基于LED光源的植物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于熒光檢測(cè)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)光系統(tǒng)是利用MINI-PAM監(jiān)測(cè)番茄實(shí)際光合效率和LED組合光源補(bǔ)光相結(jié)合指導(dǎo)溫室番茄種植，定量的分析熒光參數(shù)并解決了科學(xué)適量補(bǔ)光問(wèn)題。該系統(tǒng)由上位機(jī)總控制中心，自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的STM32單片機(jī)的溫室信息監(jiān)控系統(tǒng)，提供穩(wěn)定電流的可編程恒流源，大功率紅、藍(lán)光LED組合光源和MINI-PAM便攜調(diào)制式熒光檢測(cè)儀組成。STM32單片機(jī)溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)和便攜式調(diào)制熒光檢測(cè)儀分別測(cè)量記錄環(huán)境信息和熒光參數(shù)信息，從這些信息分析計(jì)算出LED組合光源的亮度和最佳紅藍(lán)光比例，最后上位機(jī)控制可編程恒流源驅(qū)動(dòng)LED組合光源，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)光的目的。

0 引言

光合作用是是生物界所有物質(zhì)代謝和能量的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物在光合作用的原初反映，將吸收光能是以較大的熒光方式釋放的，因此葉綠素?zé)晒馀c光合作用有著十分密切的關(guān)系。近30年來(lái)，LED人工光源在設(shè)施園藝、植物設(shè)施栽培、太空農(nóng)業(yè)中的研究已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。通過(guò)不同光質(zhì)對(duì)草莓、蘭花等植物的研究結(jié)果表明，紅光對(duì)植物形態(tài)、調(diào)節(jié)株高具有重要的影響，對(duì)葉片的生長(zhǎng)過(guò)程會(huì)有促進(jìn)作用，植物的葉、莖與葉柄會(huì)伸長(zhǎng)，但葉綠素含量較低，生長(zhǎng)指標(biāo)和干物質(zhì)積累也會(huì)降低。藍(lán)光對(duì)光合作用的調(diào)控作用主要集中在氣孔的開(kāi)啟、葉綠體的分化以及調(diào)節(jié)光合作用酶的活性等。POSPA等研究發(fā)現(xiàn)在單色藍(lán)光LED作用下，葉綠素含量最高，葉片氣孔數(shù)最多。目前，在復(fù)合光譜對(duì)植物光合生理特性的研究中，紅藍(lán)光LED組合對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程能產(chǎn)生積極影響，由于單色光處理，因此該系統(tǒng)以紅藍(lán)光組合作為番茄生長(zhǎng)的輔助光源。通過(guò)軟件對(duì)上位機(jī)、可編程電源控制的LED陣列以及MINIPAM調(diào)制熒光儀進(jìn)行閉環(huán)控制，分析在何種光照條件下最有利于番茄的生長(zhǎng)。

1.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)補(bǔ)光控制系統(tǒng)是利用MINI-PAM監(jiān)測(cè)番茄實(shí)際光合效率和LED組合光源補(bǔ)光相結(jié)合指導(dǎo)溫室番茄補(bǔ)光生產(chǎn)，該系統(tǒng)由五大模塊構(gòu)成，上位機(jī)決策模塊是一臺(tái)工業(yè)級(jí)服務(wù)器，自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的STM32單片機(jī)的溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，為補(bǔ)光光源提供穩(wěn)定電流的JBP-7510型可編程控制恒流源，大功率紅、藍(lán)光L E D組合光源和MINI-PAM調(diào)制式熒光檢測(cè)儀組成。以熒光參數(shù)為目標(biāo)，在溫室環(huán)境中不斷調(diào)節(jié)可編程恒流源的輸出電流來(lái)改變LED組合光源的光照強(qiáng)度，進(jìn)而改變番茄的熒光參數(shù)ΦPSⅡ到期望值，達(dá)到對(duì)番茄光合作用人工調(diào)控的效果。系統(tǒng)的基本原理圖如圖1所示。

2.監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 LED組合光源的供電模塊JBP-7510型可編程控制恒流電源為電流電源，額定工作狀態(tài)下，能輸出穩(wěn)定的期望電流，為了精準(zhǔn)的控制LED組合光源驅(qū)動(dòng)電流，達(dá)到控制光源光照條件的目的，選擇一款穩(wěn)定性很高的電流源是非常重要的。可編程恒流源恒定輸出電流，所以電流不受負(fù)載的影響，驅(qū)動(dòng)電流值的大小直接控制著LED燈珠亮度，所以電流源能準(zhǔn)確的控制LED組合光源的光強(qiáng)?？删幊毯懔髟措妷狠敵鲎畲鬄?5V,電壓精度為0.05%+37.5mV,電流輸出最大為10A,電流精度為0.1%+10mA.根據(jù)熒光參數(shù)上位機(jī)計(jì)算出合適的補(bǔ)光電流值，通過(guò)串行通信發(fā)送指令給電源，最后可編程恒流源提供的穩(wěn)定的輸出電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED組合光源。

JBP-7510型可編程控制恒流電源在室溫25攝氏度下，驅(qū)動(dòng)LED補(bǔ)光光源的情況下，測(cè)試控制電流和實(shí)際電流，測(cè)試結(jié)果中的12個(gè)數(shù)據(jù)如表1所示。從數(shù)據(jù)結(jié)果分析得到，電流精度均優(yōu)于±0.2%,所以說(shuō)JBP-7510型可編程控制恒流電源電流精確度可以滿足系統(tǒng)補(bǔ)光電流的輸出精度。

2.2 LED陣列設(shè)計(jì)

利用LED光線集中、方向固定特點(diǎn)，要想做到紅藍(lán)LED在照射區(qū)域的均勻必須進(jìn)行合理的規(guī)劃和優(yōu)化改進(jìn)。番茄的補(bǔ)光主要用到紅藍(lán)光LED,設(shè)計(jì)的組合光源要保證番茄接收到的光線中紅藍(lán)光的均勻，兩種設(shè)計(jì)方案紅、藍(lán)LED個(gè)數(shù)比為1:1和4:1.陣列一：紅、藍(lán)LED個(gè)數(shù)比為1:1,LED間隔均勻排列，相鄰LED間距為10mm,陣列情況如圖2(a)所示。陣列二：紅、藍(lán)LED個(gè)數(shù)比為4:1,紅光LED和藍(lán)光LED組成一個(gè)區(qū)域，藍(lán)光LED在中心，陣列情況如圖2(b)所示。

2.3 MINIPAM調(diào)制熒光檢測(cè)儀

MINIPAM型脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x由WALZ公司制造，本系統(tǒng)利用其對(duì)植物光適應(yīng)下的穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量Fs、光適應(yīng)下最大熒光產(chǎn)量Fm等相關(guān)熒光參數(shù)值進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)RS-232接口與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)閉環(huán)控制MINIPAM和LED發(fā)光陣列。

3.番茄生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)光控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)補(bǔ)光是基于上位機(jī)的信息收集與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)分析，下發(fā)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程由環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，便攜式調(diào)制熒光儀和可編程恒流源協(xié)同完成，具體流程見(jiàn)圖3.

利用基于STM32F103VCT6單片機(jī)的環(huán)境因子監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)番茄生長(zhǎng)環(huán)境，把傳感器得到的環(huán)境因子傳送給上位機(jī)，當(dāng)溫室內(nèi)光照不足時(shí)，上位機(jī)啟動(dòng)MINIPAM并得到熒光參數(shù)(ΦPSⅡ值)返回值，計(jì)算需要補(bǔ)光的光強(qiáng)和合適的紅、藍(lán)LED組合比例，分別下達(dá)LED組合光源工作電流值命令給與COM1通信的JBP-7510型可編程恒流源， 下達(dá)紅、藍(lán)L E D 比例命令給STM32F103VCT6單片機(jī)。紅、藍(lán)LED組合光源通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)自己的亮度，STM32F103VCT6單片機(jī)控制每個(gè)LED的電流來(lái)達(dá)到控制比例。單片機(jī)繼續(xù)監(jiān)測(cè)光照條件，循環(huán)對(duì)比動(dòng)態(tài)補(bǔ)光，直到熒光參數(shù)維持在預(yù)定值。MINI-PAM定時(shí)將采集到的番茄熒光參數(shù)通過(guò)上位機(jī)的COM2口傳送并存儲(chǔ)在上位機(jī)上，上位機(jī)判定熒光參數(shù)是否高于或低于預(yù)定值，進(jìn)而決策控制單片機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和可編程控制電流源，實(shí)時(shí)調(diào)整溫室環(huán)境，保證最佳LED組合光源紅、藍(lán)光組合比例和亮度，使溫室環(huán)境因子控制模型成為最佳的番茄生長(zhǎng)模型。

4.結(jié)論

目前已初步構(gòu)建動(dòng)態(tài)補(bǔ)光系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)完成了24小時(shí)熒光參數(shù)的監(jiān)控。根據(jù)實(shí)際需要，以LED光源為基礎(chǔ)，根據(jù)單色LED及組合LED光源對(duì)植物的作用過(guò)程，設(shè)計(jì)適宜植物不同生長(zhǎng)階段的LED組合配比參數(shù)，并通過(guò)最佳LED光源的設(shè)計(jì)，利用LED輸出光強(qiáng)與熒光參數(shù)之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)將最佳匹配的光源信息及光照周期輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所有采集上來(lái)的熒光參數(shù)和環(huán)境因子信息指導(dǎo)動(dòng)態(tài)輸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)光系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要針對(duì)北方溫室低溫弱光的特點(diǎn)，以番茄為研究對(duì)象，在低溫弱光下的補(bǔ)光方式，并確立在最佳光源下、不同生長(zhǎng)時(shí)期、不同環(huán)境參數(shù)(水分、溫度)影響下的番茄生長(zhǎng)控制模型。