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(shí)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(zhì)、光強(qiáng)、光周期3個(gè)因素，為了更加深入研究植物實(shí)際生長周期所需要的光照總量及其對光譜的響應(yīng)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及光溫檢測控制系統(tǒng)和植物水培生長裝置。結(jié)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(shù)簡易可控：既可對植物生長所需光環(huán)境因子和溫度進(jìn)行靈活設(shè)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(shè)定方式及調(diào)控策略提供依據(jù)。
前言
21世紀(jì)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(zhì)基礎(chǔ)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(shè)施農(nóng)業(yè)作為一種全天候周年可種植的生產(chǎn)方式，無毒害、安全可控技術(shù)的引入，在很大程度上降低了多種自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)一般采用棚膜、遮陽網(wǎng)等覆蓋材料對光環(huán)境加以調(diào)控，不僅無法依據(jù)作物實(shí)際生長的光需求特性進(jìn)行有效調(diào)控，而且未能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的高度自動(dòng)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(rèn)識(shí)的光環(huán)境三要素(光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期)，擴(kuò)展到光的多個(gè)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(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)而言，僅針對植物的生長或全人工光種植的植物進(jìn)行補(bǔ)光的栽培管理方式，不僅會(huì)消耗大量的電能，也會(huì)因光照太強(qiáng)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(fèi)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(qiáng)、光質(zhì)與光照時(shí)間三者的有機(jī)結(jié)合，擁有更為復(fù)雜的模式組合。此外，以特定植物的吸收光譜響應(yīng)曲線為基礎(chǔ)，結(jié)合植物實(shí)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(nèi)有效物質(zhì)的積累等方面更具顯著的影響。光照模式可以表征單位時(shí)間內(nèi)，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(nèi)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(yīng)為10~12mol(m2·天)。其課題組曾就1天內(nèi)用多個(gè)不同的光照模式在相同的光能量密度下對生菜進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(guān)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(diào)控的復(fù)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(shí)際生長周期所需要的光照總量及其對光譜的響應(yīng)，就必須具備能夠同時(shí)調(diào)控光環(huán)境三因子(光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)間)的光控實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(tái)，主要包括實(shí)驗(yàn)光照控制系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)燈具設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對植物生長所需光環(huán)境因子和溫度環(huán)境進(jìn)行靈活設(shè)置，同時(shí)可為探索植物在不同生長階段的最優(yōu)光照模式的設(shè)定方式及調(diào)控策略提供依據(jù)。
LED光溫控制平臺(tái)總體設(shè)計(jì)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(jī)操作界面，還能對受控對象的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測控制、實(shí)時(shí)反饋和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
該系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了12組獨(dú)立受控的燈箱。其中，1~9號(hào)為LED燈箱，以及3組由熒光燈構(gòu)成的對照組燈箱，分別表示為FL1、FL2、FL3。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)硬件框圖采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jī)操作模塊及報(bào)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(hào)為西門子SIMATICS7-1200，該控制器的處理速度快，多個(gè)通訊模塊可以執(zhí)行高速的串行通訊，且存儲(chǔ)容量大，具有多個(gè)I0接口，能夠同時(shí)控制多個(gè)對象滿足本設(shè)計(jì)的要求。
系統(tǒng)工作時(shí)，首先檢測受控對象的光溫參數(shù)，并在控制系統(tǒng)的LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)人員通過鍵盤輸入所需參數(shù)，PLC讀取參數(shù)后，對受控對象進(jìn)行光溫調(diào)節(jié)與檢測。當(dāng)燈箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)(光環(huán)境參數(shù)和溫度參數(shù))超過設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并將采集到的參數(shù)反饋到控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)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(shè)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(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)燈箱內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)。
溫控系統(tǒng)中的散熱裝置采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。變頻器采用壓頻(V/F)控制，不僅節(jié)約電能，還能夠?qū)κ芸貙ο筮M(jìn)行高效控制。采用變頻器與異步電動(dòng)機(jī)協(xié)同工作的設(shè)計(jì)方式，不僅提升了風(fēng)扇調(diào)速性能，還能有效降低電機(jī)性能的不足，提高異步電動(dòng)機(jī)的效率，更適宜中小型系統(tǒng)平臺(tái)的搭建。
圖4 變頻調(diào)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(diào)速原理。溫度檢測裝置(如熱電阻)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)傳給PLC控制器，PLC控制器將數(shù)據(jù)傳給CPU，然后通過PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路(DRIVER)對逆變模塊所輸出的電流頻率和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)(M)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)際的光照參數(shù)，并與用戶設(shè)定的光照參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(guān)與強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)對植物生長光照環(huán)境的調(diào)節(jié)。
LED的工作原理是當(dāng)電壓大于LED燈本身的閥值電壓即可點(diǎn)亮，燈的亮度又由電流大小決定。該系統(tǒng)的智能電源本質(zhì)為電流源，所輸出的電流大小不會(huì)隨負(fù)載大小的變化而變化。它可以由用戶通過上位機(jī)編程設(shè)定并輸出相應(yīng)電流值，從而實(shí)現(xiàn)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(nèi)部LED的電流大小，為植物生長提供所需光照條件。光度計(jì)通過檢測受控對象的光照條件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給PLC上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)光照條件滿足設(shè)定要求時(shí)，PLC發(fā)出控制電流大小的指令。智能電源通過串口與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
圖6 智能電源控制原理框圖
LED 不同光照模式實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
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(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)PC相比，當(dāng)用戶需要對控制方案進(jìn)行調(diào)整修改時(shí)，只需要修改PLC的內(nèi)部控制程序。PLC的程序常用直觀易懂的梯形圖語言編程進(jìn)行控制，其通用性體現(xiàn)在PLC可以實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量、過程量以及對閉環(huán)控制等過程進(jìn)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(shí)，首先進(jìn)入初始化界面，然后顯示受控對象當(dāng)前環(huán)境參數(shù)(光照參數(shù)和溫度參數(shù))，并提示用戶是否執(zhí)行前一次的參數(shù)設(shè)置。用戶可以對參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，待系統(tǒng)讀取參數(shù)后，開始對受控對象內(nèi)部的光、溫度參數(shù)進(jìn)行檢測，并將其進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，系統(tǒng)通過內(nèi)部的邏輯來判斷當(dāng)前參數(shù)是否符合用戶設(shè)定要求，若參數(shù)超過設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行光溫控制程序，光、溫控制裝置就會(huì)開啟。
圖8分別表示智能控制系統(tǒng)內(nèi)部的溫度控制子程序(圖左)和光照控制子程序(圖右)。以1號(hào)LED燈箱為例，智能控制系統(tǒng)首先檢測LED燈箱內(nèi)部的溫度參數(shù) T1，然后比較用戶設(shè)定的溫度參數(shù)T2和T1的差值A(chǔ)T，通過PLC內(nèi)部算法計(jì)算后對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使燈箱內(nèi)的溫度達(dá)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(nèi)部的光照參數(shù)L1后，并與用戶設(shè)定的光照參數(shù)L2進(jìn)行比較，通過系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)算后，對LED的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)至符合植物生長所需的光照條件。照射光源設(shè)計(jì)方案
照射光源采用LED作為主要供試光源。前人有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中將LED作為研究對象，光源常以線型硬條燈形式出現(xiàn)，但通常存在光質(zhì)分布不均的情況(圖9)。
因此，該系統(tǒng)采用鋁基板式LED點(diǎn)陣面板(46cmx46cm)為供試光源(圖10)，貼片式LED燈珠進(jìn)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(diǎn)陣面板上布控24行24列共576個(gè)貼片式LED燈珠以填充整個(gè)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(diǎn)的距離也為1.8cm，其他燈源的布控以此類推。面板四周均預(yù)留約2cm的空隙。每個(gè)貼片燈由紅、綠、藍(lán)三種LED顏色構(gòu)成：每種顏色經(jīng)PCB布線，只留電源進(jìn)線公共端和三種顏色獨(dú)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(gè)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(shè)置可控滑輪，方便架子的移動(dòng)和固定。每層架子又被隔板分為3個(gè)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(diǎn)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(shè)計(jì)
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(zhì)”。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(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，中小型實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)直徑32mm的定植孔;采用內(nèi)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(hào)黑色塑料袋套在白色塑料盆內(nèi)部，可以有效避免因光照進(jìn)入營養(yǎng)液而導(dǎo)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(nèi)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(nèi)部的三維均光特性(圖13)，結(jié)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖9)不僅光照分布更為均勻，而且光環(huán)境因子(光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期)和溫度參數(shù)簡易可控。能夠有效解決植物在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中對光照模式和溫度的不同需求，同時(shí)也能將其運(yùn)用于如植物組培苗或?qū)嵣绲脑耘鄬?shí)驗(yàn)。
小結(jié)與展望
該設(shè)計(jì)主要研制了基于LED不同光照模式的光照控制系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)燈具設(shè)計(jì)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(jié)果表明，植物培養(yǎng)系統(tǒng)平臺(tái)不僅光照分布更為均勻，且光環(huán)境因子和溫度參數(shù)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(jìn)行靈活設(shè)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(shè)定方式及調(diào)控策略提供依據(jù)。但筆者同樣發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)中還有一些地方值得后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(chǔ)上，通過外接多個(gè)其他環(huán)境因素的控制模塊，以實(shí)現(xiàn)多因素可控的智能培養(yǎng)方式。②本設(shè)計(jì)采用智能電源對LED進(jìn)行控制，從控制效率的角度來說，智能電源采用線性電源結(jié)構(gòu)，效率較低。如果采用PWM(脈寬調(diào)制)的方式則效率更高。但這種脈寬調(diào)制方式會(huì)使得照射出的光產(chǎn)生高頻的閃動(dòng)變化，而這種模式涉及植物對光頻率響應(yīng)的變化，也會(huì)是個(gè)很有趣的研究課題。③由于該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，因此從美觀角度來說，略顯凌亂。后續(xù)設(shè)計(jì)可以采用集成化設(shè)計(jì)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(jī)的變頻器也合在一塊板上)。人機(jī)操作模塊也可以搭建多個(gè)APP，通過數(shù)據(jù)庫傳到遠(yuǎn)方，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dú)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(dá)到同一時(shí)間內(nèi)各燈源的均一性，防止電網(wǎng)電壓造成的沖擊。⑤水培裝置可以進(jìn)一步改進(jìn)為可簡易升降或簡易加液式的類型。
前言
21世紀(jì)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(zhì)基礎(chǔ)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(shè)施農(nóng)業(yè)作為一種全天候周年可種植的生產(chǎn)方式，無毒害、安全可控技術(shù)的引入，在很大程度上降低了多種自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)一般采用棚膜、遮陽網(wǎng)等覆蓋材料對光環(huán)境加以調(diào)控，不僅無法依據(jù)作物實(shí)際生長的光需求特性進(jìn)行有效調(diào)控，而且未能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的高度自動(dòng)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(rèn)識(shí)的光環(huán)境三要素(光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期)，擴(kuò)展到光的多個(gè)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(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)而言，僅針對植物的生長或全人工光種植的植物進(jìn)行補(bǔ)光的栽培管理方式，不僅會(huì)消耗大量的電能，也會(huì)因光照太強(qiáng)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(fèi)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(qiáng)、光質(zhì)與光照時(shí)間三者的有機(jī)結(jié)合，擁有更為復(fù)雜的模式組合。此外，以特定植物的吸收光譜響應(yīng)曲線為基礎(chǔ)，結(jié)合植物實(shí)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(nèi)有效物質(zhì)的積累等方面更具顯著的影響。光照模式可以表征單位時(shí)間內(nèi)，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(nèi)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(yīng)為10~12mol(m2·天)。其課題組曾就1天內(nèi)用多個(gè)不同的光照模式在相同的光能量密度下對生菜進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(guān)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(diào)控的復(fù)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(shí)際生長周期所需要的光照總量及其對光譜的響應(yīng)，就必須具備能夠同時(shí)調(diào)控光環(huán)境三因子(光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)間)的光控實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(tái)，主要包括實(shí)驗(yàn)光照控制系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)燈具設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對植物生長所需光環(huán)境因子和溫度環(huán)境進(jìn)行靈活設(shè)置，同時(shí)可為探索植物在不同生長階段的最優(yōu)光照模式的設(shè)定方式及調(diào)控策略提供依據(jù)。
LED光溫控制平臺(tái)總體設(shè)計(jì)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(jī)操作界面，還能對受控對象的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測控制、實(shí)時(shí)反饋和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
該系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了12組獨(dú)立受控的燈箱。其中，1~9號(hào)為LED燈箱，以及3組由熒光燈構(gòu)成的對照組燈箱，分別表示為FL1、FL2、FL3。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
智能植物生長LED光溫控制系統(tǒng)硬件框圖采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jī)操作模塊及報(bào)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(hào)為西門子SIMATICS7-1200，該控制器的處理速度快，多個(gè)通訊模塊可以執(zhí)行高速的串行通訊，且存儲(chǔ)容量大，具有多個(gè)I0接口，能夠同時(shí)控制多個(gè)對象滿足本設(shè)計(jì)的要求。
系統(tǒng)工作時(shí)，首先檢測受控對象的光溫參數(shù)，并在控制系統(tǒng)的LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)人員通過鍵盤輸入所需參數(shù)，PLC讀取參數(shù)后，對受控對象進(jìn)行光溫調(diào)節(jié)與檢測。當(dāng)燈箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)(光環(huán)境參數(shù)和溫度參數(shù))超過設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并將采集到的參數(shù)反饋到控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)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(shè)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(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)燈箱內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)。
溫控系統(tǒng)中的散熱裝置采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。變頻器采用壓頻(V/F)控制，不僅節(jié)約電能，還能夠?qū)κ芸貙ο筮M(jìn)行高效控制。采用變頻器與異步電動(dòng)機(jī)協(xié)同工作的設(shè)計(jì)方式，不僅提升了風(fēng)扇調(diào)速性能，還能有效降低電機(jī)性能的不足，提高異步電動(dòng)機(jī)的效率，更適宜中小型系統(tǒng)平臺(tái)的搭建。
圖4 變頻調(diào)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(diào)速原理。溫度檢測裝置(如熱電阻)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)傳給PLC控制器，PLC控制器將數(shù)據(jù)傳給CPU，然后通過PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路(DRIVER)對逆變模塊所輸出的電流頻率和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)(M)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)際的光照參數(shù)，并與用戶設(shè)定的光照參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(guān)與強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)對植物生長光照環(huán)境的調(diào)節(jié)。
LED的工作原理是當(dāng)電壓大于LED燈本身的閥值電壓即可點(diǎn)亮，燈的亮度又由電流大小決定。該系統(tǒng)的智能電源本質(zhì)為電流源，所輸出的電流大小不會(huì)隨負(fù)載大小的變化而變化。它可以由用戶通過上位機(jī)編程設(shè)定并輸出相應(yīng)電流值，從而實(shí)現(xiàn)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(nèi)部LED的電流大小，為植物生長提供所需光照條件。光度計(jì)通過檢測受控對象的光照條件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給PLC上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)光照條件滿足設(shè)定要求時(shí)，PLC發(fā)出控制電流大小的指令。智能電源通過串口與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
圖6 智能電源控制原理框圖
LED 不同光照模式實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
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(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)PC相比，當(dāng)用戶需要對控制方案進(jìn)行調(diào)整修改時(shí)，只需要修改PLC的內(nèi)部控制程序。PLC的程序常用直觀易懂的梯形圖語言編程進(jìn)行控制，其通用性體現(xiàn)在PLC可以實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量、過程量以及對閉環(huán)控制等過程進(jìn)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(shí)，首先進(jìn)入初始化界面，然后顯示受控對象當(dāng)前環(huán)境參數(shù)(光照參數(shù)和溫度參數(shù))，并提示用戶是否執(zhí)行前一次的參數(shù)設(shè)置。用戶可以對參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，待系統(tǒng)讀取參數(shù)后，開始對受控對象內(nèi)部的光、溫度參數(shù)進(jìn)行檢測，并將其進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，系統(tǒng)通過內(nèi)部的邏輯來判斷當(dāng)前參數(shù)是否符合用戶設(shè)定要求，若參數(shù)超過設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行光溫控制程序，光、溫控制裝置就會(huì)開啟。
圖8分別表示智能控制系統(tǒng)內(nèi)部的溫度控制子程序(圖左)和光照控制子程序(圖右)。以1號(hào)LED燈箱為例，智能控制系統(tǒng)首先檢測LED燈箱內(nèi)部的溫度參數(shù) T1，然后比較用戶設(shè)定的溫度參數(shù)T2和T1的差值A(chǔ)T，通過PLC內(nèi)部算法計(jì)算后對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使燈箱內(nèi)的溫度達(dá)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(nèi)部的光照參數(shù)L1后，并與用戶設(shè)定的光照參數(shù)L2進(jìn)行比較，通過系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)算后，對LED的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)至符合植物生長所需的光照條件。照射光源設(shè)計(jì)方案
照射光源采用LED作為主要供試光源。前人有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中將LED作為研究對象，光源常以線型硬條燈形式出現(xiàn)，但通常存在光質(zhì)分布不均的情況(圖9)。
因此，該系統(tǒng)采用鋁基板式LED點(diǎn)陣面板(46cmx46cm)為供試光源(圖10)，貼片式LED燈珠進(jìn)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(diǎn)陣面板上布控24行24列共576個(gè)貼片式LED燈珠以填充整個(gè)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(diǎn)的距離也為1.8cm，其他燈源的布控以此類推。面板四周均預(yù)留約2cm的空隙。每個(gè)貼片燈由紅、綠、藍(lán)三種LED顏色構(gòu)成：每種顏色經(jīng)PCB布線，只留電源進(jìn)線公共端和三種顏色獨(dú)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(gè)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(shè)置可控滑輪，方便架子的移動(dòng)和固定。每層架子又被隔板分為3個(gè)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(diǎn)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(shè)計(jì)
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(zhì)”。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(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，中小型實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)直徑32mm的定植孔;采用內(nèi)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(hào)黑色塑料袋套在白色塑料盆內(nèi)部，可以有效避免因光照進(jìn)入營養(yǎng)液而導(dǎo)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(nèi)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(nèi)部的三維均光特性(圖13)，結(jié)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖9)不僅光照分布更為均勻，而且光環(huán)境因子(光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期)和溫度參數(shù)簡易可控。能夠有效解決植物在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中對光照模式和溫度的不同需求，同時(shí)也能將其運(yùn)用于如植物組培苗或?qū)嵣绲脑耘鄬?shí)驗(yàn)。
小結(jié)與展望
該設(shè)計(jì)主要研制了基于LED不同光照模式的光照控制系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)燈具設(shè)計(jì)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(jié)果表明，植物培養(yǎng)系統(tǒng)平臺(tái)不僅光照分布更為均勻，且光環(huán)境因子和溫度參數(shù)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(jìn)行靈活設(shè)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(shè)定方式及調(diào)控策略提供依據(jù)。但筆者同樣發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)中還有一些地方值得后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(chǔ)上，通過外接多個(gè)其他環(huán)境因素的控制模塊，以實(shí)現(xiàn)多因素可控的智能培養(yǎng)方式。②本設(shè)計(jì)采用智能電源對LED進(jìn)行控制，從控制效率的角度來說，智能電源采用線性電源結(jié)構(gòu)，效率較低。如果采用PWM(脈寬調(diào)制)的方式則效率更高。但這種脈寬調(diào)制方式會(huì)使得照射出的光產(chǎn)生高頻的閃動(dòng)變化，而這種模式涉及植物對光頻率響應(yīng)的變化，也會(huì)是個(gè)很有趣的研究課題。③由于該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，因此從美觀角度來說，略顯凌亂。后續(xù)設(shè)計(jì)可以采用集成化設(shè)計(jì)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(jī)的變頻器也合在一塊板上)。人機(jī)操作模塊也可以搭建多個(gè)APP，通過數(shù)據(jù)庫傳到遠(yuǎn)方，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dú)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(dá)到同一時(shí)間內(nèi)各燈源的均一性，防止電網(wǎng)電壓造成的沖擊。⑤水培裝置可以進(jìn)一步改進(jìn)為可簡易升降或簡易加液式的類型。