初步構(gòu)建LED光源的植物生長動態(tài)補光控制系統(tǒng)
光合作用是是生物界所有物質(zhì)代謝和能量的物質(zhì)基礎(chǔ),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?zé)晒馀c光合作用有著十分密切的關(guān)系。近30年來,LED人工光源在設(shè)施園藝、植物設(shè)施栽培、太空農(nóng)業(yè)中的研究已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。通過不同光質(zhì)對草莓、蘭花等植物的研究結(jié)果表明,紅光對植物形態(tài)、調(diào)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(biāo)和干物質(zhì)積累也會降低。藍光對光合作用的調(diào)控作用主要集中在氣孔的開啟、葉綠體的分化以及調(diào)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(fù)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(chǎn)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(diào)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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/221958.htm1.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
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(jié)合指導(dǎo)溫室番茄補光生產(chǎn),該系統(tǒng)由五大模塊構(gòu)成,上位機決策模塊是一臺工業(yè)級服務(wù)器,自主開發(fā)設(shè)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LED組合光源和MINI-PAM調(diào)制式熒光檢測儀組成。以熒光參數(shù)為目標(biāo),在溫室環(huán)境中不斷調(diào)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(diào)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(shè)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(zhǔn)的控制LED組合光源驅(qū)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敵鲭娏鳎噪娏鞑皇茇?fù)載的影響,驅(qū)動電流值的大小直接控制著LED燈珠亮度,所以電流源能準(zhǔn)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(qū)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(qū)動LED補光光源的情況下,測試控制電流和實際電流,測試結(jié)果中的12個數(shù)據(jù)如表1所示。從數(shù)據(jù)結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)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(diào)制熒光檢測儀
MINIPAM型脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x由WALZ公司制造,本系統(tǒng)利用其對植物光適應(yīng)下的穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量Fs、光適應(yīng)下最大熒光產(chǎn)量Fm等相關(guān)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(shè)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(diào)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(dāng)溫室內(nèi)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
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