基于作物光照需求的温室光调控系统

朱　舟，童向亚，郑书河

(福建农林大学 机电工程学院，福州　350002)



基于作物光照需求的温室光调控系统

朱舟，童向亚，郑书河

(福建农林大学 机电工程学院，福州350002)

摘要：针对传统的温室光照环境控制方法粗糙、易造成作物光照不足及能源浪费的问题，考虑作物生长对光照的需求，基于光合速率模型，分析环境温度对作物生长光照需求的影响，推导创建了温室补光模型；同时，应用无线通讯技术设计了一个基于作物光照需求的温室光环境远程控制系统，介绍了系统的软硬件结构；最后，针对秋冬季节温室环境在1天内的实际变化情况，对系统的光照调控方法进行验证。结果表明：该方法能够根据环境的实时变化采取不同的光照控制措施，既满足作物生长的需求，又能更有效地利用能源。

关键词：温室；光照需求；补光模型；光调控系统

0引言

光照作为作物光合作用的能量来源，是影响作物生长的最关键环境因子之一，设计出合理的温室光照控制系统是保证作物良好生长与避免能源浪费的有效手段。

传统的温室光照自动控制方法是采用定时长及固定补光上下限的方式进行光照控制，易造成补光不足及能源浪费。近年来，张海辉[1]、胡瑾[2]及刘晓英[3]等人针对目前的定光照度、定光质补光方式的不足，指出应根据植物对光照的实际需求进行补光，设计出了红、蓝光强度均可调的植物补光系统，为实现精确补光提供了硬件支撑。然而，如何根据植物光照需求进行温室光环境控制系统的设计在国内外鲜有报道。针对该问题，本文基于光合速率模型分析环境温度对作物生长光照需求的影响，推导创建了温室补光模型，应用无线通讯技术设计了一个基于作物光合需求的温室光环境远程控制系统，并验证了系统的光照调控方法，为温室光照控制系统的设计提供一定的理论指导。

1作物的净光合速率模型

净光合速率是反应作物有机物积累量的一项重要指标，是反映作物光照需求的依据，可用单位叶面积的光合速率来表示。本文采用负指数模型[4]，表达式为

(1)

式中Pn(I) —叶片的净光合速率(μmol/m2·s)；

Pm—最大光合速率(μmol/m2·s)；

α—表观量子效率，即光响应曲线的初始斜率；

I—光合有效辐射，用光量子通量密度来度量(μmol/m2·s)；

Rd—暗呼吸速率(μmol/m2·s)。

其中，Pm是环境温度的函数，表示为[5]

(2)

式中Pm(Topt)—最适温度条件下的最大光合速率(μmol/m2·s)；

T、Topt、Tmax、Tmin—作物生长的环境温度、最适温度、最高温度和最低温度。

2基于光合作用的温室补光模型

以作物光合作用的光照需求为依据，结合温室内的自然光照强度，建立温室补光模型是实现按需补光的基础。

光补偿点是作物光合作用与呼吸作用达到平衡时的光合有效辐射，是维持植物生存的最低光照强度。令式(1)中Pn(I)=0，可得到作物的光补偿点ILCP，则

(3)

光饱和点是作物达到最大光合速率时的光合有效辐射，当环境中的光照强度高于作物的光饱和点时，作物的光合速率不再增加，甚至过强的光照会抑制作物的生长[6]，而且也会造成能源浪费。本文所采用的光合速率负指数模型不存在净光合速率的极值点。因此，可设式(1)中当作物的总光合速率(即Pn(I)+Rd)达到99%的最大光合速率Pm时，对应的光合有效辐射为作物的光饱和点ILSP，则可得到

(4)

由式(3)、式(4)及式中Pm与环境温度的函数关系可知：作物的光补偿点与光饱和点均是随环境温度变化的动态值，但其变化的程度各有差异，需做进一步分析。根据作物光合作用机理的研究成果[5,7]，上述式子中各参数取值如表1所示。

表1　补光模型中的相关参数

将式(2)分别带入代式(3)、式(4)，可得到作物光补偿点和光饱和点曲线，分别如图1、图2所示。

图1　作物光补偿点曲线

图2　作物光饱和点曲线

由图1可以看出：作物的光补偿点在环境温度较低和较高时会稍有变化。在环境温度较低时，作物的光补偿点较高，这是由于温度的不足需要较多的光照作补偿，以维持作物暗呼吸的需求；当环境温度逐渐升高时，作物的光补偿点基本上不再变化；而当环境温度过高时，作物的光补偿点再次升高，这是由于作物的光合作用受到抑制，需要增加光照进行补偿。

由图2可以看出：作物光饱和点随温度的变化非常明显。当环境温度过低时，作物不能正常光合作用，光饱和点为零；随着环境温度的升高，作物的光饱和点增大，是由于作物的光合速率加快，需要更多的光照才能使光合速率达到最大值；而当环境温度高于作物生长的最适温度(28℃)后，随着温度的升高，作物的光饱和点反而降低，这是因为过高的温度对作物光合作用的抑制。

对比图1、图2可知：作物的光饱和点随环境温度的变化非常明显，而作物光补偿点基本上比较稳定，其最大值和最小值之间的差值ΔI不超过40μmol/m2·s，相对光饱和点的变化情况，其变化可以忽略不计。

综上分析，作物光合作用需要的光照强度随环境温度的变化而变化，而且主要体现在作物光饱和点的变化上。因此，在温室光照环境控制中，应根据当前环境温度的动态变化计算出作物的光补偿点和光饱和点，求出作物光饱和点与环境中光照强度的差值用于控制温室内光照强度，使其维持在既适宜作物生长又不造成浪费的范围内，即ILCP

Imax=ILSP-I

(5)

3基于补光模型的光照控制系统

3.1系统结构

本系统是基于无线通信技术的温室光照环境智能控制系统，由位于控制室内的上位机和位于温室现场的下位机系统两个部分组成，结构如图3所示。其中，上位机与下位机之间的通信是由上位机接入因特网，再通过GPRS服务器接入GPRS网络与下位机的主控节点实现通信。在下位机中，主控节点与各终端子节点间的通信则是通过基于ZigBee协议组建无线传感器网络实现，无线传感器网络采用星型拓扑结构。

图3　系统结构示意图

3.2硬件设计

3.2.1主控节点设计

主控节点采用模块化设计，包括电源模块、核心控制器模块、 ZigBee模块、GPRS模块、显示模块、按键模块及预警模块，结构如图4所示。

图4　主控节点电路结构图

其中，主控制器采用STC15F2K60S2单片机，负责协调各个模块之间的工作和系统的数据处理等相关操作；ZigBee模块以CC2530为控制器，负责组建无线传感器网络，并与终端子节点进行通讯；GPRS模块采用SIM900A模块与上位机间实现远程通讯；液晶显示采用LCD1602模块，用于显示当前环境中的温度、光照强度信息；按键模块包括了4个按键，即设置键、确认键及2个方向键，用于手动调整系统参数；预警模块包括指示灯和报警蜂鸣器，可在系统出现故障时及时报警。

3.2.2监测节点设计

本系统的n个监测节点按照监测要求均匀布置在温室作物栽培区内，负责定时对当前环境的温度、光照强度进行采集处理并发送给主节点，电路结构如图5所示。监测节点采用模块化设计，包括电源模块、以CC2530为主控芯片的ZigBee模块、信号预处理模块及相应的传感器模块。其中，光照传感器采用的是BH1750FVI的集成模块，温度传感器采用DS18B20模块。

图5　监测节点电路结构图

3.2.3控制节点设计

系统的控制节点包括了1个遮阳节点和n个补光节点，结构如图6所示。采用模块化设计，包括了电源模块、主控模块、驱动模块及相应的执行模块。以CC2530为主控芯片的ZigBee模块负责接收主控节点发送的控制指令，通过BP2808模块驱动相应的执行设备工作，并将设备执行结果信息反馈给主节点，然后进入睡眠模式等待下一个唤醒指令。其中，执行设备包括了补光灯和遮阳卷帘机。

图6　控制节点电路结构图

3.3软件设计

本系统的软件包括了上位机软件、主控节点软件、监测节点及控制节点的软件。人机界面采用VB程序编写，包括了通讯模块、数据处理模块和显示模块等。下位机中各个节点的软件采用C语言编写及对ZigBee协议栈进行移植开发。限于篇幅，本文只对主控节点的软件设计做简单介绍。

系统主控节点的程序流程如图7所示。主节点上电后，首先对系统进行初始化并自动组建网络，允许子节点的入网请求。然后主节点会在无线通道中读取数据并分析数据类型：若为无关信号，则重新读取；若为子节点的入网请求信息，则读取子节点的编号，辨别出是监测节点还是控制节点，并将其加入控制列表，继续读取和分析无线通道中的数据。

图7　主控节点程序流程图

若为控制节点反馈的执行信息，则记录并判断控制节点的执行结果是否成功：若为不成功信息，则记录该节点的失败次数，当某一节点的失败次数达到设置的阈值就会触发报警系统，若未达到阈值则重新发送控制指令；若为执行成功的信息，则将失败次数清零，然后继续读取和分析无线网络中的数据。

若为监测节点发送的监测信息，则判断当前环境是否满足作物生长的需求，如果满足，则维持现状，并将之前收到的信息发送给上位机系统；若当前环境不满足作物生长的要求(即光照不足)，则调用补光模型计算出需要的补光量，并制定光照调控方案，通过编码后将控制指令发送给控制节点；然后将之前接收到的信息、做出控制和控制节点反馈的相关信息都发送给上位机；最后，系统将重新读取无线通道中的数据进入下一个循环。

为了保证LCD显示亮度的均匀性，显示部分的程序放在了定时器的中断服务程序里面，而系统的参数设置程序由外部中断负责。当主控节点的设置键按下或上位机有修改参数的指令发送过来时，系统将转入外部中断服务程序完成相应的参数修改。

4系统调控方法验证

针对秋冬季节温室环境中的气温在某一日内的实际变化情况[8]，得到一天内作物光饱和点的变化曲线如图8所示。由图8可知：一天内的不同时刻作物的光饱和点值在不断变化，反映出作物对光照需求的变化，因此必须采用不同的光照控制方案。

图8　1日内作物光饱和点的变化曲线

根据上述作物光饱和点的变化结合当日温室内自然光照的变化情况，对系统的调控方法进行仿真验证，结果如图9所示。

图9　系统的调控方法的仿真结果

具体分析如下：0:00-8:00，虽然温室内光照强度微弱，但由于环境温度较低，不适合光合作用，因此不进行补光；8:00-13:00，随着保温被的收起，自然光照强度和环境温度都逐渐升高，但环境中的自然光照强度始终高于作物的光饱和点，因此无需补光；13:00-16:00，自然光照逐渐减弱，环境温度继续升高到15:00后开始降低，但作物的光饱和点已达到最大值，因此基本上不再增加，甚至由于光合作用受到较高的环境温度的抑制而稍有下降，此时环境中光照强度仍高于作物的光饱和点不进行补光；16:00-18:00，随着气温和自然光照强度的继续下降，环境中光照强度开始低于作物的光饱和点，开始对温室环境进行补光；18:00-23:00，随着夜幕的降临和保温被的遮盖，温室内自然光照强度降为零，而温度下降速度开始变慢，作物光饱和点不为零，需进行补光以延长日照时长；23:00之后，环境温度降低至不再适合作物光合作用，不再进行补光。

由此可见，即使在同一自然光照强度下，由于环境温度的不同造成作物光照需求差异，本系统将根据环境的变化采取不同的光照控制措施，这种光照控制方法既能满足作物生长的需求，又能更有效地利用能源；而若采用固定补光上下限的方法控制光照强度，必然容易造成补光不足或浪费。

5结论

从环境温度对作物生长光照需求影响的分析结果可以看出：作物生长对光照强度的需求随环境温度的变化而显著变化。因此，在温室光照环境控制中，应当根据不同环境温度下作物对光照的实际需求进行光照控制，避免造成补光不足和能源浪费。仿真验证表明：本系统采用基于作物光合需求的光照调控方法，可以随着环境温度的变化，根据作物生长的实际光照需求进行合理的光照控制；该方法既能满足作物生长的需求，又能更有效地利用能源，为温室光照控制系统的设计提供了一定的理论指导。

参考文献：

[1]张海辉,胡瑾,杨青,等.设施农业可调光质精确补光系统[J].农业机械学报,2012,43(3):181-186.

[2]胡瑾,田威,赵斌,等.基于LED的设施农业智能补光系统[J].农机化研究,2012,34(1):99-103.

[3]刘晓英,徐志刚,焦学磊,等.可调LED光源系统设计及其对菠菜生长的影响[J].农业工程学报,2012,28(1):208-212.

[4]Gomes F P, Oliva M A, Mielke M S, et al. Photosynthetic irradiance-response in leaves of dwarf coconut palm (Cocos nucifera L.‘nana’, Arecaceae): Comparison of three models[J]. Scientia horticulturae, 2006, 109(1): 101-105.

[5]李天来,颜阿丹,罗新兰,等.日光温室番茄单叶净光合速率模型的温度修正[J].农业工程学报,2010,26(9):274-279.

[6]叶子飘.光响应模型在超级杂交稻组合-Ⅱ优明86中的应用[J].生态学杂志,2007,26(8):1323-1326.

[7]李萍萍,李冬生,王纪章,等.温室黄瓜叶片光合速率的类卡方模型[J].农业工程学报,2009,25(1):171-175.

[8]胡瑾,樊宏攀,张海辉,等.基于无线传感器网络的温室光环境调控系统设计[J].农业工程学报,2014(4):160-167.

Light Regulation System for Greenhouse Based on Light Requirements of Crops

Zhu Zhou， Tong Xiangya， Zheng Shuhe

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Abstract：Based on the photosynthetic rate model considering the light demand of crops, the influence of temperature on illumination requirements for crops’ growth was analyzed, and then the light supplement model of greenhouse was established. A remote light environment control system for the greenhouse based on the light needs of crops was designed apply with the wireless communication technology. The lighting regulation method of system was tested according to the change of greenhouse environment in a day in early winter. The simulation results demonstrated that this method can take different lighting control methods on the basis of the change of the environment, and that it cannot only meet the need of plants growth but also can help to make use of energy efficiently.

Key words：greenhouse; light requirements; light supplement model; light regulation system

文章编号：1003-188X(2016)02-0192-05

中图分类号：S625.5+1

文献标识码：A

作者简介：朱舟 (1987-)，男，福建莆田人，硕士研究生，( E-mail)zhuzhoumail@163.com。通讯作者：郑书河(1976-)，男，福建三明人，副教授，博士，( E-mail)zshld1998@163.com。

基金项目：福建省科技重大专项(2014NZ0002-2)

收稿日期：2015-01-22