0、 引言

光照條件在各個生長期都是影響作物的生長的主要因素,當光照不能達到作物生長的最佳的光照要求時,就需要對作物的各個生長期進行補光。國際上補光光源通常選擇紅色和藍色 LED 光源,可以做到高效節能,有些地區甚至完全用人工光源代替自然光源培養作物。在自動補光系統中,通常以外界光照強度為標準進行補光,該方法設計簡單、參數調整方便,但不能從作物的內在因素分析其生長狀態。本文以葉綠素熒光參數為補光參數調整基礎,能夠反映出作物的光合作用效率,可以從作物生長的角度來調整光照條件。為此,設計了一種雙線間接調光法,并在此基礎上提出了一種新的自動控制動態補光系統。

1、 葉綠素熒光參數與補光方法分析

光合作用的本質是一個植物轉化太陽能為淀粉和多糖等其他形式的能量并儲存的反應。光合作用主要由兩階段組成,分別是光反應和碳反應。其中,光反應由光照引起,并把光能轉化成電能,葉綠素熒光現象發生在光反應階段。葉綠素在光反應中的作用是用來捕捉光子能量并最終把光能轉化成化學能、熱能和熒光。自 1931 年由 Kautsky 和 Hirsch 發現的葉綠素熒光現象以來,人們就發現葉綠素熒光的產量與光合作用有很強的負相關性;正因這種負相關性,所以葉綠素熒光又被稱為活體作光合作用的研究探針,是用來研究光合作用現象的最佳選擇。葉綠素熒光參數多種多樣,能夠反應的植物的生長信息也是多種多樣的,在諸多葉綠素熒光參數當中比較直接地反應植物的光合作用能力的是 ΦPSII。

研究表明,植物對光能的吸收峰集中在波長為400 ~ 500nm\\(主要是藍光\\)和 600 ~ 700nm\\(主要是紅光\\)這兩個波段。雖然現在很多還是采用全波段對植物進行補光,但是紅藍光組合補光更高效,在國外應用也比全波段補光更廣泛。所以,本設計依然采用了紅藍光組合的方法來對植物進行補光。

在檢測環境因子方面,傳感器至關重要。普通的光照傳感器雖然可以對紅藍光組合進行檢測,但是無法區分紅光和藍光在補光中單獨能起到的作用。本設計采用單色光照傳感器分別獨立測量光照環境中的紅光和藍光強度。該傳感器實際上就是正常的光照傳感器加載濾光鏡片,而濾光鏡片可通過光的波長范圍,就是該光照傳感器可測量的光照范圍。

2、 補光決策與算法

本設計采用雙線間接調光法,是由于該方法分兩級調節光照強度,可使能夠反應植物光合作用能力的ΦPSII 和能夠反應光照條件的光照傳感器反饋結果同時參與最終的調光決策。其原理如圖 1 所示。

首先,該系統會輸設定一個單色光光照強度的大小作為閾值,這個值是一個略低于飽和光照強度的經驗值。以單片機為核心的 PWM 會把 LED 燈光照強度逐漸地調節到設定的閾值附近,這是下級直接調節;MINI - PAM 系統會檢測植物葉片的葉綠素熒光參數,并把該值返回到上位機儲存分析。當作物的熒光參數偏離上位機內記錄的正常光照下的參數值時,上位機會發出指令通過 RS232 串行口通信連接單片機。

單片機接收到調節指令后重新調節內置閾值,進一步會調節 LED 的光照強度,最終使得光照回歸到植物所需的正常水平,這是上級間接調節。這種調節方法彌補了傳統兩大類調光方法的缺點,同時兼顧了植物的光照條件和生長狀況之間的相互影響,做到了動態調節。

3、 動態補光系統的設計

根據以上方法設計了一套完整的調光系統。該系統的下級調節系統是以單片機為核心的 PWM 調光系統,上級以計算機和 MINIPAM 為核心,通過測量計算調節下級調光系統內的閾值。

3. 1 PWM 下級調光系統

本系統使用的單片機是 PIC16F1503 其管腳連接方式,如圖 2 所示。其編程代碼略。

設計中把 PWM 的頻率設置為 30kHz,每個脈沖占空比分為 100 級,這種頻率下噪音非常小。每隔 10ms檢測一次光照傳感器電壓,并與設定值做比較。如果光照傳感器電壓小于設定值,則增加 PWM 占空比1%;相反,如果光照傳感器大于等于設定值,那么減少 PWM 占空比 1% 。其流程如圖 3 所示。

單色光照傳感器選擇用 HA2003 光照傳感器外加單色濾光鏡片。HA2003 量程為 200 ~ 200 000Lux,光譜范圍 400 ~ 700nm\\(可見光\\),誤差 ± 7% ,工作電壓12 ~ 24V,輸出信號 0 ~ 2V。藍色濾光鏡片透光光譜范圍為 400 ~ 540nm,紅色濾光鏡片透光光譜范圍為590 ~ 720nm,濾光鏡片可以吸收可透光以外所有的光波。這樣,即使在紅藍光混合區或者自然光中,仍然可以測得紅光和藍光單色光的光照強度?；ハ嗒毩⒌捻憫到y避免了紅光和藍光比例的硬性設置,更方便于單獨討論紅光或者藍光單獨對植物的作用。

本設計采用的 LED 是飛利浦公司的 Luxeon Rebel型紅光和藍光超高亮度 LED,該 LED 燈的半值角度為62. 5°,方向性較強。紅光 LED 發光波長為 650nm,波長寬度為 40nm,最小光通量為 40lm,工作電流為350mA。藍光 LED 發光波長為 460nm,波長寬度為50nm,最小光通量為 30lm,工作電流為 350mA。

由于本試驗中有多個 LED 串聯,電壓約達到110V,電流達到 350mA,且實際上所有的 LED 燈都是閃爍的,頻率較快,因而控制開關使用可控硅BT169B。該型號的控制觸發電流是 0. 05mA,電流為0. 8A,電壓為 100 ~ 240V,工作溫度 125℃,完全符合使用需求。開關控制電路如圖 4 所示。

在此需要說明的是,PWM 調節方式的下限是占空比為零,這個時候的脈沖沒有高電位信號,由于可控硅開關關閉,LED 是不發光的。PWM 調節的上限是占空比為 100% ,這時脈沖一直輸出高電位信號,LED 持續照明,是光照強度的最高值。經測得在某晴天下午2 時\\( 在沈陽地區光照強度最強\\),在自然光條件下,其紅光光照強度略微高于 4 000Lux,藍光光照強度大約為 2 500Lux。但是在上午 10 時,光飽和的情況出現時,紅光光照強度僅為 1 600Lux 左右,藍光光照強度為700Lux 左右,即植物需求的光照強度遠遠低于自然光提供的最大光照強度。綜上考慮,在實驗中的使用LED 陣列滿占空比時,紅光光照強度為 4 000Lux,藍光光照強度 1 500Lux,既節約能源,又能夠滿足植物生長需求。

3. 2 MINI - PAM 控制模塊

MINI - PAM 熒光儀是用來測試植物葉綠素熒光參數的儀器,該儀器是可編程的,可實時與上位機進行協同工作。MINI - PAM 內置上位機數據通信控制指令,外置有 RS232 串行通信接口。MINI - PAM 中在軟件編寫中用到的常用代碼如表 1 所示。

3. 3 上級上位機調節系統

上位機的主要任務是對葉綠素熒光信息進行采集、比較及調節單片機內光照強度的設定值?？紤]到植物的對環境的適應以及反映時間,本設計設定采集1 次葉綠素熒光參數中的 ΦPSII 值:當 ΦPSII 低于理想光合作用速率時,則會調高光照強度標準值;相反,當ΦPSII 高于理想光合作用速率時,則會調低光照強度標準值,并重置單片機內的光照強度標準值。單片機會根據光照強度標準值的變化來自動調節光照,最終實現動態調光的過程。其程序流程圖,如圖 5 所示。

需要說明的是,理想光合作用速率低于光飽和時的光合作用速率,理想光合作用速率所需要的光照也低于飽和光照。如果初始的設定值合理,可以避免發生由于光照過飽和而導致的光合作用速率下降,從而調高光照強度標準的情況發生;而且光照條件由于PWM 光照系統的硬件設定的原因,最強光照也要遠遠小于強光脅迫發生而抑制光合作用速率時的光照。

所以,該系統在任何條件下,對作物都是安全的,不會發生過飽和光照而抑制光合作用的情況。

4、 實驗與結果分析

系統建成后,于 2013 年初開始了實際生產環境驗證實驗。實驗地點在沈陽農業大學日光溫室第 29號,番茄樣本為遼園多麗。該批次樣本在為 2012 年底播種于穴盤中,溫室環境適宜番茄植株的生長,在2013 年 1 月底至 2 月初,番茄長至四葉一心進行實驗。從樣本中選取兩株生長狀況較好長勢基本一致的番茄幼苗,一株在動態補光系統下測量實驗,另一株在溫室內正常生長環境下進行實驗,作參照對比。

圖 6 為經 VB 編程的上位機操作界面,其紅光和藍光閾值測試時間間隔以及熒光參數標準值是可以設定的,而熒光參數顯示區則顯示測得的植物ΦPSII。這里面紅光和藍光是相互獨立的系統,分別設置自己光照閾值,可以隨時修改。

圖 7、圖 8 分別是兩株植物在溫室內和補光系統內的ΦPSII 測量結果。由圖中可以看出,白天光照條件的巨大差異對番茄的光合作用影響非常大。隨著光照的加強,光合作用比較穩定,從 10 時開始番茄的光合作用逐漸的降低,在 12 時至下午 1 時半這段時間光照達到一天中最強的時間內,番茄的光合作用能力一直徘徊在最低點;從 2 時開始隨著光照的減弱,光合作用能力開始逐漸的恢復,3 時左右由于室外溫度過低則大棚關閉,可見實際上非常有效的光合作用每天只有 3 ~4h。在補光系統中的番茄,雖然可能受到多種光照的影響,但是最終決定補光程度的是植物本身的光合作用情況,所以ΦPSII 可以長時間維持在一個較高的水平。

實驗證明,該補光方式可行。在其他環境因子適宜的情況下,可以把光照調節到番茄需要的范圍內,并有效提高其光合作用能力,最終能夠提高作物的干物質積累。

5、 結論

在分析植物光合作用機理的基礎上,提出以光合作用情況和光照強度相結合共同決策調光,將之命名為雙線間接調光法?；谠摲椒ㄒ?PIC16F1503 單片機為核心處理模塊開發了 LED 調光系統,通過 MINI- PAM 和上位機對植物光合作用情況分析,并且可以自主調節光照閾值。同時,紅光藍光各自獨立成系統,擺脫了紅藍光比例設置的束縛,可以在閾值設置窗口任意地設置其光照比例。實驗證明,該方法可以有效提高作物的光合作用,增加作物干物質累積,最終提高作物的產量。

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