蔬菜溫室的光度測量及自動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：自動控制技術(shù)的進步，促進了國內(nèi)溫室大棚自動控制技術(shù)的發(fā)展。文章介紹了光照對作物生長的影響及光照控制需要注意的問題；選擇了合適的光敏元件及電路，高計了低成本的控制系統(tǒng)，應(yīng)用表明，效果較好，實現(xiàn)了溫室光照控制的智能化管理。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測系統(tǒng)；傳感器；光照強度；光合作用

目前，信息技術(shù)及自動控制技術(shù)發(fā)展迅速，并應(yīng)用在了各個行業(yè)及部門。我國作為農(nóng)業(yè)大國，地域廣闊，溫室大棚保有量較大，其生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平直接關(guān)系到人民的生活質(zhì)量。縱觀國內(nèi)各農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件不一，旱澇災(zāi)害常發(fā)，使得農(nóng)作物產(chǎn)量不高，質(zhì)量不好，溫室大棚的作用更為突出。

目前，國外溫室的控制系統(tǒng)已實現(xiàn)或正在向完全自動化及無人化的方向發(fā)展，盡管我國已對溫室控制系統(tǒng)中的氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等因素進行了研究，但其實用效果并不理想，與國外還有很多差距，很多方面仍需要改進。因此，研發(fā)低成本、低功耗的經(jīng)濟型、實用型溫室智能控制系統(tǒng)前景廣闊。

溫室環(huán)境控制技術(shù)是溫室智能控制技術(shù)的重要組成部分，其中主要包括溫濕度控制、二氧化碳濃度控制、土壤情況控制、光照強度控制等技術(shù)，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一是光照強度控制。因光照是植物光合作用的首要因素，影響著植物的產(chǎn)量和質(zhì)量，所以通過研究光照強度的控制運用于農(nóng)業(yè)具有重要意義。

1 光對作物的影響

植物的生長離不開光合作用，在這一過程中，光對植物的影響是最關(guān)鍵的因素之一。光照不足或過強，都會使光合作用減弱，植物生長緩慢，植物只有在適合的光照強度下才能良好生長，開花結(jié)果。實驗表明，植物的生長速度與光照強度在一定范圍內(nèi)成正相關(guān)的關(guān)系。傳統(tǒng)意義的光指陽光，在溫室中，采用人造光源也可以達到相同的光合作用效果。控制光照的強度，照射的時間、分布情況等，都會影響作物的生長。

2 光的控制

溫室光的控制主要有兩個方面，一個是光的種類，另外是光的強度或時間，光強度高，作用時間長，則相應(yīng)的光合作用產(chǎn)生的能量也高。不同的作物對光的波長有不同的需求，同一種作物在不同階段對的需求也不相同。因此，需要對不同作物，在不同階段進不同的光照控制，以達到促進作物生長、提高產(chǎn)量的目的。如使用黃色薄膜，可使黃瓜生長加速，使豆類更加茁壯等。當光照強度不足時，需要對作物進行補光處理，如陰雨天、冬春季等時節(jié)。補光控制主要有兩種方法，一是人工光源進行補充，另外是控制溫室草苫的揭蓋時間，增加或減少光照。需要注意的是，補光要注意結(jié)合控制溫室內(nèi)的溫度高低。

光照對于溫室而言，光合作用為蔬菜生長提供能量，同時光合作用釋放的能量也為溫室的環(huán)境提供了溫度保障。當然，光照強度達到一定值時，作物光合作用與呼吸作用平衡，再增加光照，光合產(chǎn)物也不再增加。因此，光照的時間及強度并不是越大越好，必須合理控制。如在夏天，光照強度大，如中午以后，光照強度達到最大，高強度的光照會灼傷作物，同時作物氣孔關(guān)閉，光合作用停止。此時，必須進行遮光處理，才利于作物生長。一般溫室采用遮陽網(wǎng)對光照時間進行控制。

系統(tǒng)控制時，主要是光敏元件接受信號，轉(zhuǎn)換后啟動遮光網(wǎng)控制器件。需要注意遮陽網(wǎng)的啟停也要考慮溫室溫度的高低，溫室內(nèi)溫度偏低時，也應(yīng)控制設(shè)備打開遮陽網(wǎng)以利于溫度上升。檢查光照強度低于光照下限時，遮陽網(wǎng)應(yīng)關(guān)閉。

3 光照元件及電路

傳感器是控制系統(tǒng)不可缺少的元件，光電傳感器則是將測量的光照量轉(zhuǎn)換為電信號強弱的元件，主要由光源、光學(xué)通路光電元件組成。目前的各類光電傳感器中，首選價格低、推廣容易的光敏電阻傳感器。本研究選用PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片包括1個串行數(shù)據(jù)接口線，1路模擬輸出和4路模擬輸入。工作時，待機電能耗小，8位逐次逼近型，模擬電壓范圍為VSS（電路供電壓）到VDD（芯片工作電壓）。對于光強度的測量，使用美國TAOS公司的TSL2561芯片，具有速度快，能耗低，測量范圍寬、可編程靈活等優(yōu)點。傳感器與單片機接口電路如圖所示。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

整個溫室系統(tǒng)的設(shè)計可分為三個部分：第一是控制策略，對光照的補充、溫度的高低控制、通風(fēng)、灌溉等；其次是溫室內(nèi)部環(huán)境的控制，光照強度、溫濕度、土壤濕度、作物等；三是外部環(huán)境條件，太陽輻射、降水等。在此基礎(chǔ)上，對光照控制進行研究。其設(shè)計思路如下：

對溫室的光照強弱進行實時采集，經(jīng)元件轉(zhuǎn)換為模擬值進行傳輸；傳輸來的量值進行指令控制，調(diào)整光照強度的量；對調(diào)節(jié)指令進行對應(yīng)控制器的控制，通過改變光源，達到光照調(diào)節(jié)的目的；完成初步調(diào)節(jié)后，再次進行光照強度的采集，對比系統(tǒng)設(shè)定值，以實現(xiàn)合理的光照。

通過使用上述系統(tǒng)，對某蔬菜溫室大棚進行光照控制實驗，作物生長良好，與人工控制相比，生長期縮短，產(chǎn)量提高，基本達到了控制目的。

5 結(jié)語

溫室大棚光照系統(tǒng)的實施，是溫室自動控制的一部分，通過采用光敏元件對光照信號的接受，單片機進行模擬信號的轉(zhuǎn)換，通過電路設(shè)計，實施控制策略，對溫室光進行了有效的控制。對比系統(tǒng)使用前后，使自動控制系統(tǒng)的實施，是本文通過光敏傳感器接收光照信號，單片機轉(zhuǎn)換模擬信號，實施調(diào)節(jié)方案實現(xiàn)光照控制的補光控制和遮光控制。有效的控制光照，使溫室內(nèi)蔬菜產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高，達到了控制目的。

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作者簡介：劉文（1994-），男，漢族，山東滕州人，本科，研究方向：自動控制技術(shù)。