育苗温室幼苗生长调节光照调控系统的设计

史小燕 申宝营 陈烨强

摘要 针对光照光质、光照强度以及光照时间对幼苗生长发育的影响，提出结合幼苗不同生长阶段、特定光质补光与定时长定量决策的精确补光方法，设计了依据作物生长阶段、生长状态以及培育目标自适应精确补光的光照调控算法。以单片机为控制器，设计了光质可调、可定时定量的LED精确光照调控系统，可根据幼苗生长阶段、生长状态，结合幼苗形态调整补光决策确定补光光质光量和时长，通过PWM调整LED输出光质光强。测试试验结果表明，该系统可满足作物不同生长阶段对不同光质光量的需求，并可根据不同培育目标、不同生长状态，及时调整补光策略。该系统的自适应光质光量时长可调的特点能够满足对幼苗形态调节补光的需求，相对传统光源改善了光照环境，提高了能源利用率。

关键词 LED;PWM;光质;光周期;光强;幼苗形态

中图分类号 S625.5+2文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）11-0204-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.059

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract According to the influence of light quality，light intensity and photoperiod on seedling growth and development，a lighting method which fit to various terms of seedling was proposed.The adaptive light control algorithm adapting to the term of plants，growth status and growth target was put forward.Using a single chip as the central control unit，the LED light system which can regulate the light quality，light quantity and lighting time was designed.This system could control LED light outputting specified light quality and light intensity by the single of PWM based on the decision of lighting for the term of seedling，growth status and seedling morphology.The results of the test showed that the system could satisfy the light demand of different term of plants，and could modify the lighting tactic for different targets.This system could satisfy the light demand for the regulation of seedling morphology and improve the light environment and save energy compared to traditional light.

Key words LED; PWM; Light quality; Photoperiod; Light intensity; Seedling morphology

基金项目 福建省教育厅中青年教师教育科研项目（JAT170774，JAT170161）;福州市科技计划项目（2017-N-40）。

作者简介 史小燕（1987—），女，河南长葛人，硕士，工程师，从事建筑环境调控、农业电气化研究。*通信作者，男，河南民权人，博士，讲师，从事设施园艺环境调控研究。

收稿日期 2019-01-14;修回日期 2019-01-28

光照是调控植物生长发育的重要环境因素之一。光照不仅是植物光合作用的能量来源，同时也是植物生长调节以及光形态建成的信息源[1]。光质、光强、光周期都通过植物感光受体影响植物发芽、幼苗生长发育以及光形态建成[2-5]。目前人工补光技术在植物育苗中得到越来越多的研究与应用[6]。发光二极管（lighting-emitting diodes，LED）与传统光源相比，具有光质纯、波长类型丰富、寿命长、发光效率高、发热少、易于组合控制的特点，可实现LED光源精确调控光照对植物进行培养[7]。传统光源通常采用固定光照方式进行补光，光质比例以及光照强度均不能根据植物不同需求改变，补光效率低下。现有LED光源多采用2～3种光谱简单组合、光强和光质比例不变的方式进行补光[8-9]，此种补光光源不能满足植物对不同光质和不同光强的需求。刘晓英等研制了光谱柔性可调的LED光源以及可调光质精确补光系统，可实现多光谱柔性调控，并可根据环境实现精确调光，进行光合补光[10-11]。笔者在分析不同作物幼苗时期对不同光照响应的基础上，提出精確调节光质补光方法，设计了幼苗形态调节LED补光系统，旨在提高补光效率、调控幼苗形态、降低能耗。

1 幼苗光形态调节补光分析

植物幼苗的形态发育与光照、温度等环境因素密切相关。研究表明，植物主要吸收波长为610～720 nm的红橙光和400～510 nm的蓝紫光，因此，光照调节主要是集中对这2个波段的光照进行调节。 研究发现，单一或组合LED光质可以调控植物的形态建成和光合作用，蓝红光组合能够促进植物幼苗的生长发育[12]。光质对不同生长时期植物的影响不同，相同光质在一个生长时期对植物生长有促进作用，而在另一生长时期却表现出抑制作用。因此，与不同生长时期植物形态生长发育相适应的光照调控方法，主要包括植物形态调节中特定波长光强、植物生长阶段监测以及特定生长时期补光光质和光量的决策方法。

1.1 信息检测

检测环境信息是实现自动开启定量补光的基础条件，可根据对植物生长时期和生长形态的检测调控补光光质比例、补光时长和补光量。根据植物对光照的吸收波段范围，选择对400～720 nm波段响应的光照传感器，实现对光照的实时检测，同时加入温度检测模块，一方面根据环境实时温度判断补光与否，另一方面根据补光模块温度判断是否需要对光源进行降温。这一方法不仅可提高光能利用效率，也可避免在不良环境条件下补光不当造成损害。

1.2 LED光源波段选择

红光和蓝光是植物色素吸收最多的2个光照波段，不仅对作物的光合作用有着重要的影响，对植物形态结构、植物高度、叶绿体基因表达、茎杆生长发育、气孔开度以及光周期的调节也起着重要作用[13]。绿光对植物形态发育和调节也起着一定的作用，并在一定程度上与红光和蓝光有着相反的作用[14]。植物色素对蓝光和红光的吸收峰分别在420～475和625～643 nm 2个波段，为此选用中心波长为450 nm、半波带宽度为±20 nm的LED作为蓝光光源，中心波长为630 nm、半波带宽度为±20 nm的LED为红光光源，选用中心波长为520 nm、半波带宽度为±20 nm的LED作为绿光光源。几种光源组成的光照波段范围能与植物色素吸收光谱的范围相适应。

1.3 光照調控决策

研究发现，不同光谱范围对植物生理影响不同，植物对光质比例以及光量的需求在不同生长阶段亦有明显差异，植物形态发育会因光质比例、光强以及光照时间的差异而产生较大差别。固定光质、光强和光照时间的补光模式无法实现植物不同生长阶段对光照需求的差异性，补光系统应营造出满足植物需求的光环境，以达到调控植物生长的目的。笔者提出适应不同光照需求的光照调控决策方法，可根据植物各阶段形态发育需求设置不同的补光目标参数，并根据环境参数计算各光质补光值，以此控制补光装置的光照输出，实现按需补光的工作模式。

2 光照系统调控分析

光照调控原理是根据用户预先设定的温度、光照、植物生长阶段、目标生长状态，动态采集温度、光照以及植物生长状态3类参数，通过分析当前值和目标值之间的差异，计算红、蓝、绿光的需求量以及补光时间，实现以用户预设值为目标的受控LED灯的自动控制功能。光照系统调控逻辑如图1所示。

3 LED光照调控系统设计

根据对LED光源的选择以及LED光照调控系统算法的调控分析，设计了一套LED光照调控补光系统，可实现对植物形态发育影响因子的监测、特定波长LED光照的控制。系统主要由电源模块、环境光温检测模块、LED补光模块、单片机控制模块、预警模块、用户交互模块等组成。整体系统框架如图2所示。

3.1 电源模块

通过外部电源得到12.0 V直流电，利用LM317及其外围标准电路进行稳压变压后输出稳定电压120和3.3 V，为控制模块、用户交互模块以及监测和预警模块提供3.3 V电压，为补光模块提供12.0 V电压。

3.2 用户交互模块

用户交互模块由液晶显示屏和2×4矩阵键盘组成，用户可根据不同作物，设置不同阶段、不同生长状态的目标光照参数。系统可进行多种作物多个生长阶段不同生长形态参数的设置存储管理，提高了灵活性和实用性。

3.3 检测模块

检测模块包括光照度传感器和温度传感器，分别检测环境光照和温度。当环境光照低于设定值且温度在设定范围内时，补光装置开启。另外设置温度传感器对补光装置进行温度检测，当装置温度过高时，报警采取降温措施，保证补光装置的正常运转。

3.4 补光模块

采用多组智能恒流IC驱动电路，利用脉宽调制（PWM）调控技术分别控制红光、蓝光和绿光LED灯组的亮度。采用额定功率0.2 W和中心波长分别为630、450、520 nm的窄带红、蓝、绿光LED，分别通过串联方式组成红、蓝、绿光LED阵列。根据不同植物对不同光谱光照需求量的不同，每个补光灯组包含若干同色LED阵列，补光灯最大输出应满足最大补光需求。根据不同LED灯的额定电流修正驱动电路的调节电阻以保证占空比为“1”时LED输出为额定功率。单片机PWM输出信号和恒流IC的DIM脚相连，以使单片机的PWM信号能够通过调节占空比调控恒流IC输出电流而使LED亮度在零到最大值之间变化。

3.5 控制模块

选用工作电压2.0～3.6 V的STM32F103单片机作为核心处理器，3.3 V电源供电，内嵌512 kB的flash程序存储器，32 kB的SRAM，并内嵌ARM核，可兼容ARM工具和软件。采用STM32F103单片机减少了外围电路，增加了可靠性，降低了成本。该单片机可以实现多路调控信号的输出，适合该光照调控系统的频率和占空比的调控。其中，PC1和PC2分别接入光照检测信号和温度检测信号，PC6、PC7、PC8分别输出红光、蓝光、绿光PWM信号。通过软件计算3个波段补光量、补光时间和PWM占空比，定量控制补光输出强度和时长，按植物需求精确控制补光量。

4 系统性能验证

为验证补光系统能否满足不同环境下植物各生长阶段对光照的需求，对该系统进行了室内验证试验。设定植物不同生长阶段，改变环境光照和温度，测量补光光照值并与设定值以及植物生长阶段光照需求值进行比较，检验补光装置能否在不同环境下满足植物光照需求。试验结果表明，在各种环境条件下，设定植物生长的不同阶段，该补光装置都能满足植物形态调节对光照的需求，可以适应不同环境并根据不同培育目标对植物不同生长阶段进行形态调节。

5 结论与讨论

（1）在分析光照对植物形态发育影响的基础上，针对不同植物在不同生长阶段形态发育对光照环境的不同需求，提出了适应不同植物不同生长阶段植物形态调节光照需求的光照调控方法。在此基础上，采用STM32F103单片机作为控制模块，开发了植物幼苗形态调节光照调控系统，实现了植物形态调节的精确光照调控。该系统可根据外界环境变化、植物不同生长阶段、植物形态发育不同状态以及不同调控目标精确调控光照环境，实现了不同植物形态的光照调节。

（2）由于该系统的植物形态检测功能尚不完善，相关领域的研究有待进一步加强。

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