智能LED植物组培系统设计

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，设计了智能LED植物组培系统。该系统基于ZigBee无线网络，硬件部分主要包括STM8S芯片作为主控的终端控制器、LED多基色补光模块、光照强度检测模块。软件部分则包括相应的中央处理驱动程序、通信协议、上位机控制软件、下位机执行程序等。利用上述植物组培系统，对多肉植物进行了不同光质条件下的生长分析，该系统可有效提升植物的生长速率和生长状态。

关键词：智能LED植物照明光色可调光质

DesignoftheIntelligentLEDPlantTissueCultureSystem

SUNYumin1CHENLiang1ZHOUChaoyang1WUHang1LIWeimin1XURui2

1.TospoLightingCo.，Ltd.ofHengdianGroup，Dongyang，ZhejiangProvince，322118China;2.CollegeofOpticalandElectronicTechnology，ChinaJiliangUniversity，Hangzhou，ZhejiangProvince，310018China

Abstract：Inordertosolvetheproblemsthatthetraditionalgreenhouselightenvironmenthasroughcontrolmethodsandiseasytocausetheinsufficientlightofcropsandenergywaste，consideringthedemandofcropgrowthforlight，thispaperdesignsanintelligentLEDplanttissueculturesystem.ThesystemisbasedontheZigBeewirelessnetwork，itshardwarepartmainlyincludestheSTM8S ;chipasthemaincontrolterminalcontroller，theLEDmulti-colorfill-inlightmoduleandthelightintensitydetectionmodule，anditssoftwarepartincludesthecorrespondingcentralprocessingdriver，thecommunicationprotocol，uppercontrolsoftware，thelowerexecutionprogram，etc.Theplanttissueculturesystemisusedtoanalyzethegrowthofsucculentsunderdifferentlightqualityconditions，whichcaneffectivelyimprovethegrowthrateandgrowthstateofplants.

KeyWords：IntelligentLED;Plantlighting;Adjustablelightcolor;Lightquality

植物的生长质量以及产量等与光照条件的不同参数密切相关，光合作用主要吸收波长为610～720nm的红光和橙光，以及波长为400～510nm的蓝光和紫光[1]。为了减少病变和提高外观质量，也可以加入少量的绿光。另外，光照强度、光照周期、光强分布、光照频率等参数也会对植物的生长质量产生影响[2]。因此，智能组培用的植物生长灯需要能够精准调节各种光照参数，来满足实现不同需求下的光照要求。最后，温度、湿度等外部环境也会影响植物的生长，因此需要监测这些环境参数，来随时为人为调节提高相应的依据[3-4]。

1系统硬件结构设计

智能LED植物组培系统的硬件部分以ZigBee作为无线通信方式，包括终端控制器、LED多基色补光模块和照明检测模块。

1.1ZigBee无线通信模块

考虑到综合性的植物工厂使用空间，本设计选择的控制通信方式为ZigBee通信协议，其中ZigBee无线通信模块为常用的REX3DP。由于各个植物补光灯之间不需进行通信联系，因此，网络拓扑结构采用中心节点为核心的星型方式，即以一个Co-ordinator（中央协调器）节点连接多个EndDevice（终端）节点，Co-ordinator负责建立和维护网络，同时保持与各EndDevice进行链接通信。

1.2终端控制器

整个组培系统的控制关键部件是终端控制器，主要实现以下功能：一是接收Co-ordinator的指令微处理器对指令进行解析并将执行命令送给各EndDevice；二是接收来自光照探测器所检测的环境照度，并以此来调整补光模块的占空比。

主控制器采用STM8S105K4单片机，该单片机可以连接外接晶振，也可以采用内部振荡器作为主时钟。STM8S105K4的内部振荡器包括高速RC振荡器（HSI）和低速RC振荡器（LSI）两类，其中高速RC振荡器具有启动速度快的优点，且可以通过单片机内部的可编程分频器进行1～8倍的分频，从而按需产生2～16MHz不等的主时钟信号。因此，本系统采用高速RC振荡器。

1.3LED补光模块

LED补光模块是整个植物组织培养系统的核心，可以实现多基色组合补光输出。为满足阵列式排布的多颗培养植物对各种光质参数的吸收需求，LED基质模块采用多个小功率LED灯珠阵列，实现更好的光均匀性。系统中每个阵列的LED模组总功率设定为9W，模组中灯珠共18颗，采用9×2的线性排列，总额定工作电流为300mA。由于单管最大功率为18W，为保证其良好的散热性，基板材料为铝基板，并在背面增加铝制散热元件提高散热性能。LED补光模块设计和实物图如图1所示。

1.4检测模块设计

检测模块主要用于实时检测LED光源补光模块的光强和环境温湿度，因此，集成了光传感器和温湿度传感器。在传感器的选择上，主要考虑以下因素：（1）具有较高的精度，可以获得更准确的环境；（2）对I/O端口资源要求低，外围电路简单，减少硬件电路规模；（3）具有较强的抗干扰性、环境冗余度高、有一定的成本和寿命优势，能长时间稳定工作。根据上述要求，选择DHT11芯片作为温湿度传感器，其温度测量范围为0～50℃，精度为±2℃，湿度测量范围为20%～90%RH，精度为±5%RH。选择BH1750FVI模块作为光强检测传感器，具有不区分环境光源，可对0～65535lx光照度范围内进行1lx精度的光强测量。

2系统软件设计

LED光照系统软件包括中央处理驱动程序、通信协议、上位机控制软件、下位机执行程序。

中央处理驱动程序逻辑如下：在系统上电后，首先对时钟参数、定时器、I/O口、终端配置等进行初始化；其次EndDevice节点扫描一定范围内的Co-ordinator节点，并发出入网请求，Co-ordinator节点根据自身资源配置情况决定是否同意入网，当资源充足时组网成功并等待发出指令；再次当有中断产生时，根据预先设置产生初始PWM波，光照传感器采集光照度并对是否调整PWM波占空比发出指令。中央处理驱动程序的总体流程图如图2所示。

3结果与讨论

选择多肉植物（初恋）为实验对象。植株消毒晾干后采用土培方式盆栽，盆栽容器为7cm×7cm×7cm的立方体。实验光照设置自然光（对照组）、红光（660nm）、蓝光（450nm）、黄光（590nm）、绿光（530nm）、红蓝复合光（2∶1）6种光照条件。实验每次处理30株，平均分为6组，分别对应6种光照条件。各组光照强度控制在，光周期为，除白天给予正常光照外，每日在早（5：00～8：00）、晚（16：00～19：00）环境光照较弱时分别进行额外补光，实验共持续20d。所有实验均重复三次并测试。

在每次重复的实验中，每组均随机选取1株共18株为测量样本进行测定，主要考查因素和测定方式如下：（1）植株形态指标动态测定，分析20d后多肉植株的株高、平均叶距、茎粗、叶色，判断多肉形态的好坏，是否产生徒长等；（2）叶片色素含量测定，以基部为界向上选用第三叶片，用80%丙酮对叶片进行处理，用分光光度计定量分析叶绿素a+b和类胡萝卜素c[5]的含量；（3）花青素含量测定，用2%的盐酸乙醇溶液处理叶片并提取花青素，用分光光度计测定在530nm、620nm和650nm处的光密度值，并用Greey公式计算花青素含量。

从18株样本的观察中可以看出，相较对照组，其余5种补光条件下各样本的植株高度和茎粗都有不同程度的增加，但其表现各不相同：红光对植株形态影响较好，株高和茎粗生长迅速，叶片间距大，对徒长的抑制作用不明显，叶片整体肥厚挺直，有一定色泽；蓝光同样对植株形态影响较好，株高和茎粗增长明显，但叶片间距小，对植物的徒长有一定的抑制；黄光和绿光照射下植株形态较差，株高增长但茎细，叶距大，叶片很薄且不直，植株不突出，徒长较为明显；红蓝光2∶1的光照条件下，植株的观赏形态最佳，从叶片厚薄程度、长势和色泽上都能达到很好的效果。

叶片颜色是由色素含量决定的，6组的叶绿素a+b、花青素、类胡萝卜素的测量结果如图3所示。黄光和绿光对叶绿素的增益最高，但花青素和类胡萝卜素合成含量很低。在红光、蓝光和红蓝光2∶1下，叶绿素含量有所下降，同时花青素和类胡萝卜素含量上升，其中红蓝混合光照下的花青素和类胡萝卜素含量最高。由于叶绿素主要影响叶片呈碧绿色，而花青素和类胡萝卜素影响叶片呈蓝紫色和橙红色，因此在红蓝光2∶1照射下，多肉植物的叶片色彩更加绚丽多彩，满足审美要求，达到最佳外观质量。

4结语

设计LED植物灯，开展了LED光质对多肉植物形态影响的实验。研究表明红蓝光2∶1的补光条件不但能促进多肉植物的茎叶生长，有效抑制徒长，还可以有效提升叶片中花青素和类胡萝卜素的含量，达到较高的观赏效果。

参考文献

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• 张博，文尚胜，马丙戌，等.多光源模块植物光源系统的设计[J].光学学报，2020，40（19）：165-175.
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