基于光辐射条件的温室环境多因子调控系统的研究

黄媛 杨英茹 高欣娜 李海杰 岳赵寒

摘要 通过实时获取温室环境的当前光辐射值，在当前光辐射值大于预设阈值时向遮光设备发送控制信号以遮光，当前光辐射值小于等于预设阈值时，根据光辐射值与温度变化关系，获取待调控的温度范围，并据此获取待调控的湿度范围;根据光辐射值与二氧化碳变化关系获取待调控的二氧化碳施肥量范围;根据当前光辐射值和每天预设辐射周期计算全天辐射累计量，预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值确定待补光时间;判断当前光辐射值是否等于预设历史平均日辐射量，从而确定待调控水量，并对温室环境进行调控。以光辐射值为驱动，在线调整上述各个参数，简化耦合影响，加大光合减少呼吸作用等。

关键词 日光温室;温室环境调控;模型构建;光辐射

中图分类号 S126文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）11-0233-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.067

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract Through realtime access to the current optical radiation value of greenhouse environment， when the current radiation value was greater than the present threshold， control signal was sent to the shading device for shading. When the current radiation value was less than the present threshold， the control temperature range was obtained according to the relationship between radiation value and temperature， so as to obtain the humidity range. According to the change relationship between radiation value and carbon dioxide， we obtained the fertilizer application range of carbon dioxide. According to the current optical radiation value and daily preset radiation period， we calculated the fill light time. Judge whether the current optical radiation value was equal to the historical average daily radiation， so as to determine the regulated water amount， and to regulate the greenhouse environment. Taking optical radiation value as the drive， the parameters were adjusted online， the coupling influence was simplified， so as to increase photosynthesis and decrease respiration.

Key words Solar greenhouse;Greenhouse environmental regulation;Model construction;Optical radiation

基金項目 河北省科技厅重点研发计划（18226920D）。

作者简介 黄媛（1986—），女，河北石家庄人，农艺师，硕士，从事农业信息化研究。*通信作者，副研究员，从事农业信息化研究。

收稿日期 2018-10-17

设施农业作为新型的农业生产方式，已经成为我国解决人口、粮食、土地矛盾的重要途径。目前我国温室环境控制仍以生产者经验调控为主，缺乏科学的控制目标和有效的测控手段，造成病害严重、产品污染等突出问题。因此，从整体上提高温室环境控制水平，已成为产业提升和可持续发展的迫切需求[1-5]。

当前用于温室环境控制方法主要包括PI控制、PID、前馈控制、非线性反馈控制等。在以上控制算法基础上，研究人员开发了温室环境的多因子综合控制系统，可以根据温室作物的生长发育规律对温室内光照、温度、水、气、肥等因子进行自动控制。荷兰将差温管理技术用于温室环境的自动控制，实现了花卉、果蔬等产品开花和成熟期的控制;日本将各种作物不同生长发育阶段所需环境条件输入计算机程序，以光照条件为始变因素，温度、湿度和CO2体积分数为随变因素，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整，使这4个环境因素始终处于最佳配合状态。有一种温室环境多因子协调控制算法，结合设施园艺的一些经验方法，对温室系统进行变换和等效处理，将问题简化。简化措施降低了系统建模的难度和控制算法的复杂程度，但能够满足温室环境控制的要求。该算法既能够实现温室环境多因子、多目标地控制，也能够解决温室环境多因子严重耦合的问题。多因子环境控制是当前温室环境控制的应用趋势，但由于环境因子难以完全解耦，实际还是单因子结合其他环境因子辅助控制[6-15]。

光作为一种能量通过光合作用制造有机物为植物生长发育提供物质和能量，是植物进行光合作用的基础，影响着植物几乎所有发育阶段，光照不足会影响光合同化力从而限制碳同化，最终影响到植物光合产物的形成。很多温室中光不能够准确控制，而其他相关环境参数可以调控，依据“木桶效应”自然提供光源有限，当在一定的辐射或光照时，提供适宜环境能够提升作物光合作用，如果更进一步提高环境则不可能快速增加光合作用甚至会抑制作物生长，根据以上原理结合植物环境生理规律，笔者提出一种基于辐射驱动的温室环境节能调控方法[15-17]。

1 系统设计

由图1可知，第一获取单元51，用于实时获取温室环境的当前光辐射值，判断所述当前光辐射值是否大于预设阈值;

第二获取单元52，用于若是，则向遮光设备发送控制信号，以使遮光设备对温室进行遮光，并在获取到温室环境的当前光辐射值小于等于所述预设阈值时，获取所述当前光辐射值所处的辐射范围;

第三获取单元53，用于根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围，根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射二氧化碳关系表，获取待调控的二氧化碳施肥量范围，并根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围;所述预设辐射温度关系表包括辐射范围和温度范围的关系，所述预设辐射二氧化碳关系表包括辐射范围和二氧化碳施肥量范围的关系;

第一确定单元54，用于根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，并根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间;

第二确定单元55，用于判斷当前光辐射值是否等于预设历史平均日辐射量，并根据判断结果确定待调控水量;

调控单元56，用于根据所述待调控的温度范围、待调控的二氧化碳施肥量范围、待调控的湿度范围、待补光时间和待调控水量对温室环境进行调控。

由上述技术方案可知，该研究通过测量光合有效辐射值（即光辐射值）为主要环境调控驱动，在线调整温度、湿度、二氧化碳、灌溉量配合栽培作物生理活动，避免能源与资源浪费;结合作物环境光合生理及不同生长期的生理需求，以作物生理活动响应为评价指标，摆脱传统直接面对物理指标调控，能够提高作物品质、产量。

2 实施验证

2.1 试验实施

对该研究的具体实施方式作进一步详细描述（图2）。

（1）S11。实时获取温室环境的当前光辐射值，判断所述当前光辐射值是否大于预设阈值;若是，则执行步骤S12，否则，不进行遮光处理。

（2）S12。若是，则向遮光设备发送控制信号，以使遮光设备对温室进行遮光，并在获取到温室环境的当前光辐射值小于等于所述预设阈值时，获取所述当前光辐射值所处的辐射范围;

（3）S13。根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围，根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射二氧化碳关系表，获取待调控的二氧化碳施肥量范围，并根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围;所述预设辐射温度关系表包括辐射范围和温度范围的关系，所述预设辐射二氧化碳关系表包括辐射范围和二氧化碳施肥量范围的关系;

由图3可知，当辐射为20 W/m2时光环境较弱，无论温度如何调整净光合速率都保持在较低的水平;当辐射为50～100 W/m2时，将温度调整到15 ℃时光合速率有一定幅度增加，如果再增加温度则光合速率下降，在相同光合效果条件下会浪费加热能源。当辐射达到100 W/m2时，温度从10 ℃升到30 ℃，净光合速率会有较大幅度增加，因此根据每天变化的辐射，调整温度使得作物处于较好的生长状态，能够在春、秋、冬季加温情况下降低能耗。表1为辐射驱动温度控制表（预设辐射温度关系表），实际辐射值（该研究中辐射值即为光辐射值）和温度值与具体作物相关，这里只作为方法示意。

值得说明的是，所述二氧化碳施肥量为二氧化碳的体积分数。

由图4可知，当辐射（文中辐射和辐射量均指辐射值）为30和50 W/m2时，二氧化碳体积分数为0～500×10-6时光合速率增加比较显著，而600×10-6后则增长缓慢，增加二氧化碳施肥会影响整体栽培效益，即弱光下则采用通风方式补充二氧化碳即可。当为100、150 W/m2时，二氧化碳体积分数高于800×10-6对植物生长没有太大作用，可以按照表2确定二氧化碳施肥量。

（4）S14。根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，并根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间。值得说明的是，光环境调控一般用内外遮阳网、补光设备实现。由图5可知，高于100 W/m2时光合增长缓慢;高于150 W/m2会出现光抑制现象，光合速率会降低。因此，所述预设阈值一般设定为150 W/m2。

上述步骤S12中可通过向遮光设备发送控制信号，如调整可控的遮光设备的开合度实现遮光，遮阳网（可控的遮光设备的主要遮阳部分为遮阳网时）开合度将温室内光辐射值调整到150 W/m2以内，再进行其他参数的相关调控。

植物整个生长周期过程中，光累计存在建议参数（即预设全天辐射累计量），保证光照达到该指标可获得较好的生产成果。通过打开补光灯，根据补光的辐射大小和DLI，确立补光灯工作时间，确保温室植物生长过程中稳定的DLI。

（5）S15。判断当前光辐射值是否等于预设历史平均日辐射量，并根据判断结果确定待调控水量。

值得说明的是，在该步骤中根据光照辐射量确定浇水总量。

由于光辐射与植物的蒸腾作用密切相关，一般1 J/cm2辐射光植物消耗3 mL/m2的水，即1 W/m2消耗1.08 mL。在该步骤中，根据历史平均日辐射量计算出温室每天的作物灌溉需水量，依据设定的灌溉频次进行灌溉。同时以小时为单位根据实时获取的辐射值在线调整实际灌溉量。

以预设历史平均日辐射量作为判断依据确定待调控水量，因为预设历史平均日辐射量是根据实际经验总结出来的结果，以该值为依据可以快速计算出温室每天补水量。

（6）S16。根据所述待调控的温度范围、待调控的二氧化碳施肥量范围、待调控的湿度范围、待补光时间和待调控水量对温室环境进行调控。

上述步骤中的各待调控值均针对整个温室范围。该研究中的光辐射值均为有效辐射值，

即该研究需要确立了解栽培作物品种和生长特性，然后通过试验获得温室作物在不同生长期的光响应曲线、温度、二氧化碳體积分数在不同辐射下的光合响应曲线，并按照上面提及的方案构建控制分档，确立不同辐射下对应的调控参数。实际应用采集当前光合有效辐射并以小时计算辐射累计量，首先比较当前辐射是否超过作物能够承受的强度，如果超过则需要遮阳处理。然后分别根据辐射比较确定对应的调节温湿度、二氧化碳施肥、补光及灌溉方案，确保作物处于最佳光合、蒸腾生长情况。

植物一般会有适宜的饱和水汽压差，一般在0.5～11.2 kPa，则所述步骤S13中的根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围，包括

根据所述待调控的温度范围，通过公式（1）获取待调控的湿度范围：

其中，H为湿度，VPD 为预设的饱和水汽压差，T为温度。

所述步骤S14中根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，包括

根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，通过公式（2）计算全天辐射累计量

其中，DLI为全天辐射累计量，Rv为光辐射值，Rp为每天预设辐射周期。

所述步骤S14中根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间，包括

根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，通过公式（3）确定待补光时间：

其中，T补光为待补光时间，DLIset为预设全天辐射累计量，DLI为所述全天辐射累计量，RL为补光设备的单位时间辐射值。

所述步骤S15中根据判断结果确定待调控水量，包括：

若光辐射值等于预设历史平均日辐射量，则根据所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积确定待调控水量。

在该实施例中，根据所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积确定待调控水量，包括：确定所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积三者相乘获取的值为待调控水量。所述步骤S15中的根据判断结果确定待调控水量，包括：

若光辐射值不等于预设历史平均日辐射量，则根据所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积，确定待调控水量。

在该实施例中，根据所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积，确定待调控水量，包括：

确定所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积三者相乘获取的值为待调控水量。

作为一种优选实施例，所述步骤S13中的根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围之后，所述方法还包括：

获取温室环境的当前温度;

若所述当前温度小于所述待调控的温度范围的最小值，则根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和所述预设辐射温度关系表，确定加温延迟时间;

所述预设辐射温度关系表包括辐射范围与加温延迟时间的关系。

具体加温度控制通过加温设备，由于辐射也会带来温度的增加，通过设置不同延迟时间，在当前温度不影响生长情况下，减少加温设备加温时间以降低能耗。

若所述当前温度大于所述待调控的温度范围的最大值，则需要降温，若降温，可通过通风、湿帘、雾化喷头多种手段实现，优先使用自然通风达到设定范围，如达不到则需要开启其他设备实现。

2.2 试验验证

通过如下具体实施例说明该研究：（假设每平米3株植物，预设历史平均日辐射量为80 J/cm2，则耗水量为80 J/cm2×3 mL=240 mL/m2，温室面积为1 000 m2时需水量为240 L）

如果中午当前辐射值（光辐射值）为80 W/m2，则温度调控目标12.5～17.5 ℃，湿度通过计算控制在60%～75%，二氧化碳施肥最大800×10-6，同时当前辐射与历史同期（即与预设历史平均日辐射量）一致，则需要按照原计划需水量进行灌溉。

如果黄昏阶段辐射为15 W/m2，则温度调控目标降为75～12.5 ℃，湿度通过计算控制在45%～70%，关闭二氧化碳施肥，同时不处于施气肥最佳时机则关闭通风窗，当前辐射较低，当前需水量为15×1.08 =16.20 mL，则需要降低供水量，修改灌溉策略。

假设全天辐射累计量为350 W/（m2·d），而作物每天标准（即预设全天辐射累计量）DLI为450 W/（m2·d），补光灯能提供600 W/（m2·d），需要打开补光灯持续4 h以满足标准光累计要求，其补光量为24×（450-350）/600 W/（m2·d）。

3 结论

该研究通过测量光合有效辐射值（即光辐射值）为主要环境调控驱动，在线调整温度、湿度、二氧化碳、灌溉量配合栽培作物生理活动，避免能源与资源浪费;结合作物环境光合生理及不同生长期的生理需求，以作物生理活动响应为评价指标，摆脱传统直接面对物理指标调控，能够提高作物品质、产量，即该研究利用已有光合有效辐射辐射结合作物生长能力，将作物生长在受限条件下发挥加大光合作用、减少呼吸作用，将蒸散作用、同化作用及温、光、水、气合理化，设法将光合作用的产能尽量转化为植物需要部分;充分利用有限资源获得植物生产最大收益，有效提高资源和能源利用率;采用单个环境因素—光辐射值作为调控指示，简化各个环境之间的耦合带来的影响，不需要复杂模型控制，方便与控制装置集成，降低控制成本。

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