基于LED光源的植物生長動態(tài)補光控制系統(tǒng)設計

基于熒光檢測的動態(tài)補光系統(tǒng)是利用MINI-PAM監(jiān)測番茄實際光合效率和LED組合光源補光相結合指導溫室番茄種植，定量的分析熒光參數(shù)并解決了科學適量補光問題。該系統(tǒng)由上位機總控制中心，自主開發(fā)設計的STM32單片機的溫室信息監(jiān)控系統(tǒng)，提供穩(wěn)定電流的可編程恒流源，大功率紅、藍光LED組合光源和MINI-PAM便攜調制式熒光檢測儀組成。STM32單片機溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)和便攜式調制熒光檢測儀分別測量記錄環(huán)境信息和熒光參數(shù)信息，從這些信息分析計算出LED組合光源的亮度和最佳紅藍光比例，最后上位機控制可編程恒流源驅動LED組合光源，最后達到動態(tài)補光的目的。

0 引言

光合作用是是生物界所有物質代謝和能量的物質基礎，植物在光合作用的原初反映，將吸收光能是以較大的熒光方式釋放的，因此葉綠素熒光與光合作用有著十分密切的關系。近30年來，LED人工光源在設施園藝、植物設施栽培、太空農業(yè)中的研究已經在全世界范圍內引起廣泛關注。通過不同光質對草莓、蘭花等植物的研究結果表明，紅光對植物形態(tài)、調節(jié)株高具有重要的影響，對葉片的生長過程會有促進作用，植物的葉、莖與葉柄會伸長，但葉綠素含量較低，生長指標和干物質積累也會降低。藍光對光合作用的調控作用主要集中在氣孔的開啟、葉綠體的分化以及調節(jié)光合作用酶的活性等。POSPA等研究發(fā)現(xiàn)在單色藍光LED作用下，葉綠素含量最高，葉片氣孔數(shù)最多。目前，在復合光譜對植物光合生理特性的研究中，紅藍光LED組合對植物的生長發(fā)育過程能產生積極影響，由于單色光處理，因此該系統(tǒng)以紅藍光組合作為番茄生長的輔助光源。通過軟件對上位機、可編程電源控制的LED陣列以及MINIPAM調制熒光儀進行閉環(huán)控制，分析在何種光照條件下最有利于番茄的生長。

1.系統(tǒng)的總體結構

動態(tài)補光控制系統(tǒng)是利用MINI-PAM監(jiān)測番茄實際光合效率和LED組合光源補光相結合指導溫室番茄補光生產，該系統(tǒng)由五大模塊構成，上位機決策模塊是一臺工業(yè)級服務器，自主開發(fā)設計的STM32單片機的溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，為補光光源提供穩(wěn)定電流的JBP-7510型可編程控制恒流源，大功率紅、藍光L E D組合光源和MINI-PAM調制式熒光檢測儀組成。以熒光參數(shù)為目標，在溫室環(huán)境中不斷調節(jié)可編程恒流源的輸出電流來改變LED組合光源的光照強度，進而改變番茄的熒光參數(shù)ΦPSⅡ到期望值，達到對番茄光合作用人工調控的效果。系統(tǒng)的基本原理圖如圖1所示。

2.監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

2.1 LED組合光源的供電模塊JBP-7510型可編程控制恒流電源為電流電源，額定工作狀態(tài)下，能輸出穩(wěn)定的期望電流，為了精準的控制LED組合光源驅動電流，達到控制光源光照條件的目的，選擇一款穩(wěn)定性很高的電流源是非常重要的?？删幊毯懔髟春愣ㄝ敵鲭娏?，所以電流不受負載的影響，驅動電流值的大小直接控制著LED燈珠亮度，所以電流源能準確的控制LED組合光源的光強?？删幊毯懔髟措妷狠敵鲎畲鬄?5V,電壓精度為0.05%+37.5mV,電流輸出最大為10A,電流精度為0.1%+10mA.根據(jù)熒光參數(shù)上位機計算出合適的補光電流值，通過串行通信發(fā)送指令給電源，最后可編程恒流源提供的穩(wěn)定的輸出電流來驅動LED組合光源。

JBP-7510型可編程控制恒流電源在室溫25攝氏度下，驅動LED補光光源的情況下，測試控制電流和實際電流，測試結果中的12個數(shù)據(jù)如表1所示。從數(shù)據(jù)結果分析得到，電流精度均優(yōu)于±0.2%,所以說JBP-7510型可編程控制恒流電源電流精確度可以滿足系統(tǒng)補光電流的輸出精度。

2.2 LED陣列設計

利用LED光線集中、方向固定特點，要想做到紅藍LED在照射區(qū)域的均勻必須進行合理的規(guī)劃和優(yōu)化改進。番茄的補光主要用到紅藍光LED,設計的組合光源要保證番茄接收到的光線中紅藍光的均勻，兩種設計方案紅、藍LED個數(shù)比為1:1和4:1.陣列一：紅、藍LED個數(shù)比為1:1,LED間隔均勻排列，相鄰LED間距為10mm,陣列情況如圖2(a)所示。陣列二：紅、藍LED個數(shù)比為4:1,紅光LED和藍光LED組成一個區(qū)域，藍光LED在中心，陣列情況如圖2(b)所示。

2.3 MINIPAM調制熒光檢測儀

MINIPAM型脈沖調制葉綠素熒光儀由WALZ公司制造，本系統(tǒng)利用其對植物光適應下的穩(wěn)態(tài)熒光產量Fs、光適應下最大熒光產量Fm等相關熒光參數(shù)值進行測量。通過RS-232接口與上位機進行雙向通信，實現(xiàn)上位機閉環(huán)控制MINIPAM和LED發(fā)光陣列。

3.番茄生長動態(tài)補光控制系統(tǒng)的軟件設計

動態(tài)補光是基于上位機的信息收集與存儲，數(shù)據(jù)分析，下發(fā)命令來實現(xiàn)的，動態(tài)循環(huán)過程由環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，便攜式調制熒光儀和可編程恒流源協(xié)同完成，具體流程見圖3.

利用基于STM32F103VCT6單片機的環(huán)境因子監(jiān)控模塊實時監(jiān)測番茄生長環(huán)境，把傳感器得到的環(huán)境因子傳送給上位機，當溫室內光照不足時，上位機啟動MINIPAM并得到熒光參數(shù)(ΦPSⅡ值)返回值，計算需要補光的光強和合適的紅、藍LED組合比例，分別下達LED組合光源工作電流值命令給與COM1通信的JBP-7510型可編程恒流源， 下達紅、藍L E D 比例命令給STM32F103VCT6單片機。紅、藍LED組合光源通過驅動電流調節(jié)自己的亮度，STM32F103VCT6單片機控制每個LED的電流來達到控制比例。單片機繼續(xù)監(jiān)測光照條件，循環(huán)對比動態(tài)補光，直到熒光參數(shù)維持在預定值。MINI-PAM定時將采集到的番茄熒光參數(shù)通過上位機的COM2口傳送并存儲在上位機上，上位機判定熒光參數(shù)是否高于或低于預定值，進而決策控制單片機及執(zhí)行機構和可編程控制電流源，實時調整溫室環(huán)境，保證最佳LED組合光源紅、藍光組合比例和亮度，使溫室環(huán)境因子控制模型成為最佳的番茄生長模型。

4.結論

目前已初步構建動態(tài)補光系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)完成了24小時熒光參數(shù)的監(jiān)控。根據(jù)實際需要，以LED光源為基礎，根據(jù)單色LED及組合LED光源對植物的作用過程，設計適宜植物不同生長階段的LED組合配比參數(shù)，并通過最佳LED光源的設計，利用LED輸出光強與熒光參數(shù)之間的關系，實時將最佳匹配的光源信息及光照周期輸入到計算機系統(tǒng)，計算機根據(jù)所有采集上來的熒光參數(shù)和環(huán)境因子信息指導動態(tài)輸出，實現(xiàn)動態(tài)補光系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要針對北方溫室低溫弱光的特點，以番茄為研究對象，在低溫弱光下的補光方式，并確立在最佳光源下、不同生長時期、不同環(huán)境參數(shù)(水分、溫度)影響下的番茄生長控制模型。