出幼苗的原球莖數/接種原球莖數，生根率=生根苗數/接種組培苗數。

表3 鐵皮石斛培養條件設置和觀測指標

4 實驗結果與分析

4.1 均勻性實驗分析

光量子流密度和光照強度都是表征光照均勻性的物理量，二者可相互轉換。光量子流密度分布和光照強度分布越接近LED 光源中心，其值越高；鄰近區域顏色越接近或者波峰位置越平坦，其值相差較小，均勻性高。光量子流密度分布圖和光照強度分布圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 光量子流密度分布圖

圖5 光照強度分布圖

中間區域呈現相近顏色的面積較大、波峰位置較為平坦，且最高光照強度達2 600 lx，可滿足鐵皮石斛生長的光照條件。綜上，結合二者標準差分別為23 和18，該LED 光源均勻性較好，光量子流密度和照度值較高，可使組培的鐵皮石斛均勻受光。

4.2 組培實驗分析

圖6 為不同生長階段的組培鐵皮石斛。隨著培養天數的增加，鐵皮石斛由初始的莖段逐步發育成芽、枝到整個植株，可以出瓶進行人工煉苗。植株表現為正常的翠綠色，整體生長態勢良好。

圖6 1 號鐵皮石斛不同生長階段的生長圖

2019 年1 號鐵皮石斛生長觀察記錄如表4 所示，整體指標如表5 所示。由表4 可以看出，不同生長階段測量的指標不完全相同。在培養過程中，葉片數量、分化的原球莖數、生根數均在不斷增加，基質厚度在不斷減少，葉片數量高于整體平均值，生根數更是高達10 根。表5 表明這一批鐵皮石斛相比其他文獻的實驗結果，染菌率和褐化率有待下降，但是未染菌的植株整體發育較好，每個階段末的指標值都在82%以上，是一次比較成功的組培實驗。

表4 2019 年1 號鐵皮石斛數據記錄表

表5 鐵皮石斛整體指標列表

在上述實驗中，除具備較扎實的植物學實驗技能外，更為重要的是依據不同階段調控適合鐵皮石斛生長的光照強度和光質比。在通過觸摸屏設定光照強度和光質比時，系統響應速度較快，LED 燈珠也未出現故障，傳感器實測的光強和光質比接近設定值。

5 結 語

本文對適合組培鐵皮石斛的智能照明系統進行了設計。該系統以STM32 微處理器為主控芯片，以紅藍峰白光LED、紅色燈珠和藍色燈珠為光源，為鐵皮石斛組培的不同階段提供了最佳的光強和光質比。基于Matlab 探究LED 光源的光量子流密度分布和光照強度分布，實驗結果顯示該LED 光源完全能滿足組培鐵皮石斛的光照要求且均勻性良好；設計的鐵皮石斛組培實驗，通過制備外植體、接種外植體到培養等實驗步驟，將初始光照強度設置為1 800 lx，光質調為紅光，光照時間為12 h/d，隨著培養天數的增加，光照強度自動調節到 2 000 lx、2 500 lx，光質比調控到 3 ∶1、2 ∶1、紅光，最終鐵皮石斛由初始的莖段逐步發育成芽、枝到整個植株，表明該光照系統能夠滿足組培鐵皮石斛要求。在今后的研究中，可從植物學的角度測量比較組培苗的鮮重、葉綠素a、多糖等量化指標，使最終的實驗結果更具說服力。