初步構(gòu)建LED光源的植物生長動態(tài)補(bǔ)光控制系統(tǒng)

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，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。通過不同光質(zhì)對草莓、蘭花等植物的研究結(jié)果表明，紅光對植物形態(tài)、調(diào)節(jié)株高具有重要的影響，對葉片的生長過程會有促進(jìn)作用，植物的葉、莖與葉柄會伸長，但葉綠素含量較低，生長指標(biāo)和干物質(zhì)積累也會降低。藍(lán)光對光合作用的調(diào)控作用主要集中在氣孔的開啟、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)合光譜對植物光合生理特性的研究中，紅藍(lán)光LED組合對植物的生長發(fā)育過程能產(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的輔助光源。通過軟件對上位機(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。

1.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

動態(tài)補(bǔ)光控制系統(tǒng)是利用MINI-PAM監(jiān)測番茄實際光合效率和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)決策模塊是一臺工業(yè)級服務(wù)器，自主開發(fā)設(shè)計的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LED組合光源和MINI-PAM調(diào)制式熒光檢測儀組成。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

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?？删幊毯懔髟春愣ㄝ敵鲭娏?，所以電流不受負(fù)載的影響，驅(qū)動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)計算出合適的補(bǔ)光電流值，通過串行通信發(fā)送指令給電源，最后可編程恒流源提供的穩(wěn)定的輸出電流來驅(qū)動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LED補(bǔ)光光源的情況下，測試控制電流和實際電流，測試結(jié)果中的12個數(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

利用LED光線集中、方向固定特點，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)計方案紅、藍(lán)LED個數(shù)比為1:1和4:1.陣列一：紅、藍(lán)LED個數(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個數(shù)比為4:1,紅光LED和藍(lán)光LED組成一個區(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)行測量。通過RS-232接口與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信，實現(xiàn)上位機(jī)閉環(huán)控制MINIPAM和LED發(fā)光陣列。

3.番茄生長動態(tài)補(bǔ)光控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

動態(tài)補(bǔ)光是基于上位機(jī)的信息收集與存儲，數(shù)據(jù)分析，下發(fā)命令來實現(xiàn)的，動態(tài)循環(huán)過程由環(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，具體流程見圖3。

利用基于STM32F103VCT6單片機(jī)的環(huán)境因子監(jiān)控模塊實時監(jiān)測番茄生長環(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，上位機(jī)啟動MINIPAM并得到熒光參數(shù)(ΦPSⅡ值)返回值，計算需要補(bǔ)光的光強(qiáng)和合適的紅、藍(lán)LED組合比例，分別