基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统

　　摘要: 光是植物进行光合作用的主要能量来源，光照好坏直接影响作物的产量和品质。本研究针对现有植物补光系统多以功能叶光合能力为基准进行冠层补光，导致冠层新生叶光抑制、株间功能叶位补光不足以及补光位置不能适应作物生长进行动态调整的问题，以黄瓜为研究对象，设计了一种基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统。该系统由智能控制子系统、冠层-株间LED补光子系统、冠层-株间环境监测子系统和补光灯升降子系统组成，通过ZigBee技术实现各子系统间无线通信。其中冠层-株间环境监测子系统分别获取冠层和株间环境信息并发送至智能控制子系统，智能控制子系统根据环境实时信息调用冠层调控模型和株间适宜叶位调控模型获得相应调控目标值，并将其下发至冠层-株间补光灯，实现冠层与株间补光灯的动态实时调控。在陕西省泾阳县蔬菜产业综合服务区蔬菜基地分别部署立体补光设备和传统冠层补光设备，并进行系统调控效果验证试验。结果表明，立体补光区黄瓜植株的株高和茎粗显著增长，其中相比传统冠层补光区平均株高、茎粗分别增长了8.03%和7.24%，相比自然处理区平均株高、茎粗分别增长了26.51%和36.03%；在一个月的采摘期内，立体补光区相比传统冠层补光区和自然处理区产量分别提升了0.28和1.39 kg/m2，经济效益分别增加了2.82和4.88 CNY/m2，说明立体光环境调控系统能够提高经济效益，具有应用推广价值。

　　关键词: 设施光环境；ZigBee；黄瓜叶位；立体补光；智能调控；PWM

　　1 引 言

　　光照是植物进行光合作用的首要条件，直接影响作物的产量和品质[1-3]。设施栽培受温室结构、薄膜覆盖、雾霾及雨雪天气等因素影响，设施内自然光投透射率仅为外界环境的30%~60%，造成作物光合能力受限，不能满足生长发育需求，进而影响产量和品质[4-6]，因此，借助人工补光技术是实现设施农业增产提质的重要保障措施。

　　近年来，科研团队在设施光环境智能调控方面已开展了部分研究[7-10]。Pinho等[11]研究发现动态调整光强度不仅可以促进生菜鲜重增加，还可以降低能耗，进而设计了一种适用于植物工厂的动态补光控制系统。刘晓英等[12]开发了一种光参数柔性可调的发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）光源系统，为探究光质、光强度、光周期对设施作物生长相互影响规律提供了一种灵活的光参数配比系统。上述两种光调控系统用于植物工厂中叶菜类的种植，其环境因素相对稳定可控，调控策略相对简单。而温室中藤蔓类作物的光环境调控系统较为复杂，不仅要考虑环境动态变化，如光照、温度、二氧化碳等对光调控系统的影响，还需考虑作物不同生长阶段的需光差异性。为此，胡瑾等[13]设计了基于无线传感器网络的光环境调控系统，该系统利用自然光中太阳高度角与红蓝光比例关系，可根据作物实际需光量进行精准定量补光，具有部署灵活、易扩展、低能耗等优势[14]。苏战战等[15]为满足温室番茄光环境的自适应调控，设计了一种基于随机森林-萤火虫群优化算法（Radom Forest-Glowworm Swarm Optimization，RF-GSO）模型的温室番茄自适应调光系统。还有一些学者尝试改变补光的方式来提高作物的光合速率[16-18]，并取得了一定的成效。但现有的设施光环境调控方式多采用冠层定量补光方式，未考虑植物冠层新生叶结构发育不健全导致光抑制或光破坏现象。

　　2 系统整体设计

　　立体光环境调控系统由智能控制子系统、冠层-株间环境监测子系统、冠层-株间补光灯升降子系统及冠层-株间LED补光子系统四部分组成，通过ZigBee技术实现各子系统之间无线通信，整体结构如图1所示。系统设计时充分考虑黄瓜植株整株中冠层和株间的需光差异以及不同叶位环境差异，通过智能控制子系统协调各系统实现黄瓜整株立体光环境按需调控。冠层-株间监测子系统分别采集温度、二氧化碳浓度、光强度等环境信息，发送至智能控制子系统，调用移植在树莓派中智能光环境调控模型，根据冠层-株间环境信息动态计算补光值，并下发至冠层-株间LED补光子系统。采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术分别实现冠层与株间LED补光阵列的动态调控。冠层-株间补光灯升降子系统自动监测灯与作物间的距离，实现补光位置的手动和自动调整。

　　3 系统硬件设计

　　3.1　智能控制子系统

　　智能控制子系统硬件设计如图2所示，主要包括树莓派控制器（Raspberry Pi 3B+，1.4 GHz四核ARM Cortex-A53处理器）、触摸显示屏、CC2530模块和电源模块四个部分，具有数据处理、模型在线寻优、无线网络组建及控制指令下发等功能。由于传统低性能的嵌入式设备无法移植智能算法，采用树莓派为控制器，可实现基于机器学习的光环境调控模型高精度移植，完成调控目标值的在线寻优和动态实时调控。触摸显示屏通过高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）方式与树莓派相连，ZigBee协调器与树莓派依靠通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)方式进行相互通信。电源模块分别为树莓派、触摸屏及CC2530模块提供5、5和3.3 V工作电压。

　　3.2　冠层-株间环境监测子系统

　　冠层-株间环境监测子系统由冠层和株间环境监测模块组成，实现对设施环境内植物冠层和株间温度、二氧化碳浓度和光照强度的实时监测，并通过ZigBee将环境信息发送至智能控制子系统。其中二氧化碳传感器采用Telaire 6615-F双通道非分光红外传感器，测量范围为0~10，000μmol/mol光照传感器为电压型SY-HGY型光合有效辐射传感器，测量范围为0~2500μmol/(m2·s)；CC2530芯片将上述传感器采集的模拟量转化为相应的数字量，通过无线方式将数据打包发送至协调器。温度传感器采用DS18B20，测量范围为-55℃~125℃；电源模块为CC2530模块、传感器分别提供3.3和5 V工作电压，设计框图如图3所示。

　　参考文献：

　　[1] YANG F, FENG L, LIU Q, et al. Effect of interactions between light intensity and red-to-far-red ratio on the photosynthesis of soybean leaves under shade condition[J]. Environmental and Experimental Botany, 2018, 150: 79-87.

　　[2] 崔瑾, 徐志刚, 邸秀茹. LED在植物设施栽培中的应用和前景[J]. 农业工程学报, 2008(8): 249-253.CUI J, XU Z, DI X. Application and prospect of LED in plant facility cultivation[J]. Transactions of the CSAE, 2008(8): 249-253.

　　作者张仲雄 1,2,3, 李斌 1,2,3, 冯盼 1,2,3, 张盼 1,2,3, 来海斌 1,2,3, 胡瑾 1,2,3, 张海辉 1， 2， 3

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《基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统》

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