基于植株需光差異特性的設(shè)施黃瓜立體光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)

來(lái)源：職稱那點(diǎn)事作者：田編輯時(shí)間：2020-09-03 09:16

　　摘要: 光是植物進(jìn)行光合作用的主要能量來(lái)源，光照好壞直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。本研究針對(duì)現(xiàn)有植物補(bǔ)光系統(tǒng)多以功能葉光合能力為基準(zhǔn)進(jìn)行冠層補(bǔ)光，導(dǎo)致冠層新生葉光抑制、株間功能葉位補(bǔ)光不足以及補(bǔ)光位置不能適應(yīng)作物生長(zhǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的問題，以黃瓜為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于植株需光差異特性的設(shè)施黃瓜立體光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智能控制子系統(tǒng)、冠層-株間LED補(bǔ)光子系統(tǒng)、冠層-株間環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和補(bǔ)光燈升降子系統(tǒng)組成，通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間無(wú)線通信。其中冠層-株間環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)分別獲取冠層和株間環(huán)境信息并發(fā)送至智能控制子系統(tǒng)，智能控制子系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)信息調(diào)用冠層調(diào)控模型和株間適宜葉位調(diào)控模型獲得相應(yīng)調(diào)控目標(biāo)值，并將其下發(fā)至冠層-株間補(bǔ)光燈，實(shí)現(xiàn)冠層與株間補(bǔ)光燈的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控。在陜西省涇陽(yáng)縣蔬菜產(chǎn)業(yè)綜合服務(wù)區(qū)蔬菜基地分別部署立體補(bǔ)光設(shè)備和傳統(tǒng)冠層補(bǔ)光設(shè)備，并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控效果驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，立體補(bǔ)光區(qū)黃瓜植株的株高和莖粗顯著增長(zhǎng)，其中相比傳統(tǒng)冠層補(bǔ)光區(qū)平均株高、莖粗分別增長(zhǎng)了8.03%和7.24%，相比自然處理區(qū)平均株高、莖粗分別增長(zhǎng)了26.51%和36.03%；在一個(gè)月的采摘期內(nèi)，立體補(bǔ)光區(qū)相比傳統(tǒng)冠層補(bǔ)光區(qū)和自然處理區(qū)產(chǎn)量分別提升了0.28和1.39 kg/m2，經(jīng)濟(jì)效益分別增加了2.82和4.88 CNY/m2，說(shuō)明立體光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)能夠提高經(jīng)濟(jì)效益，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞: 設(shè)施光環(huán)境；ZigBee；黃瓜葉位；立體補(bǔ)光；智能調(diào)控；PWM

　　1 引言

　　光照是植物進(jìn)行光合作用的首要條件，直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-3]。設(shè)施栽培受溫室結(jié)構(gòu)、薄膜覆蓋、霧霾及雨雪天氣等因素影響，設(shè)施內(nèi)自然光投透射率僅為外界環(huán)境的30%~60%，造成作物光合能力受限，不能滿足生長(zhǎng)發(fā)育需求，進(jìn)而影響產(chǎn)量和品質(zhì)[4-6]，因此，借助人工補(bǔ)光技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)增產(chǎn)提質(zhì)的重要保障措施。

　　近年來(lái)，科研團(tuán)隊(duì)在設(shè)施光環(huán)境智能調(diào)控方面已開展了部分研究[7-10]。Pinho等[11]研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整光強(qiáng)度不僅可以促進(jìn)生菜鮮重增加，還可以降低能耗，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一種適用于植物工廠的動(dòng)態(tài)補(bǔ)光控制系統(tǒng)。劉曉英等[12]開發(fā)了一種光參數(shù)柔性可調(diào)的發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）光源系統(tǒng)，為探究光質(zhì)、光強(qiáng)度、光周期對(duì)設(shè)施作物生長(zhǎng)相互影響規(guī)律提供了一種靈活的光參數(shù)配比系統(tǒng)。上述兩種光調(diào)控系統(tǒng)用于植物工廠中葉菜類的種植，其環(huán)境因素相對(duì)穩(wěn)定可控，調(diào)控策略相對(duì)簡(jiǎn)單。而溫室中藤蔓類作物的光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)較為復(fù)雜，不僅要考慮環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，如光照、溫度、二氧化碳等對(duì)光調(diào)控系統(tǒng)的影響，還需考慮作物不同生長(zhǎng)階段的需光差異性。為此，胡瑾等[13]設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用自然光中太陽(yáng)高度角與紅藍(lán)光比例關(guān)系，可根據(jù)作物實(shí)際需光量進(jìn)行精準(zhǔn)定量補(bǔ)光，具有部署靈活、易擴(kuò)展、低能耗等優(yōu)勢(shì)[14]。蘇戰(zhàn)戰(zhàn)等[15]為滿足溫室番茄光環(huán)境的自適應(yīng)調(diào)控，設(shè)計(jì)了一種基于隨機(jī)森林-螢火蟲群優(yōu)化算法（Radom Forest-Glowworm Swarm Optimization，RF-GSO）模型的溫室番茄自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)。還有一些學(xué)者嘗試改變補(bǔ)光的方式來(lái)提高作物的光合速率[16-18]，并取得了一定的成效。但現(xiàn)有的設(shè)施光環(huán)境調(diào)控方式多采用冠層定量補(bǔ)光方式，未考慮植物冠層新生葉結(jié)構(gòu)發(fā)育不健全導(dǎo)致光抑制或光破壞現(xiàn)象。

　　2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　立體光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)由智能控制子系統(tǒng)、冠層-株間環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、冠層-株間補(bǔ)光燈升降子系統(tǒng)及冠層-株間LED補(bǔ)光子系統(tǒng)四部分組成，通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間無(wú)線通信，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮黃瓜植株整株中冠層和株間的需光差異以及不同葉位環(huán)境差異，通過(guò)智能控制子系統(tǒng)協(xié)調(diào)各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)黃瓜整株立體光環(huán)境按需調(diào)控。冠層-株間監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)分別采集溫度、二氧化碳濃度、光強(qiáng)度等環(huán)境信息，發(fā)送至智能控制子系統(tǒng)，調(diào)用移植在樹莓派中智能光環(huán)境調(diào)控模型，根據(jù)冠層-株間環(huán)境信息動(dòng)態(tài)計(jì)算補(bǔ)光值，并下發(fā)至冠層-株間LED補(bǔ)光子系統(tǒng)。采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)冠層與株間LED補(bǔ)光陣列的動(dòng)態(tài)調(diào)控。冠層-株間補(bǔ)光燈升降子系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)燈與作物間的距離，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光位置的手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)整。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1　智能控制子系統(tǒng)

　　智能控制子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括樹莓派控制器（Raspberry Pi 3B+，1.4 GHz四核ARM Cortex-A53處理器）、觸摸顯示屏、CC2530模塊和電源模塊四個(gè)部分，具有數(shù)據(jù)處理、模型在線尋優(yōu)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組建及控制指令下發(fā)等功能。由于傳統(tǒng)低性能的嵌入式設(shè)備無(wú)法移植智能算法，采用樹莓派為控制器，可實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的光環(huán)境調(diào)控模型高精度移植，完成調(diào)控目標(biāo)值的在線尋優(yōu)和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控。觸摸顯示屏通過(guò)高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）方式與樹莓派相連，ZigBee協(xié)調(diào)器與樹莓派依靠通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)方式進(jìn)行相互通信。電源模塊分別為樹莓派、觸摸屏及CC2530模塊提供5、5和3.3 V工作電壓。

　　3.2　冠層-株間環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

　　冠層-株間環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由冠層和株間環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施環(huán)境內(nèi)植物冠層和株間溫度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)ZigBee將環(huán)境信息發(fā)送至智能控制子系統(tǒng)。其中二氧化碳傳感器采用Telaire 6615-F雙通道非分光紅外傳感器，測(cè)量范圍為0~10，000μmol/mol光照傳感器為電壓型SY-HGY型光合有效輻射傳感器，測(cè)量范圍為0~2500μmol/(m2·s)；CC2530芯片將上述傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量，通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至協(xié)調(diào)器。溫度傳感器采用DS18B20，測(cè)量范圍為-55℃~125℃；電源模塊為CC2530模塊、傳感器分別提供3.3和5 V工作電壓，設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者張仲雄 1,2,3, 李斌 1,2,3, 馮盼 1,2,3, 張盼 1,2,3, 來(lái)海斌 1,2,3, 胡瑾 1,2,3, 張海輝 1， 2， 3

《基于植株需光差異特性的設(shè)施黃瓜立體光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)》

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