基于PLC的光调控植物跟踪生长系统

杨 浩,林添堤,徐 永,b

(福建农林大学 a.机电工程学院;b.光电子农业工程与技术研究中心,福州 350002)

0 引言

对于绿色植物而言,光照是其生长过程中最重要的生长环境因素之一[1],且植物在其各个生长阶段所需的光照环境也是不同的[2]。光照不仅对植物的种子萌发阶段,茎叶、根系生长阶段,以及结果阶段有影响,而且对植物体内的有效生化物质的积累也有重要影响。在长期的进化进程中,植物可以对外界的光照环境进行感知,还可通过改变自身的形态结构和生理活性等适应周围的光照环境,如植物的向光性等[3-4]。

目前,新型LED光源代替了传统高压钠灯,成为植物培养的主要人工光源[5],具有生物能源效率高、植物栽培密度高、节能效果显著等优点[6]。对于相对封闭的农业生产系统,如温室和植物工厂,是一种非常适合的人工光源[7]。并且,新型LED 光源的研发和应用在近年来也大幅度降低了温室及植物工厂等密闭农业生产系统的成本。

植物工厂中的光环境影响植物的形态形成、光合作用速率、物质代谢和DNA的表达[8]。光环境对这些方面的影响主要表现在以下几个方面。

1)光照强度对植物的影响。光照强度对植物生长发育和次生代谢物质的建成有重要作用,例如,在药用植物组织培养中,青蒿素的含量随光照强度的加强而明显提高,其含量在光照强度为57μmol/(m2·s)处达到最大值;但是,对于不同的药用植物,光照强度对其药用成分的形成和积累的影响是不同的,有的促进药用成分积累,有的抑制药用成分积累[9]。

2)光质对植物的影响。研究表明,在380～760nm可见光光谱范围内,对植物生长产生作用的光谱区域主要集中在610～720nm红橙光波长以及400～510nm的蓝紫光波长范围[10-11]。LED 能够提供植物生长所需要的各种光质,光谱半波全宽±20nm,各种单色LED光经组合后,其光谱成分可与各种植物光合作用与形态建成所需的光谱相匹配。因此,将适当光质的LED用作植物照明光源可以提高植物的光能利用效率,其节能效果极为显著[12]。

3)光周期对植物的影响。光周期是一天之中光照明暗时间变化的周期,包括植物在内的生物的生理活动都会受到日照长短的控制。光周期是生命活动的定时器和启动器,植物的光周期反应主要是诱导花芽形成和转入休眠[13]。例如,长日照植物需要12h以上的日照时间才能开花,如小麦、菠菜、杨树等,而短日照植物需要10h以下的日照时间才能开花,如水稻、玉米和高粱等。

通常定义的光环境主要是以上3个要素。徐永教授将原先的三要素扩展到了光的7个维度特性,分别为:光强、光质、光照模式、均匀性、方向性、偏振性和相干性[14]。这些扩展特性的提出,为后续研究设施农业中在人工光环境下植物的生长状况提出了新方向,从这些维度对光与植物相互作用时产生的有效效益进行研究具有很重要的意义。

总的来说,国内外对植物工厂中光环境调控的研究还处于被动的状态,一般都是等待种植的植物发生变化时才去对其进行人为控制,而没有从根本上解决问题。前人研究中也仅关注光环境三因素中的单因素或双因素的组合,而很少将光环境三因素作为一体进行考虑,利用现代智能科技进行综合分析和研究[15]。鉴于此,课题组研发了一种基于PLC的光调控植物跟踪生长系统,主要包括上位机监控系统和下位机操作系统,利用PLC中PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)的程序控制将光环境三要素有效地结合起来,实现全自动跟踪生长的效果。将其应用于实际生产时,只需将所种植对象的光环境参数输入至系统中,在上位机点击种植,即可实现一键式“傻瓜式”种植,即当硬件设施布置好后,系统的流水线式的植物生长软件可以根据需要进行安装;当该软件装入系统后就可以进行全自动的流水线式的生产,完全不需要人工的干预,非常适合于大面积的推广和使用;而且一种植物对应于一个控制程序,无论用户种植什么植物都能获得最优的控制和生产效果,大大节省了人力物力,实现了全自动化的种植生产。

1 LED植物光照分析

光质是影响植物中有效干物质积累的主要因素,也对光合产物产生直接影响。通常,红光有利于碳水化合物的积累形成,蓝光有利于蛋白质的合成,绿光则对植物生长有一定的抑制作用[16]。本系统研发的目的是将其应用于实际生产中,以提高植物生产率,获得较高的产品价值。因此,本系统只选择红光与蓝光光质的组合,用适当的红光与蓝光的比例来保证培育出形态良好且有效物质含量高的植物[16]。

对于光照强度和光周期而言,系统运用课题组研究数据,以叶用莴苣为例:从两叶一心的移栽到苗期阶段,叶用莴苣的最适光照模式为红蓝配比为5∶5,光周期16L/8D,光强为200μmol/(m2·s);从苗期到生长期阶段的最适光照模式为红蓝配比7∶3,光周期20L/4D,光强为150μmol/(m2·s);从生长期到采收期阶段的最适光照模式为红蓝配比5∶5,光周期16L/8D,光强为200μmol/(m2·s),具体配给方案如表1所示。

表1 不同阶段光环境最优参数表

对不同生长时期最适光照模式的分析比较发现,叶用莴苣不同生长阶段最适光环境略有不同,这样的光环境方案更有利于用最低的能耗获得最佳的生长效果,针对性更强;并且,本系统对植物生长光环境的控制是渐变式的,不会引起植物体内的应激性反应,因而是最佳的。

在光照度均匀度方面,光线分布越均匀说明照度越好,光照度均匀度接近于1最好,反之越小均匀度就越差。经测试,系统的LED光照度均匀度接近于1。图1为本系统3个阶段的光谱能量分布图。图2为本系统的光照度均匀三维图。

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图2 系统光照度均匀性三维图

图1中,横坐标为光谱范围,纵坐标为光照度值。

图2中,X、Y坐标轴为本系统培养箱长、宽(cm);纵坐标轴为光量子通量密度。

2 系统整体方案设计

根据课题组研究的结果,可得出不同光强、光质、光照时间下的最优光环境的配给方案,可以是使叶用莴苣外部指标最茁壮的方案,也可是使植物内部有效生理指标(叶绿素、蛋白质、糖、胡萝卜素等)累计最多的方案。一种植物对应一个控制程序,且该程序是通过反复的实验、变化光环境参数获取植物生长全过程的光环境信息与时间变化的对应关系,以形成固定的流水线式作业。根据所得出的配给方案,将最优光环境配给方案编写入PLC程序中,可以实现全程跟踪生长,严格地把控植物的生长周期。这样可达到一种植物对应于一条生产线,在生产过程中并不需要对植物的生长状况进行任何实时的反馈和跟踪,就可以达到植物培养的最佳状态和效率的目的。后续再编写上位机组态王程序,实现实时监控、操作等功能,具体设计流程如图3所示。

图4 系统的硬件接线图

3 上位机、下位机设计

PLC具体型号选择为FX3U-16MT/ES,是由日本三菱公司所研发的晶体管漏型输出PLC,性价比较高,可以很好地完成本系统的逻辑控制。此外,LED虽为半导体发光的冷光源器件,但因其材质、内部封装及其外部其他部件限制了其散热的有效性[17];因此,对培养环境的温度因子进行适时有效的调控尤为重要。系统的温度传感器采用PT100热电阻,输出信号为5～20mA,测量温度为0～100℃。对温度传感器变送的反馈信号用A/D模块进行采集,具体型号为FX2N-2AD,此款模拟量输入模块是分辨率为12位二进制的高精度模块,可以精确地对所采集的温度变化信号进行传送。

3.1 系统硬件设计

硬件接线图如4所示。因本系统需要长时间工作,为防止短路造成损失,特在火、零线处都加有保险丝。系统为DC24V输入,根据FX3U-16MT接线手册的要求,将S/S、24V两个端子相接。系统中PLC的输入端使用了内部辅助继电器M,没有使用输入端子X0、X1、X2…,既节省了硬件接线时间,又能使内部辅助继电器不易损坏;在输出端,Y0端口接KA1为固态继电器输出。系统运用PWM方法进行光环境的控制,且所需光频率必须非常快,所用PLC有3个高速输出Y端子(Y0、Y1、Y2),在Y1、Y2处接LED的红、蓝光引线,记为KA2、KA3;HA1为系统报警蜂鸣器。模拟量输入模块的接线将所采集的信号送入PLC的模拟量输入通道2。系统的温度调控具体流程如图5所示。

图5 温度调控流程图

3.2 系统软件设计

系统运用PLC控制器中的PWM指令进行编写。LED是一个固态器件,可以实现高达微秒的快速开关,这是任何其它非固态发光器件所无法比拟的。因此,只要把电源改成脉冲恒流源,用脉宽调制(PWM)法就可以改变其亮度。这是通过改变输入电压的占空比来调节LED的亮度,当占空比大时,通电时间变长,LED灯就更亮,反之亦然。

脉宽调制调光的优点是:①不会产生任何色谱偏移。②可以有很高的调光精确度。因为脉冲波形可以控制到很高的精度,所以很容易实现万分之一的调光精度。③即使在很大范围内调光,也不会发生闪烁现象。因为恒流源的工作条件(升压比或降压比)不会因LED的亮度而变,更不可能发生过热等问题。

在程序编写时,PLC内部软元件均采用断电保持型,防止在实际生产应用中因突然断电而造成不必要的损失。在光周期程序中,假设生菜从苗期至采收期需35天,通过时钟寄存器M8014(即PLC通电时,产生周期为1min的脉冲信号)和计数器的组合来延长定时时间。将35天分为不同的时间段,运用区间比较指令的方法分段驱动指定内部寄存器。当某一内部寄存器运行时,使用区间比较指令和实时时钟寄存器D8015的组合,接下来就可直接调用PWM指令,参考程序如图6所示。需要指出的是,不能重复使用PWM指令中的软元件。在图6的PWM功能指令中K5、K10即为脉冲幅宽与周期,对应于Y输出端子。通过上述处理可以有效地解决光照强度与光质调节的问题。

图6 系统时序参考程序

3.3 上位机设计

采用组态王kingview6.53对上位机进行设计。组态王是一款新型的、用于开发工业自动监控系统的软件,用一个由标准工业计算机软硬件平台组成的集成系统取代传统的封闭系统,具有适应性强、开放性好、易于扩展及经济适用等优点。

本系统运用组态王软件进行图形界面的设计,并可对下位机进行实时监控。当技术成熟后,操作人员只需在界面上点击所需种植的植物即可实现对该植物的自动跟踪生长,栽培不同的植物只需更换不同的植物生长流水线的控制软件即可实现。图7为本系统的初代上位机操作界面。

图7 上位机界面

系统中,上位机不仅是一个便于操作的可视化界面,还可用于对特定植物的跟踪生长,具体方式为:下位机中的光照传感器、温湿度传感器和二氧化碳传感器所采集到的模拟量信号经转换可实时显示在上位机界面中,并可将这些数据绘制成曲线图进行显示。当种植某一特定植物时,可以配合使用叶面积仪,测得植物在各个生长阶段的叶面积指数,作为系统跟踪生长的一个重要参考指标。在实际生产中,将每一阶段的叶面积指数反馈至上位机中,并根据叶面积指数的变化率来调整光照及其它参数,以便获得最佳的生长效果。上位机还可以整合各阶段的叶面积指数,绘制曲线图,使种植人员清晰明了地观察植物各个阶段的生长情况,达到跟踪生长的目的。

4 系统整体方案验证

使用本系统对叶用莴苣种子萌发阶段至幼苗阶段进行实验。这一阶段中LED人工光的红蓝配比为5∶5,光周期16L/8D,光强为200μmol/(m2·s);并采取相同环境、不同光照的对照组实验,对照组采用荧光灯(FL, Fluorescent lamp),记为CK组,光周期16L/8D,光强为200μmol/(m2·s)。

叶用莴苣种子发芽生长后,分别随机抽取3株,重复3次测量其外部生理指标,即下胚轴长度、胚根长度和茎粗。采取Origin9.1数据分析软件,得出叶用莴苣种子萌发阶段至幼苗阶段两组实验的特性差异。表2为不同实验对叶用莴苣种子萌发及幼苗生长阶段的影响。

表2 不同实验对叶用莴苣种子萌发及幼苗生长的影响

实验表明:系统与CK组对叶用莴苣的发芽率影响较小,但对生长至幼苗阶段的下胚轴长度、胚根长度和茎粗有显著影响,明显观察到使用本系统对叶用莴苣的外部生理指标有较大地长势优势。

5 结论

设计了一个一键式的智能流水线生产系统,实现了硬件设备的通用化和软件程序的标准化,可使人力成本大为降低,从而有效地降低 “生产成本”。在软件程序设计方面,运用了PWM脉宽调制方法,高效利用了LED的光照强度,极大地减少电力成本。与上位机的结合也实现了种植的智能化,只需在前期将植物生长光照环境参数输入程序中,在上位机界面点击相应按钮就可实现“傻瓜式”种植。目前,国内外PWM脉宽调光方法在植物生产中的应用甚少,方法还可以用来研究其产生的光高频率波动对植物生长可能产生的影响,对未来的植物工厂等密闭式农业生产方式有一定参考价值。