LED不同光照模式植物培養(yǎng)系統(tǒng)的研制
作者: 林魁 徐永 時間: 2024-04-01
【摘要】影響植物生長發(fā)育的光環(huán)境主要包括光質、光強、光周期3個因素，為了更加深入研究植物實際生長周期所需要的光照總量及其對光譜的響應，設計了一種基于LED不同光照模式的植物培養(yǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括LED燈具設計及光溫檢測控制系統(tǒng)和植物水培生長裝置。結果表明，該系統(tǒng)不僅光照分布均勻，且光環(huán)境因子和溫度參數簡易可控：既可對植物生長所需光環(huán)境因子和溫度進行靈活設置，又能為探索植物在不同生長階段的最優(yōu)光照模式的設定方式及調控策略提供依據。
前言
21世紀的全球性課題主要集中在糧食、資源環(huán)境等方面，而植物是解決上述問題的物質基礎它不僅可以作為糧食及能源植物被人類使用，而且還兼具凈化空氣、緩解氣候變化等效果"。對于綠色植物而言，光是其生長發(fā)育過程中最重要的環(huán)境因素之一。自然界中對植物光合作用最為有效的波段是380~760nm的可見光，稱之為光合有效輻射！(Photosyntheticactiveradiation,PAR)。
設施農業(yè)作為一種全天候周年可種植的生產方式，無毒害、安全可控技術的引入，在很大程度上降低了多種自然災害的風險，成為現代農業(yè)生產過程中不可或缺的因素。以影響作物生長的光環(huán)境為例，傳統(tǒng)農業(yè)生產一般采用棚膜、遮陽網等覆蓋材料對光環(huán)境加以調控，不僅無法依據作物實際生長的光需求特性進行有效調控，而且未能滿足現代農業(yè)優(yōu)質高產的種植需求。在人工可控環(huán)境條件下，比如在植物工廠中，種植產業(yè)的高度自動化不僅使多種作物生長所需的光照條件得到有效控制，還延伸了對光維度的一般定義，即由原來所認識的光環(huán)境三要素(光強、光質、光周期)，擴展到光的多個維度特性(如光照模式、均勻性等)。不但豐富了人工控制植物生長發(fā)育的途徑，而且對于深入探究不同維度或多種途徑的綜合效益同樣具有重要意義(。對于現代設施農業(yè)而言，僅針對植物的生長或全人工光種植的植物進行補光的栽培管理方式，不僅會消耗大量的電能，也會因光照太強或是有些光譜成分無法被植物真正吸收利用而造成能源的浪費切，因此提高光照效率尤為重要。
光照模式有別于傳統(tǒng)定義的光的周期性照射(包括間歇光照、即刻光照、延遲光照和無光照等)，它是光強、光質與光照時間三者的有機結合，擁有更為復雜的模式組合。此外，以特定植物的吸收光譜響應曲線為基礎，結合植物實際生長周期所需光照總量"的光照模式不僅在減少能耗方面有著更為突出的優(yōu)勢，對于植物的生長及其體內有效物質的積累等方面更具顯著的影響。光照模式可以表征單位時間內，植物在不同照射模式中所接收到的總的光能量密度，單位為(molm2)。1天內植物所能接收到的光總量稱為日光積分(DayLightIntegral)。劉文科等中1指出日光積分不足是限制許多園藝作物生長的因素(一般DLI最小平均值應為10~12mol(m2·天)。其課題組曾就1天內用多個不同的光照模式在相同的光能量密度下對生菜進行照射實驗后發(fā)現，不同的光照模式對生菜生長發(fā)育的影響有顯著差異，研究光照模式對于在生產過程中選取最優(yōu)的節(jié)能光照方案具有重要的意義。
然而，前人研究多關注光環(huán)境三因子中的單一因素或雙因素組合對植物生長的影響，由于光環(huán)境調控的復雜性而鮮見對三因素的綜合研究分析。此外，若要真正研究對植物實際生長周期所需要的光照總量及其對光譜的響應，就必須具備能夠同時調控光環(huán)境三因子(光強、光質和光照時間)的光控實驗裝置。另一方面，對植物的光照必然引起環(huán)境溫度的變化，導致間接引入除對光環(huán)境條件研究以外的環(huán)境制約因素。基于上述分析，課題組研制了基于LED不同光照模式的植物培養(yǎng)系統(tǒng)平臺，主要包括實驗光照控制系統(tǒng)(實驗燈具設計及光照檢測控制系統(tǒng))、溫度控制系統(tǒng)適于植物在光環(huán)境下水培生長裝置。該實驗平臺可以對植物生長所需光環(huán)境因子和溫度環(huán)境進行靈活設置，同時可為探索植物在不同生長階段的最優(yōu)光照模式的設定方式及調控策略提供依據。
LED光溫控制平臺總體設計方案)
圖1為智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)總框圖。該系統(tǒng)是集光照控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)為一體的控制裝置，不僅具備友好的人機操作界面，還能對受控對象的環(huán)境參數進行實時檢測控制、實時反饋和實時調節(jié)。
該系統(tǒng)共設計了12組獨立受控的燈箱。其中，1~9號為LED燈箱，以及3組由熒光燈構成的對照組燈箱，分別表示為FL1、FL2、FL3。
系統(tǒng)硬件設計
智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)硬件框圖采用模塊化設計，主要由PLC控制器、溫控模塊、圖2智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)硬件框圖光控模塊和人機操作模塊及報警模塊組成，其組成框圖如圖2所示。
其中，系統(tǒng)控制核心為PLC(ProgrammableLogicalController)控制器，型號為西門子SIMATICS7-1200，該控制器的處理速度快，多個通訊模塊可以執(zhí)行高速的串行通訊，且存儲容量大，具有多個I0接口，能夠同時控制多個對象滿足本設計的要求。
系統(tǒng)工作時，首先檢測受控對象的光溫參數，并在控制系統(tǒng)的LCD顯示屏上實時顯示。實驗人員通過鍵盤輸入所需參數，PLC讀取參數后，對受控對象進行光溫調節(jié)與檢測。當燈箱內的環(huán)境參數(光環(huán)境參數和溫度參數)超過設定值時系統(tǒng)會發(fā)出警報，并將采集到的參數反饋到控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動進行調節(jié)。
溫控模塊
智能植物生長溫度控制模塊框圖如圖3所示PLC通過比較設定溫度與測量反饋的溫度差值，然后將控制方案送給變頻器。在生長箱外部環(huán)境溫度可控的情況下，通過變頻器控制風扇的轉速，從而實現燈箱內部溫度的調節(jié)。
溫控系統(tǒng)中的散熱裝置采用異步電動機驅動，與傳統(tǒng)的直流電動機相比，異步電動機結構簡單、運行可靠。變頻器采用壓頻(V/F)控制，不僅節(jié)約電能，還能夠對受控對象進行高效控制。采用變頻器與異步電動機協同工作的設計方式，不僅提升了風扇調速性能，還能有效降低電機性能的不足，提高異步電動機的效率，更適宜中小型系統(tǒng)平臺的搭建。
圖4 變頻調速控制原理框圖
溫控模塊的變頻器采用如圖4所示的變頻調速原理。溫度檢測裝置(如熱電阻)將溫度信號轉成電信號傳給PLC控制器，PLC控制器將數據傳給CPU，然后通過PWM脈寬調制驅動電路(DRIVER)對逆變模塊所輸出的電流頻率和大小進行調節(jié)，從而達到控制異步電動機(M)啟動和轉速的目的。
整流模塊選用三相橋式整流電路，可以保證整流橋在工作時或換流瞬間具有可靠的電流通路。采用電容濾波，能濾除某一頻率的諧波電壓，而對直流電壓只有很小衰減。
光控模塊
智能植物生長LED光照控制模塊框圖如圖5所示。
PLC通過采樣實際的光照參數，并與用戶設定的光照參數進行計算，然后將控制策略傳給智能電源。通過智能電源控制輸出電流的大小來控制LED的開關與強弱，從而實現對植物生長光照環(huán)境的調節(jié)。
LED的工作原理是當電壓大于LED燈本身的閥值電壓即可點亮，燈的亮度又由電流大小決定。該系統(tǒng)的智能電源本質為電流源，所輸出的電流大小不會隨負載大小的變化而變化。它可以由用戶通過上位機編程設定并輸出相應電流值，從而實現植物生長所需的光照模式的控制策略。
光控模塊的智能電源采用圖6所示的電流控制原理。智能電源是以可控電流為輸出模式的電源，該系統(tǒng)能夠有效控制燈箱內部LED的電流大小，為植物生長提供所需光照條件。光度計通過檢測受控對象的光照條件，將光信號轉化為電信號傳給PLC上位機，從而實現PLC的實時監(jiān)控，當光照條件滿足設定要求時，PLC發(fā)出控制電流大小的指令。智能電源通過串口與PLC進行通訊，實現上下位機的實時監(jiān)控。
圖6 智能電源控制原理框圖
LED 不同光照模式實驗控制系統(tǒng)的軟件設計
智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)所采用的程序語言為PLC編程語言，具有編程方式簡單、功能適應性強、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點與傳統(tǒng)PC相比，當用戶需要對控制方案進行調整修改時，只需要修改PLC的內部控制程序。PLC的程序常用直觀易懂的梯形圖語言編程進行控制，其通用性體現在PLC可以實現對開關量、過程量以及對閉環(huán)控制等過程進行處理上。
軟件圖7 智能植物生長LED 光溫控制系統(tǒng)軟件控制流程圖
流程如圖7所示，系統(tǒng)工作時，首先進入初始化界面，然后顯示受控對象當前環(huán)境參數(光照參數和溫度參數)，并提示用戶是否執(zhí)行前一次的參數設置。用戶可以對參數進行重新設定，待系統(tǒng)讀取參數后，開始對受控對象內部的光、溫度參數進行檢測，并將其進行實時顯示。同時，系統(tǒng)通過內部的邏輯來判斷當前參數是否符合用戶設定要求，若參數超過設定值，系統(tǒng)自動執(zhí)行光溫控制程序，光、溫控制裝置就會開啟。
圖8分別表示智能控制系統(tǒng)內部的溫度控制子程序(圖左)和光照控制子程序(圖右)。以1號LED燈箱為例，智能控制系統(tǒng)首先檢測LED燈箱內部的溫度參數 T1，然后比較用戶設定的溫度參數T2和T1的差值AT，通過PLC內部算法計算后對風扇的轉速進行調節(jié)，使燈箱內的溫度達到用戶需求。
同樣，對于光環(huán)境控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)檢測燈箱內部的光照參數L1后，并與用戶設定的光照參數L2進行比較，通過系統(tǒng)內部的運算后，對LED的電流進行調節(jié)至符合植物生長所需的光照條件。照射光源設計方案
照射光源采用LED作為主要供試光源。前人有關的實驗中將LED作為研究對象，光源常以線型硬條燈形式出現，但通常存在光質分布不均的情況(圖9)。
因此，該系統(tǒng)采用鋁基板式LED點陣面板(46cmx46cm)為供試光源(圖10)，貼片式LED燈珠進行表面封裝，不僅重量小、壽命長、散熱效率高，而且一致可靠、均勻性高，光源無論在亮度還是發(fā)光視角角度方面都比線性燈條都具有很大的優(yōu)勢。
點陣面板上布控24行24列共576個貼片式LED燈珠以填充整個鋁基板，貼片燈珠采用有序間隔布控的方式。具體地，LED1和LED2中心距離為1.8cm，LED5在LED1和LED2中垂線上且距離兩者等分點的距離也為1.8cm，其他燈源的布控以此類推。面板四周均預留約2cm的空隙。每個貼片燈由紅、綠、藍三種LED顏色構成：每種顏色經PCB布線，只留電源進線公共端和三種顏色獨立控制的公共端。
LED 光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)
LED光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)如圖11所示。PLC光溫控制系統(tǒng)連接自制植物培養(yǎng)架，整個架子高度2.1m,長度1.8m,寬55cm,共分為4層。每層凈高50cm，留底10cm，架子底部設置可控滑輪，方便架子的移動和固定。每層架子又被隔板分為3個隔層，隔板由KT板和反光膜制成，不僅簡單，而且節(jié)約成本。
其中，LED點陣面板的中間和四周留有鉆孔，方便將面板固定于隔層頂部。架子上三層布控LED面板，最底層安裝3組熒光燈對照。每層采用1cm厚度的三合板來用于固定LED面板和熒光燈，三合板采用保鮮薄膜和塑料加以密封：不僅方便鉆孔，而且也不易受潮適于生菜生長的水培裝置的設計
水培蔬菜是指根系大部分生長在營養(yǎng)液液層，僅通過營養(yǎng)液為其提供生長所需的水分、養(yǎng)分等有別于傳統(tǒng)土壤栽培形式的蔬菜。水培蔬菜生長周期短，富含多種人體所必需的維生素和礦物質”。然而傳統(tǒng)水培方式不僅步驟繁雜，而且成本較高，不利于實驗研究。同時，中小型實驗盆的使用不僅增加了清洗的步驟，而且所排棄的廢液容易造成環(huán)境污染。因此，課題組設計了一種適于生菜生長的簡易水培裝置(圖12)，以解決上述問題可能帶來的對實驗的不利影響。
將黑色KT板裁成長33cm、寬度24cm的矩形，然后在板上等分裁剪出4x3共12個直徑32mm的定植孔;采用內徑長31.2cm，寬22.3cm，高7.2cm的長方形塑料自盆作為盛裝營養(yǎng)液的容器;生菜定植前，用大號黑色塑料袋套在白色塑料盆內部，可以有效避免因光照進入營養(yǎng)液而導致苔蘚和浮游生物的滋生。然后將營養(yǎng)液注滿白盆;在所裁剪的KT板的定植孔上，用上口內徑為32 mm，外延直徑為45mm，高度為1.4cm的定植籃作為固定生菜莖部的容器，將直徑為32mm，厚度為2.8cm的圓形定植綿對半裁剪至高度為1.4cm的定植棉，將生菜莖部卡入定植棉中心用于卡入生菜莖部的通孔，然后將定植棉將其嵌入至定植籃，最后將其移至KT板的圓孔上。
系統(tǒng)光照均勻性的分析
通過測試LED光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)內部的三維均光特性(圖13)，結果表明，所研制的LED不同光照模式植物培養(yǎng)系統(tǒng)較傳統(tǒng)實驗平臺(圖9)不僅光照分布更為均勻，而且光環(huán)境因子(光強、光質、光周期)和溫度參數簡易可控。能夠有效解決植物在實際實驗中對光照模式和溫度的不同需求，同時也能將其運用于如植物組培苗或實生苗的栽培實驗。
小結與展望
該設計主要研制了基于LED不同光照模式的光照控制系統(tǒng)(實驗燈具設計及光照檢測控制系統(tǒng))、溫度控制系統(tǒng)、適于植物在光環(huán)境下水培生長裝置。結果表明，植物培養(yǎng)系統(tǒng)平臺不僅光照分布更為均勻，且光環(huán)境因子和溫度參數簡易可控。既可對植物生長所需光環(huán)境因子和溫度環(huán)境進行靈活設置，又能為探索植物在不同生長階段的最優(yōu)光照模式的設定方式及調控策略提供依據。但筆者同樣發(fā)現，該設計中還有一些地方值得后續(xù)進一步進行優(yōu)化設計，主要包括：
①不同植物生長對濕度、CO2濃度都有特定的需求，因此可以在本控制系統(tǒng)的基礎上，通過外接多個其他環(huán)境因素的控制模塊，以實現多因素可控的智能培養(yǎng)方式。②本設計采用智能電源對LED進行控制，從控制效率的角度來說，智能電源采用線性電源結構，效率較低。如果采用PWM(脈寬調制)的方式則效率更高。但這種脈寬調制方式會使得照射出的光產生高頻的閃動變化，而這種模式涉及植物對光頻率響應的變化，也會是個很有趣的研究課題。③由于該系統(tǒng)采用模塊化設計，因此從美觀角度來說，略顯凌亂。后續(xù)設計可以采用集成化設計理念，將所有的控制模塊都集成于一塊PCB板上(如將控制電機的變頻器也合在一塊板上)。人機操作模塊也可以搭建多個APP，通過數據庫傳到遠方，實現遠程控制。④從均光三維圖可知，仍存在局部燈源電流控制的不穩(wěn)定性，可采用多模塊獨立控制，不僅可有效避免各燈源間因電流不平衡造成的干擾，也可以達到同一時間內各燈源的均一性，防止電網電壓造成的沖擊。⑤水培裝置可以進一步改進為可簡易升降或簡易加液式的類型。
前言
21世紀的全球性課題主要集中在糧食、資源環(huán)境等方面，而植物是解決上述問題的物質基礎它不僅可以作為糧食及能源植物被人類使用，而且還兼具凈化空氣、緩解氣候變化等效果"。對于綠色植物而言，光是其生長發(fā)育過程中最重要的環(huán)境因素之一。自然界中對植物光合作用最為有效的波段是380~760nm的可見光，稱之為光合有效輻射！(Photosyntheticactiveradiation,PAR)。
設施農業(yè)作為一種全天候周年可種植的生產方式，無毒害、安全可控技術的引入，在很大程度上降低了多種自然災害的風險，成為現代農業(yè)生產過程中不可或缺的因素。以影響作物生長的光環(huán)境為例，傳統(tǒng)農業(yè)生產一般采用棚膜、遮陽網等覆蓋材料對光環(huán)境加以調控，不僅無法依據作物實際生長的光需求特性進行有效調控，而且未能滿足現代農業(yè)優(yōu)質高產的種植需求。在人工可控環(huán)境條件下，比如在植物工廠中，種植產業(yè)的高度自動化不僅使多種作物生長所需的光照條件得到有效控制，還延伸了對光維度的一般定義，即由原來所認識的光環(huán)境三要素(光強、光質、光周期)，擴展到光的多個維度特性(如光照模式、均勻性等)。不但豐富了人工控制植物生長發(fā)育的途徑，而且對于深入探究不同維度或多種途徑的綜合效益同樣具有重要意義(。對于現代設施農業(yè)而言，僅針對植物的生長或全人工光種植的植物進行補光的栽培管理方式，不僅會消耗大量的電能，也會因光照太強或是有些光譜成分無法被植物真正吸收利用而造成能源的浪費切，因此提高光照效率尤為重要。
光照模式有別于傳統(tǒng)定義的光的周期性照射(包括間歇光照、即刻光照、延遲光照和無光照等)，它是光強、光質與光照時間三者的有機結合，擁有更為復雜的模式組合。此外，以特定植物的吸收光譜響應曲線為基礎，結合植物實際生長周期所需光照總量"的光照模式不僅在減少能耗方面有著更為突出的優(yōu)勢，對于植物的生長及其體內有效物質的積累等方面更具顯著的影響。光照模式可以表征單位時間內，植物在不同照射模式中所接收到的總的光能量密度，單位為(molm2)。1天內植物所能接收到的光總量稱為日光積分(DayLightIntegral)。劉文科等中1指出日光積分不足是限制許多園藝作物生長的因素(一般DLI最小平均值應為10~12mol(m2·天)。其課題組曾就1天內用多個不同的光照模式在相同的光能量密度下對生菜進行照射實驗后發(fā)現，不同的光照模式對生菜生長發(fā)育的影響有顯著差異，研究光照模式對于在生產過程中選取最優(yōu)的節(jié)能光照方案具有重要的意義。
然而，前人研究多關注光環(huán)境三因子中的單一因素或雙因素組合對植物生長的影響，由于光環(huán)境調控的復雜性而鮮見對三因素的綜合研究分析。此外，若要真正研究對植物實際生長周期所需要的光照總量及其對光譜的響應，就必須具備能夠同時調控光環(huán)境三因子(光強、光質和光照時間)的光控實驗裝置。另一方面，對植物的光照必然引起環(huán)境溫度的變化，導致間接引入除對光環(huán)境條件研究以外的環(huán)境制約因素。基于上述分析，課題組研制了基于LED不同光照模式的植物培養(yǎng)系統(tǒng)平臺，主要包括實驗光照控制系統(tǒng)(實驗燈具設計及光照檢測控制系統(tǒng))、溫度控制系統(tǒng)適于植物在光環(huán)境下水培生長裝置。該實驗平臺可以對植物生長所需光環(huán)境因子和溫度環(huán)境進行靈活設置，同時可為探索植物在不同生長階段的最優(yōu)光照模式的設定方式及調控策略提供依據。
LED光溫控制平臺總體設計方案)
圖1為智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)總框圖。該系統(tǒng)是集光照控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)為一體的控制裝置，不僅具備友好的人機操作界面，還能對受控對象的環(huán)境參數進行實時檢測控制、實時反饋和實時調節(jié)。
該系統(tǒng)共設計了12組獨立受控的燈箱。其中，1~9號為LED燈箱，以及3組由熒光燈構成的對照組燈箱，分別表示為FL1、FL2、FL3。
系統(tǒng)硬件設計
智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)硬件框圖采用模塊化設計，主要由PLC控制器、溫控模塊、圖2智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)硬件框圖光控模塊和人機操作模塊及報警模塊組成，其組成框圖如圖2所示。
其中，系統(tǒng)控制核心為PLC(ProgrammableLogicalController)控制器，型號為西門子SIMATICS7-1200，該控制器的處理速度快，多個通訊模塊可以執(zhí)行高速的串行通訊，且存儲容量大，具有多個I0接口，能夠同時控制多個對象滿足本設計的要求。
系統(tǒng)工作時，首先檢測受控對象的光溫參數，并在控制系統(tǒng)的LCD顯示屏上實時顯示。實驗人員通過鍵盤輸入所需參數，PLC讀取參數后，對受控對象進行光溫調節(jié)與檢測。當燈箱內的環(huán)境參數(光環(huán)境參數和溫度參數)超過設定值時系統(tǒng)會發(fā)出警報，并將采集到的參數反饋到控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動進行調節(jié)。
溫控模塊
智能植物生長溫度控制模塊框圖如圖3所示PLC通過比較設定溫度與測量反饋的溫度差值，然后將控制方案送給變頻器。在生長箱外部環(huán)境溫度可控的情況下，通過變頻器控制風扇的轉速，從而實現燈箱內部溫度的調節(jié)。
溫控系統(tǒng)中的散熱裝置采用異步電動機驅動，與傳統(tǒng)的直流電動機相比，異步電動機結構簡單、運行可靠。變頻器采用壓頻(V/F)控制，不僅節(jié)約電能，還能夠對受控對象進行高效控制。采用變頻器與異步電動機協同工作的設計方式，不僅提升了風扇調速性能，還能有效降低電機性能的不足，提高異步電動機的效率，更適宜中小型系統(tǒng)平臺的搭建。
圖4 變頻調速控制原理框圖
溫控模塊的變頻器采用如圖4所示的變頻調速原理。溫度檢測裝置(如熱電阻)將溫度信號轉成電信號傳給PLC控制器，PLC控制器將數據傳給CPU，然后通過PWM脈寬調制驅動電路(DRIVER)對逆變模塊所輸出的電流頻率和大小進行調節(jié)，從而達到控制異步電動機(M)啟動和轉速的目的。
整流模塊選用三相橋式整流電路，可以保證整流橋在工作時或換流瞬間具有可靠的電流通路。采用電容濾波，能濾除某一頻率的諧波電壓，而對直流電壓只有很小衰減。
光控模塊
智能植物生長LED光照控制模塊框圖如圖5所示。
PLC通過采樣實際的光照參數，并與用戶設定的光照參數進行計算，然后將控制策略傳給智能電源。通過智能電源控制輸出電流的大小來控制LED的開關與強弱，從而實現對植物生長光照環(huán)境的調節(jié)。
LED的工作原理是當電壓大于LED燈本身的閥值電壓即可點亮，燈的亮度又由電流大小決定。該系統(tǒng)的智能電源本質為電流源，所輸出的電流大小不會隨負載大小的變化而變化。它可以由用戶通過上位機編程設定并輸出相應電流值，從而實現植物生長所需的光照模式的控制策略。
光控模塊的智能電源采用圖6所示的電流控制原理。智能電源是以可控電流為輸出模式的電源，該系統(tǒng)能夠有效控制燈箱內部LED的電流大小，為植物生長提供所需光照條件。光度計通過檢測受控對象的光照條件，將光信號轉化為電信號傳給PLC上位機，從而實現PLC的實時監(jiān)控，當光照條件滿足設定要求時，PLC發(fā)出控制電流大小的指令。智能電源通過串口與PLC進行通訊，實現上下位機的實時監(jiān)控。
圖6 智能電源控制原理框圖
LED 不同光照模式實驗控制系統(tǒng)的軟件設計
智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)所采用的程序語言為PLC編程語言，具有編程方式簡單、功能適應性強、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點與傳統(tǒng)PC相比，當用戶需要對控制方案進行調整修改時，只需要修改PLC的內部控制程序。PLC的程序常用直觀易懂的梯形圖語言編程進行控制，其通用性體現在PLC可以實現對開關量、過程量以及對閉環(huán)控制等過程進行處理上。
軟件圖7 智能植物生長LED 光溫控制系統(tǒng)軟件控制流程圖
流程如圖7所示，系統(tǒng)工作時，首先進入初始化界面，然后顯示受控對象當前環(huán)境參數(光照參數和溫度參數)，并提示用戶是否執(zhí)行前一次的參數設置。用戶可以對參數進行重新設定，待系統(tǒng)讀取參數后，開始對受控對象內部的光、溫度參數進行檢測，并將其進行實時顯示。同時，系統(tǒng)通過內部的邏輯來判斷當前參數是否符合用戶設定要求，若參數超過設定值，系統(tǒng)自動執(zhí)行光溫控制程序，光、溫控制裝置就會開啟。
圖8分別表示智能控制系統(tǒng)內部的溫度控制子程序(圖左)和光照控制子程序(圖右)。以1號LED燈箱為例，智能控制系統(tǒng)首先檢測LED燈箱內部的溫度參數 T1，然后比較用戶設定的溫度參數T2和T1的差值AT，通過PLC內部算法計算后對風扇的轉速進行調節(jié)，使燈箱內的溫度達到用戶需求。
同樣，對于光環(huán)境控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)檢測燈箱內部的光照參數L1后，并與用戶設定的光照參數L2進行比較，通過系統(tǒng)內部的運算后，對LED的電流進行調節(jié)至符合植物生長所需的光照條件。照射光源設計方案
照射光源采用LED作為主要供試光源。前人有關的實驗中將LED作為研究對象，光源常以線型硬條燈形式出現，但通常存在光質分布不均的情況(圖9)。
因此，該系統(tǒng)采用鋁基板式LED點陣面板(46cmx46cm)為供試光源(圖10)，貼片式LED燈珠進行表面封裝，不僅重量小、壽命長、散熱效率高，而且一致可靠、均勻性高，光源無論在亮度還是發(fā)光視角角度方面都比線性燈條都具有很大的優(yōu)勢。
點陣面板上布控24行24列共576個貼片式LED燈珠以填充整個鋁基板，貼片燈珠采用有序間隔布控的方式。具體地，LED1和LED2中心距離為1.8cm，LED5在LED1和LED2中垂線上且距離兩者等分點的距離也為1.8cm，其他燈源的布控以此類推。面板四周均預留約2cm的空隙。每個貼片燈由紅、綠、藍三種LED顏色構成：每種顏色經PCB布線，只留電源進線公共端和三種顏色獨立控制的公共端。
LED 光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)
LED光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)如圖11所示。PLC光溫控制系統(tǒng)連接自制植物培養(yǎng)架，整個架子高度2.1m,長度1.8m,寬55cm,共分為4層。每層凈高50cm，留底10cm，架子底部設置可控滑輪，方便架子的移動和固定。每層架子又被隔板分為3個隔層，隔板由KT板和反光膜制成，不僅簡單，而且節(jié)約成本。
其中，LED點陣面板的中間和四周留有鉆孔，方便將面板固定于隔層頂部。架子上三層布控LED面板，最底層安裝3組熒光燈對照。每層采用1cm厚度的三合板來用于固定LED面板和熒光燈，三合板采用保鮮薄膜和塑料加以密封：不僅方便鉆孔，而且也不易受潮適于生菜生長的水培裝置的設計
水培蔬菜是指根系大部分生長在營養(yǎng)液液層，僅通過營養(yǎng)液為其提供生長所需的水分、養(yǎng)分等有別于傳統(tǒng)土壤栽培形式的蔬菜。水培蔬菜生長周期短，富含多種人體所必需的維生素和礦物質”。然而傳統(tǒng)水培方式不僅步驟繁雜，而且成本較高，不利于實驗研究。同時，中小型實驗盆的使用不僅增加了清洗的步驟，而且所排棄的廢液容易造成環(huán)境污染。因此，課題組設計了一種適于生菜生長的簡易水培裝置(圖12)，以解決上述問題可能帶來的對實驗的不利影響。
將黑色KT板裁成長33cm、寬度24cm的矩形，然后在板上等分裁剪出4x3共12個直徑32mm的定植孔;采用內徑長31.2cm，寬22.3cm，高7.2cm的長方形塑料自盆作為盛裝營養(yǎng)液的容器;生菜定植前，用大號黑色塑料袋套在白色塑料盆內部，可以有效避免因光照進入營養(yǎng)液而導致苔蘚和浮游生物的滋生。然后將營養(yǎng)液注滿白盆;在所裁剪的KT板的定植孔上，用上口內徑為32 mm，外延直徑為45mm，高度為1.4cm的定植籃作為固定生菜莖部的容器，將直徑為32mm，厚度為2.8cm的圓形定植綿對半裁剪至高度為1.4cm的定植棉，將生菜莖部卡入定植棉中心用于卡入生菜莖部的通孔，然后將定植棉將其嵌入至定植籃，最后將其移至KT板的圓孔上。
系統(tǒng)光照均勻性的分析
通過測試LED光溫可控植物培養(yǎng)系統(tǒng)內部的三維均光特性(圖13)，結果表明，所研制的LED不同光照模式植物培養(yǎng)系統(tǒng)較傳統(tǒng)實驗平臺(圖9)不僅光照分布更為均勻，而且光環(huán)境因子(光強、光質、光周期)和溫度參數簡易可控。能夠有效解決植物在實際實驗中對光照模式和溫度的不同需求，同時也能將其運用于如植物組培苗或實生苗的栽培實驗。
小結與展望
該設計主要研制了基于LED不同光照模式的光照控制系統(tǒng)(實驗燈具設計及光照檢測控制系統(tǒng))、溫度控制系統(tǒng)、適于植物在光環(huán)境下水培生長裝置。結果表明，植物培養(yǎng)系統(tǒng)平臺不僅光照分布更為均勻，且光環(huán)境因子和溫度參數簡易可控。既可對植物生長所需光環(huán)境因子和溫度環(huán)境進行靈活設置，又能為探索植物在不同生長階段的最優(yōu)光照模式的設定方式及調控策略提供依據。但筆者同樣發(fā)現，該設計中還有一些地方值得后續(xù)進一步進行優(yōu)化設計，主要包括：
①不同植物生長對濕度、CO2濃度都有特定的需求，因此可以在本控制系統(tǒng)的基礎上，通過外接多個其他環(huán)境因素的控制模塊，以實現多因素可控的智能培養(yǎng)方式。②本設計采用智能電源對LED進行控制，從控制效率的角度來說，智能電源采用線性電源結構，效率較低。如果采用PWM(脈寬調制)的方式則效率更高。但這種脈寬調制方式會使得照射出的光產生高頻的閃動變化，而這種模式涉及植物對光頻率響應的變化，也會是個很有趣的研究課題。③由于該系統(tǒng)采用模塊化設計，因此從美觀角度來說，略顯凌亂。后續(xù)設計可以采用集成化設計理念，將所有的控制模塊都集成于一塊PCB板上(如將控制電機的變頻器也合在一塊板上)。人機操作模塊也可以搭建多個APP，通過數據庫傳到遠方，實現遠程控制。④從均光三維圖可知，仍存在局部燈源電流控制的不穩(wěn)定性，可采用多模塊獨立控制，不僅可有效避免各燈源間因電流不平衡造成的干擾，也可以達到同一時間內各燈源的均一性，防止電網電壓造成的沖擊。⑤水培裝置可以進一步改進為可簡易升降或簡易加液式的類型。