動態調控決策下人工光環境中冬季辣椒幼苗生長特性分析

邱兆美， 馬延武， 于瑞鋒， 張 伏， 王 俊， 毛鵬軍， 張海峰

(1.河南科技大學農業裝備工程學院，河南洛陽 471003； 2.商丘工學院土木工程學院，河南商丘 476000)

通信作者：馬延武，碩士研究生，主要從事智能農業裝備方向的研究。E-mail：qzm381@126.com。

辣椒作為我國重要的經濟作物之一，不僅具有食用價值，在藥用價值上也有諸多優點，而且品種分類多[1-2]。近年來，隨著我國辣椒栽培面積不斷擴大，利用大棚等農業設施進行反季節栽培，可以提早或延遲辣椒上市時間，提高經濟效益[3]。育苗是辣椒生產栽培過程中的關鍵環節[2]，對溫濕度和光照等因素要求比較嚴格，育苗質量的好壞將直接影響到蔬菜的早熟性、豐產性及經濟效益[4-6]。

溫室具有與外部環境相隔離的特殊內部小氣候環境，是強非線性、慢時變、強耦合、大滯后復雜系統，決定了溫室控制因素的多樣性[7]。在進行辣椒育苗時，傳統的育苗方法育苗質量低、成苗率低、土傳病害嚴重、育苗成本高及運輸不便等弊端越來越明顯[8-10]，加上環境污染嚴重，冬季雨雪霧等天氣狀況，大氣透明度低，以及薄膜透光率和灰塵覆蓋等造成光環境差異等[11]，使產業化育苗面臨著育苗安全性等諸多難題[12]。LED光源應用于植物產品生長領域，包括溫室補光、植物組培與育苗工廠、植物工廠、食用菌等，可以根據不同植物品種而任意選擇光質和光照度，為植物提供最適宜的光環境參數，有效提高作物光能利用率[9，13-14]；組培育苗是現代高效農業的支柱之一，研究植物組織培養技術對于加快種苗培育具有重要意義[15]；水肥一體循環利用系統提高了水分利用率[16]。現有關于溫室環境監測控制的研究廣泛[17-19]，但春茬果菜生產育苗時間正值冬季，給育苗帶來許多不利影響[20]，育苗缺失配套環境與配套設施，忽視環境控制設備，育苗監測系統僅能滿足監測要求[21-22]，對控制系統的研究也是采用現代測控儀表監測，設定閾值或者人為調控，其環境調控精度不能滿足育苗過程所需要指標[4，23]。關于LED植物生長及控制系統研究及光源優化設計，所采用LED不適用于溫室補光光源的功率要求，光源系統也未針對植株或育苗進行生長照射試驗[24-27]。

針對以上情況，本研究基于現有的溫室環境監控系統和WSN技術[17-19]設計一種育苗環境動態調控系統，包括協調節點、監測節點和調控節點，各節點采用CC2530作為核心處理模塊，加入反饋控制的動態調控決策，在該動態調控決策下進行人工光源的自適應調節，并對辣椒幼苗進行不同光照度和光照時間下的生長特性分析。該決策和系統可以為育苗工作的進行提供一個安全可靠的環境。

1 環境因子對辣椒育苗狀況的影響分析

1.1 光源對育苗狀況的影響

光能是植物進行光合作用的能量來源，除此之外還影響植物許多生理反應，因此植株育苗需要選擇在陽光充足的地方[9，28-30]。研究發現，不同波段光對植物的生長影響不同(表1)[31-32]。植物在生長過程中會吸收特定波長的光進行光合作用，主要集中在420～480 nm的藍光和610～700 nm的紅光[25]。實際應用中，需要根據育苗不同時期所需目標光值進行動態調控，實現育苗過程按需調光。

1.2 溫濕度對辣椒育苗狀況的影響

植物生長需要特定的溫濕度環境(表2)。溫度影響代謝活動中酶的活性，影響植株生長；植株莖葉表面和周圍環境的濕度影響植物的蒸騰作用[31]，在辣椒育苗過程中極易造成因濕度過大或放風不及時而發生莖基腐病或早疫病[33]。因此，進行辣椒育苗時，將溫室環境參數嚴格控制在一定范圍內，對育苗十分重要。育苗過程采用穴盤育苗和滴灌技術，穴盤滴灌技術采取地下供水方式，能在保證作物生長所需水分和營養條件的同時，降低作物地上部分和生長環境的濕度，在一定程度上有效緩解苗床表面土壤板結現象，增強作物根部氧氣流通性能，有助于預防因濕度過大而引起的苗期病害，有利于實現育苗基質見干見濕狀態。同時利用滴灌系統的特點，定時定期把作物苗期生長所需的營養肥加入到滴灌系統中，有助于實現水肥一體化管理[16，33]。

表1 不同波段光對植物的影響

表2 辣椒育苗溫濕度要求

2 系統結構與組成

系統由協調器節點、監測節點和調控節點組成，現場通過ZigBee進行通信，并能實現Internet遠程傳輸，便于遠程監測控制。整個網絡采用樹狀拓撲結構，監測節點作為路由節點，完成空氣溫濕度和土壤濕度與光合有效量子通量密度值的采集；協調節點作為根節點，完成環境實時參數和目標光值的計算；調控節點作為葉子節點，完成命令的執行，實現溫濕度和調光控制。系統結構組成如圖1所示。

2.1 協調節點和監測節點設計

協調節點以CC2530芯片為核心進行模塊化設計，具有環境信息實時匯聚、調光量計算、無線通信以及調光命令發送等功能。能在不同模式下運行，可分為CPU及相關存儲器模塊、時鐘和外設及能耗管理模塊、無線通信模塊3部分。

監測節點主要包括電源模塊、時鐘模塊、光監測模塊(主要是光量子傳感器)、溫濕度(包括土壤濕度)監測模塊。實現環境參數的采集、處理和發送。溫濕度監測模塊采用傳感器DHT11，溫度測量范圍0～50 ℃，精度±1 ℃；濕度測量范圍20%～90%，精度±5%。

2.2 調控節點設計

調控節點利用CC2530接收協調節點發出的控制信號，轉化為2路PWM信號后通過功率驅動芯片調控通過LED電流，實現光質調節。采集的環境溫濕度信息以及土壤含水率，并與系統初始設定值進行差值比較，經過動態調控決策算法控制執行機構輸出功率，控制加熱棒、風機或穴盤滴灌裝置等，實現溫室環境控制功能。調控節點包括電源模塊、CC2530處理模塊、功率驅動芯片、LED光源、加熱棒、風機及穴盤滴灌裝置，其結構原理圖如圖2所示。

3 動態調控決策

植物的生長發育對所需要的環境有一個較寬的范圍，只要將環境參數控制在一定的范圍內即可滿足植物的生長需要。在動態調控決策下，調控節點可以接受協調節點的命令，通過算法處理下的數字信號，輸出寬度可調的PWM方波，改變執行機構的輸出功率，完成溫室內部加熱、除濕、通風降溫及LED光質調節等功能，達到控制溫室內環境參數的目的，實現智能調控育苗環境。

3.1 動態調控決策原理

動態調控決策方法的原理是根據用戶預先設定的初始目標值，動態采集4類環境參數實時信息，利用反饋信息計算當前值與目標值的偏差，通過動態調控決策算法控制調控量的輸出，實現以初始設定值為目標的動態調控功能。控制邏輯如圖3所示。

3.2 調控量的確定

由溫濕度傳感器及光量子傳感器等現代檢測設備，檢測當前育苗溫室內實時環境參數，判斷是否在初始設定值范圍內，如果實時環境參數大于設定目標值，則啟動執行機構降低相關參數或停止調控，反之，根據調控量公式(1)[34]確定補給量。如果系統處于調控狀態下，可以根據公式差額計算下一時刻調控量。

Amountneed=Amountset-Amountreal。

(1)

式中：Amountneed為需要補給量；Amountset為初始設定的目標值；Amountreal為實時監測的環境參數值。

根據公式(1)計算得到的偏差量作為調控量，在動態調控決策下調節執行機構，動態實時調整滿足植株生理需求，實現精確調控。

3.3 動態調控決策算法

本研究動態調控決策算法采用無模型自適應控制算法MFAC，MFAC作為一種數據驅動控制算法，只需用到控制系統輸入、輸出數據，具有在線調整參數少、成本低廉、設計簡單、易于實現、擾動下調整速度快及超調小等優點。其主要思想是利用新引入的偽偏導數和偽階數，在被控系統軌線附近用動態線性時變模型來代替一般非線性系統，利用被控系統的輸入輸出數據在線估計系統的偽梯度向量，從而實現非線性系統的自適應控制[7]。分為緊格式動態線性調整和全格式動態線性調整，全格式線性化控制器各方面性能較優，但設計復雜，計算量大。這里采用緊格式動態線性化控制器，輸入控制準則函數為：

J[u(k)]=[|y*(k+1)-y(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2]。

(2)

式中：λ為權重系數；y*(k+1)為期望輸出。

為解決參數估計值變化問題應用極小化方法得到偽偏導數估計算法：

(3)

式中：μ是權重因子，ηk為步長因子。

由此可以得到緊格式動態線性化無模型自適應控制算法如下：

(4)

3.4 動態調控決策下的LED自適應調光系統

LED具有譜線窄、響應速度快和體積小的優點，且在工作電壓范圍內發光亮度與正向電流近似成正比，控制部分利用這一點設計了LED自適應調光系統(圖4)，使電壓基本固定，通過電流調節實現LED不同配色。系統所用LED發光模塊各單元均包括1只紅色LED、1只綠色LED、1只藍色LED，通過對發光單元的排布實現配色調整[35]。

同時，根據PWM調光技術，脈沖寬度調制最重要的就是導通與關斷時間的控制[36]。系統由脈寬調制控制電路對模塊產生的信號進行邏輯運算處理，由RS觸發器來完成PWM脈沖寬度調制信號的產生。關斷時間控制模塊在檢測到谷底信號時，將輸出相應的信號到R端，從而控制功率管的打開；S端輸入為功率管導通時間控制模塊與過溫、過壓和過流模塊的共同作用結果，控制功率管的關斷。通過鏡像電流的變化改變電容充電速度，輸入基準電壓VREF1、VREF2及誤差放大器VEA-OUT的電壓的變化改變充電電壓值，實現對電容充放電時間的改變，完成對開關管導通關斷時間的控制。

4 結果與分析

本研究基于動態調控決策，對辣椒人工育苗環境進行育苗環境智能調控。通過LED配色調整，采用紅 ∶藍=3 ∶1配比混合光源對辣椒幼苗進行照射，來進行辣椒幼苗的生長特性分析，得到不同光照度和不同光照時間下辣椒幼苗生長的各項指標，分析結果如下。

4.1 不同光照度下辣椒幼苗生長特性分析

通過改變光照度，使光照度分別達100、160、220、280 μmol/(m2·s)。每天的光照時間為08：00—22：00，持續光照14 h，對辣椒株高、株徑、葉綠素含量和葉面積進行測量繪制表格，并進行方差分析，分析結果繪制成曲線圖(圖5)。隨著光照度的增加，辣椒幼苗經歷著長勢由劣到優的變化。光照度較低，作物的生長發育較緩，不利于作物的增產增收；光照度較高，有利于達到壯苗的作用，但是較前光度值沒有顯著的差異。因此，從經濟以及作物的增產增收考慮，可以將光源的光照度設置在160～220 μmol/(m2·s)之間。

4.2 不同光照時間下辣椒幼苗生長特性分析

根據固定光照度下混合LED光及不同光照度對辣椒長勢影響分析結果，將光照度設置為160 μmol/(m2·s)，溫度控制在白天27 ℃、夜晚17 ℃，光照時間分別設置成每天照射12、16、20、24 h。每天12 h的光照時間設置為08：00—20：00，每天光照16 h的時間設置為08：00—24：00，每天光照20 h時間設置為08：00到次日04：00，每天光照24 h為全天候不斷電。辣椒幼苗各項生長特性如圖6所示。隨著每天光照時間的增加，辣椒苗的株高、株徑、葉面積、葉綠素都有不同程度的增加。每天光照20 h處理下的辣椒苗較之于每天光照12 h和16 h的辣椒苗在株高、株徑、葉面積、葉綠素含量方面都有較大的提升，但相比于每天光照24 h處理下的辣椒苗并無顯著變化。因此，從經濟方面以及減少辣椒育苗周期上來看，可以選擇每天光照20 h。

5 結論

本研究提出一種動態調控決策下的辣椒人工育苗系統，實現了辣椒育苗環境按需、實時的精準調控，滿足植株不同生長階段的生理需求，滿足精準化調控要求，并實現調光系統下辣椒的育苗特性研究。試驗表明，隨著光照度和時間的增加，對辣椒幼苗的整體長勢有促進作用，但從經濟節能、作物增長及縮短辣椒育苗周期來看，光照度設置在160～220 μmol/(m2·s) 之間，每天光照時間為20 h最佳。

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