基于作物生長的智能補光系統的研發和應用

閆嵩　杜彥芳　田海濤　腰彩紅　王建春　李揚

摘? ? 要：補光燈可以有效解決我國北方冬季設施溫室中普遍存在寡照、連陰，無法滿足植物日常生長需要，影響產量和品質的問題。本文研發了一種基于作物生長的智能補光控制系統，包括本地硬件控制設備和云端服務軟件系統兩部分，硬件與軟件之間通過4G連接，在確保硬件安全性基礎上充分考慮用戶使用習慣，實現了LED補光燈的本地面板、本地智能、遠程APP和遠程智能控制，并結合作物生長情況制定了科學合理的補光策略。在草莓溫室開展對比試驗，證實該控制設備能夠持續、穩定的對補光燈進行啟停操作，數據傳輸穩定，平均響應時長1.28 s，能夠滿足日常生產實際使用需要。通過補光燈的引入，相比于對照區域，使用補光燈種植的溫室草莓單果質量提升不少于7%，成熟果個數增加超過15%。本文提出的設備、系統和方法，可以有效輔助生產，借助補光燈達到提前上市，增產增收的效果。

關鍵詞：補光系統；設施溫室；智能控制；調控策略

中圖分類號：S224; S667.9? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.09.013

Development and Application of Intelligent Fill Light System Based on Crop Growth

YAN Song DU Yanfang TIAN Haitao YAO Caihong WANG Jianchun LI Yang

（1. Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China; 2. School of Electronic and Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In northern China， insufficient light is common in facility greenhouses， which cannot meet the daily production needs of plants， affecting the yield and quality. This paper had developed an intelligent light fill control system according to crop growth， including local hardware control equipment and cloud service software system. Through 4G connection between hardware and software， it supported a variety of control modes of LED fill light， and fully considers hardware security and ease of use. A scientific and reasonable light-filling strategy was developed according to the crop growth. The experiment in the strawberryproved that the device could continuously and stably control the fill light， the data transmission was stable， and the average response time was 1.28 seconds， which can meet the practical needs of production.Through the introduction of fill light， compared with the CK area， the weight of single fruit increased by no less than 7%， and the number of ripe fruits increased by more than 15%. The devices， systems， and methods proposed in this article can effectively assist in production， achieving the effects of early market entry， increased production， and increased income with the help of supplementary lighting.

Key words： fill light system; facility greenhouse; intelligent control system; regulation strategy

光是影響植物生長的重要元素之一[1]，充分的光合作用可以有效促進作物生長[2-4]。北方設施溫室中，相比于春秋季，冬季的光照時長更短，早晚的光照強度更弱，經常存在寡照情況，造成植物生長所需的光照不足，影響果實的成熟度和色素、營養元素、可溶性固形物、糖分的累積[5]。研究表明，使用植物補光燈可以有效改善北方日光溫室冬季種植過程中光照不足的情況，延長植物光合作用時長，促進生長，提升作物的產量和品質[6-8]。現階段溫室補光主要使用LED燈。相比傳統的高壓鈉燈、熒光燈，LED燈具有能耗低、體積小、壽命長、冷光源不傷植物的特點，已經逐漸被農戶接受[9-11]。

現階段的研究主要集中于光環境與作物生長發育之間的相關性，大多分析了光質、光周期、光照強度、冠層光利用率等對作物生長速率、生物量、色素、品質、產量、代謝產物等的影響。部分研究探討了作物不同生長階段、不同葉位的需光差異性，建立了相應的光環境優化調控模型。岳高峰等[12]通過試驗，驗證了不同補光時長對草莓開花及產量品質的影響，證實補光時長為6 h時，草莓植株生長發育狀況、花期、葉片葉綠素含量、果實產量和果實品質等指標均達到最佳，產生的社會效益和經濟效益最明顯。李玟等[13]研究了一種新型UV-B補光燈對茄子幼苗生長、抗性生理及抗病性的影響，證實在大棚內適當進行紫外補光能夠有效抑制植株徒長、增大葉片面積、提高壯苗指數、增強葉片抗氧化酶活性、提高植株抗病性。王昊等[14]以草莓為試驗材料，激光植物生長燈為光源，研究了日光溫室頂端補光、水平補光位置對光合特性、光能利用效率和電能利用效率的影響，確認頂部補光下植株的根部發育更好，水平補光下植株的莖粗更粗，2種方式的果實所需光量子數和所消耗電能差異不顯著的情況下，兩者草莓果實的產量和品質差異不顯著，但顯著高于不補光情況。

目前補光燈設備主要通過定時開關控制，冬季每日早晚揭蓋棉被前后分別進行補光，但實際上作物生長不同階段對補光的需求不同，需要根據作物生長階段、環境等因素使用不同的補光策略，這就需要根據實際情況定期調整補光設置。同時北方冬季日照時長短，連陰天氣情況較多，為了保證植物生長需要，陰天情況下需整日補光，這就要求工作人員必須到各個溫室手工啟動補光燈，費時費力，容易遺漏。

針對以上問題，本文設計了一種基于作物生長情況的智能補光設備，對補光燈進行遠程開關，并結合作物生長階段和外界環境情況，構建基于物聯網和大數據的統智能補光策略模型，確保植物每日光合作用充足，實現對北方冬季日光溫室智能、定量補光，完成日光溫室補光燈精確、智能化控制。

1 材料與方法

1.1 系統架構

系統主要包括硬件設備和軟件系統兩部分。其中硬件設備以主控模塊為核心，連接補光燈設備、環境傳感器、通信模塊，外部通過電氣接線集成入控制箱。軟件系統包括硬件設備控制模塊、云端數據交互模塊、應用服務接口模塊和APP前端展現模塊4部分，其中云端數據交互模塊和應用服務接口模塊通過數據庫實現信息的傳輸。整體系統架構如圖1所示。

1.2 硬件設計

1.2.1 主控模塊 主控模塊使用意法半導體的STM32F103系列芯片為微控制器，具有低功耗、高性能、豐富的外設和低成本等優點[15]。通過自制電路板實現與各個外圍接口的連接，包括通過RS485與傳感器進行通信，通過串口連接繼電器完成補光燈控制，通過4G模組與服務器通信，借助EEPROM存儲智能控制規則完成設備自控。主控模塊電路圖如圖2所示。

1.2.2 補光燈設備 本文使用的補光燈為貼片型LED植物生長燈，由天津德致倫電子有限公司提供，紅藍比為6∶1，紅光660 nm，藍光450 nm[16]，輻射半徑3～4 m，燈點間距為3.5 m，功率為100 W，電壓220V AC。實驗溫室種植區域規格約為長80 m、寬8 m、高3.5 m，采用頂部補光方式[14]，按照補光燈輻射半徑估算需要分2排部署補光燈44盞。補光燈及部署位置示意圖如圖3、圖4所示。

1.2.3 環境傳感器 本文選用賽通科技溫度、濕度、光照度三合一傳感器，溫度精度±0.5 ℃，測量范圍-40～80 ℃，分辨率0.1 ℃；濕度測量精度±3%RH，測量范圍0～100%RH，分辨率0.1%RH；光照度精度±5%，測量范圍0～200 000 lx，分辨率1 lx。傳感器通過RS485接口與主控模塊連接，使用Modbus協議完成數據通信，獲取溫室內的環境情況，為用戶依據光照度進行補光燈啟動提供數據依據。

1.2.4 通信模塊 通信模塊主要負責本地設備和服務器端的數據交互，本文選擇有人物聯網4G模組（WH-LTE-7S4 V2），通過串口與主控芯片連接，使用TCP/IP協議實現本地與服務器端的通信。模塊支持心跳包、注冊包、斷線重連等功能，保證了設備通信穩定性。

1.2.5 電氣設計 控制器電源采用220 V電進行直接供電，在引入電源處加NXB-63的2P空氣開關進行電路保護，避免電壓波動導致設備燒毀、損壞。接入的220 V電壓一部分為補光燈供電，一部分通過開關電源轉換為24 V直流電壓為中心控制單元供電。44個220 V/100 W補光燈分為2組，由8個繼電器CZY14A直接控制通斷。繼電器根據主控模塊以及箱體表面按鈕信號動作控制補光燈的開關。電氣控制箱原理圖如圖5所示。

1.3 軟件系統

1.3.1 硬件設備控制模塊 硬件設備控制模塊通過Keil v5平臺使用C語言開發，程序燒錄在主控芯片中。負責完成與傳感器、繼電器、4G模組的通信，并對保存在EEPROM中的自控策略判斷執行。硬件設備控制模塊程序邏輯如圖6所示。

1.3.2 云端數據交互模塊 云端數據交互模塊采用多線程模式運行，主要功能包括：使用TCP/IP協議與硬件設備控制模塊通信，管理各個硬件設備的接入；對于設備上傳的數據進行解析、處理，并存入數據庫；從數據庫獲取用戶控制指令，并下發給硬件設備；根據數據庫中的策略進行判斷，對需要執行的控制指令插入數據庫中，觸發執行。程序使用Visual Studio 2013平臺C++語言開發，與MySQL數據庫交互，與應用服務接口模塊和APP前端展現模塊隔離，保證了本部分功能的獨立，便于后續升級。云端數據交互模塊流程圖如圖7所示。

1.3.3 應用服務接口模塊 使用MyEclipse平臺Java語言開發，Tomcat8.0部署，負責接收前端指令，與MySQL數據庫連接，完成數據交互。主要功能如圖8所示。

1.3.4 APP前端展現模塊 APP前端使用Android Studio平臺，HTML、JavaScript語言開發，通過應用服務接口模塊完成與系統對接。整體功能包括環境數據展現、歷史數據查詢、手動控制、智能控制設置等。其中環境數據展現直接展示最近采集到的溫度、濕度和光照度數值；歷史數據查詢界面支持按照傳感器和時間端篩選，能夠按表格和按曲線2種方式展現，支持數據導出至Excel；手動控制界面可以根據需要手動觸發補光燈開、關，也可根據需要手動設置補光時長，避免人工開關時遺忘情況；智能控制設置支持按照時間段設置補光燈定時、定量啟動，也支持在時間段內通過判斷光照度自動啟動補光燈，滿足園區根據作物不同生長階段的個性化補光控制需求。部分頁面如圖9所示。

2 結果與分析

2.1 設備部署

為檢驗智能補光燈控制設備的應用效果，于2022年11月在天津市北辰區鼎牛合作社部署相關設備，并開展設備性能測試。補光燈部署效果如圖10所示。

2.2 設備響應時長實驗

智能補光控制設備可通過本地面板、本地智能策略、遠程APP和遠程策略4種模式控制。所有的補光燈啟動和停止操作均可通過網絡上傳至服務器，但通過本地面板和本地智能策略啟動的過程服務器端只記錄設備反饋開、關結果的時間，因此沒有啟動時間，只能通過人工現場計時判斷。而通過遠程APP和遠程策略啟動的記錄，服務器會記錄數據處理的啟動時間和設備執行完成后的反饋時間，可以通過兩者的時間差計算相應時長。具體4種控制模式的響應過程如圖11所示。4種測試過程現場均通過人工驗證補光燈的實際啟動和停止。于2022年11月29日分2組補光燈，每組開展4次試驗，統計結果如表1所示。

試驗表明，補光燈設備100%按照操作內容啟動或關閉，平均響應時長1.28 s，響應時效及執行準確度均達到實際使用需要。同時對2022年12月整月觀測設備執行結果，結果發現100%執行到位，證明設備穩定性較好，能夠滿足園區長期補光使用。

2.3 補光應用效果試驗

為驗證補光燈對作物生長效果影響，于2022年12月—2023年2月開展試驗。溫室種植草莓，品種為紅顏，種植周期為2022年9月—2023年5月。溫室種植區域長80 m，寬8 m，高3.5 m，通道寬1.1 m，畦寬0.5 m，畦間距0.6 m，共種植草莓70畦，每畦2行，行距0.3 m，每行40株，株距0.2 m。選取2棟相鄰溫室，一棚補光，一棚對照，補光溫室分2組采用2組不同策略補光（圖12）。其中策略1為從早晚各開2 h，并根據作物生長階段不同逐步延長至早晚各開3 h；策略2為早晚各開2 h，并根據作物生長階段不同逐步將晚間補光時長延長至4 h。同時設置陰天疊加補光策略，即當室內光照度在9：00—15：00期間，當光照度持續半個小時以上小于10 000 Lx發送提示，由園區管理員判斷是否啟動補光燈。此外，除補光燈的其他操作全部一致，對比種植效果。

本文在草莓成熟初期開展2次試驗，每次隨機選擇補光燈區2畦、對照區2畦，分別統計成熟果個數和質量。統計結果如表2所示。從表2可以看出，補光區成熟果個數多于對照區，其中采用策略1和采用策略2的成熟果個數分別超出對照區18%和15%，而總質量方面則分別超出對照區26%和27%，單果質量分別超出對照區7%和10%。這說明補光燈對于作物增產，早上市具有明顯的效果，同時采用策略2的補光模式雖然成熟果個數不如策略1，但在單果質量方面更勝一籌，但整體2種策略差別并不明顯。因此園區可以根據實際需要采用合適的補光策略，達到增產增收的效果。

3 討論與結論

人工補光是冬季北方日光溫室種植作物提高產量和品質的重要手段。近年來國內外學者在補光燈對植物生長的效果、布放位置、補光時長等方面開展了大量的研究，為補光燈在實際應用中提供了較好的理論依據和數據基礎。本文在前人工作基礎上，研發的智能補光控制系統實現了補光燈的遠程控制，并將補光策略融入了系統，解決了補光燈在應用過程中需要人工現場啟動，管理復雜的問題，極大地降低了補光燈推向市場的難度。系統使用自主研發的電路板對補光燈設備的開關進行控制?？刂葡潴w從安全性、操控便利性方面綜合考慮，配備了本地面板控制按鈕，滿足本地控制需求。同時，設備通過4G與服務器端連接，借助APP實現遠程及智能控制，支持根據時長和閾值對設備進行啟停，滿足用戶個性化控制需求。通過設備響應時長試驗和穩定性觀測，確認設備能夠滿足長期、便捷使用需要。開展了2種基于作物生長期的補光策略試驗，試驗結果表明，與對照區相比，單果質量提升超過7%，同期成熟果個數增加15%，通過補光燈可以有效的提升草莓的產量和上市時間。農戶可以在實際生產中，根據需要采用合適的補光策略，達到增產、增收目標。

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