基于植物專家系統(tǒng)的智能LED光照控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范　瑋，程予任，孟昭閣，劉　濟(jì)

(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201424)

0　引言

光照是植物生長(zhǎng)至關(guān)重要的條件。光環(huán)境不僅影響植物的光合速率，還參與調(diào)節(jié)植物每個(gè)生長(zhǎng)階段的生理過(guò)程。因此，光照控制系統(tǒng)的創(chuàng)新尤為重要。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的植物工廠普遍通過(guò)遮蓋或開(kāi)關(guān)光源來(lái)調(diào)控光環(huán)境。這些方法不僅無(wú)法調(diào)控各波長(zhǎng)光的發(fā)光強(qiáng)度和比例，還存在部分光譜被浪費(fèi)、光譜匹配不理想、光能利用率低等缺點(diǎn)。此外，工廠大多使用的是高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源，屬于熱光源。其大量產(chǎn)熱使環(huán)境溫度升高，降低了實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。LED光源波長(zhǎng)范圍窄、光譜可調(diào)性好，可以組合出更適宜植物生長(zhǎng)吸收的波長(zhǎng)。同時(shí)，冷光源LED體積小，可以實(shí)時(shí)使用不同波長(zhǎng)組合的光，分別對(duì)不同位置進(jìn)行多種方式的照射，如點(diǎn)照射、面照射、大面積補(bǔ)光等，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有顯著的促進(jìn)作用。

目前，僅少數(shù)國(guó)家研發(fā)成功先進(jìn)的光照控制系統(tǒng)，例如基于嵌入式CPU改變輸出脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)占空比來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)光燈的亮度、采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等[1]。日本第一座自動(dòng)控制植物工廠于1974年問(wèn)世，至1998年其已有該類型的植物工廠近40個(gè)。美國(guó)以垂直農(nóng)業(yè)模式和LED創(chuàng)新應(yīng)用推動(dòng)該技術(shù)[2]。歐洲則主要由飛利浦、PlantLab等大公司以及Greenhouse Horticulture Team科研所等合作開(kāi)展LED立體栽培和溫室補(bǔ)光的示范試驗(yàn)。

如何有效進(jìn)行光環(huán)境調(diào)控的問(wèn)題引起了許多學(xué)者和企業(yè)家的高度重視，已成為研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有研究大多集中于溫濕度環(huán)境參數(shù)調(diào)控和周期補(bǔ)光[3]，如：集裝箱植物工廠自動(dòng)控制系統(tǒng)采用順序控制進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)和LED定周期補(bǔ)光[4]；基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能生態(tài)保障系統(tǒng)可以調(diào)控植物生長(zhǎng)的水環(huán)境[5]；植物園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以智能控制園內(nèi)照明[6]。當(dāng)前，該領(lǐng)域大部分光環(huán)境調(diào)控研發(fā)方案和產(chǎn)品仍采用定光強(qiáng)、定光波長(zhǎng)比的光照方式[7]，很容易造成光照不足和光照過(guò)度的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能LED光照自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)基本還是空白。

1　植物光照控制專家知識(shí)

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的主要環(huán)境因素，其主要通過(guò)3個(gè)參數(shù)影響植物生長(zhǎng)，即光質(zhì)、光照度和光周期[8]。

1.1　光質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

光質(zhì)即光的波長(zhǎng)，它既能作為一種能源控制光合作用，又能作為一種觸發(fā)信號(hào)影響植物的生長(zhǎng)。葉綠素是影響植物光合作用的重要色素，植物的葉綠素a、b在紅橙光和藍(lán)紫光波段有兩個(gè)吸收峰。

不同波長(zhǎng)的光對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、種子萌芽、開(kāi)花結(jié)果及形態(tài)建成等方面的影響各不相同。光譜范圍對(duì)植物生長(zhǎng)的影響如表1所示[9]。

表1　光譜范圍對(duì)植物生長(zhǎng)的影響Tab.1　The effects of spectral range on plant growth

自然光輻射的光譜不能被植物全部吸收。植物主要吸收波長(zhǎng)為595～700 nm的紅橙光和370～435 nm的藍(lán)紫光[10]。研究表明，紅橙光對(duì)葉綠素的形成及碳水化合物的合成起重要作用；藍(lán)紫光則對(duì)蛋白質(zhì)合成有重要作用，且紫外線有利于維生素C的合成。合適的紅光與藍(lán)光的光通量之比(即R/B)是確保培育出形態(tài)健全植株的必要條件。

根據(jù)不同植物的生長(zhǎng)特性及其生長(zhǎng)發(fā)育的需求，可以選擇不同的B/R。2007年，魏靈玲等進(jìn)行了黃瓜育苗試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在B/R為7∶1時(shí)，黃瓜苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)最優(yōu)[11]。2015年，楊維杰等進(jìn)行了鐵皮石斛培育試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在紅藍(lán)比為1∶1時(shí)，可以有效縮短鐵皮石斛播種階段的生長(zhǎng)時(shí)間；而在紅藍(lán)比為4∶1時(shí)，鐵皮石斛多糖含量較高，可以有效提升鐵皮石斛的品質(zhì)[12]。

紅藍(lán)光質(zhì)比的選擇要依據(jù)具體植物所需的生長(zhǎng)條件，如生菜要選擇刺激提高莖葉質(zhì)量及產(chǎn)量的補(bǔ)光方案，可以適當(dāng)增加藍(lán)光比例；西紅柿要選擇刺激其開(kāi)花結(jié)果的補(bǔ)光方案，可以適當(dāng)增加紅光比例。植物生長(zhǎng)發(fā)育中對(duì)不同波長(zhǎng)光配比的需求可以由不同顏色的LED組合滿足。

1.2　光照度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

光照度對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響程度，因植物的種類特性而各不相同。植物可根據(jù)光照度影響效果分為陽(yáng)生植物、陰生植物及中生植物。植物的光響應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1　植物光響應(yīng)曲線Fig.1　Light response curve of plant

由圖1可知，光合速率隨著光照度的增大將不斷上升，直至光飽和點(diǎn)。A點(diǎn)為光補(bǔ)償點(diǎn)，表示當(dāng)植物光合速率隨光照度的下降而降低時(shí)，植物光合作用制造和呼吸作用吸收的有機(jī)物達(dá)到平衡狀態(tài)的光照度。B點(diǎn)為光飽和點(diǎn)，表示光合速率不再隨光照度上升而提高時(shí)的光照度。通常，陽(yáng)生植物的光補(bǔ)償點(diǎn)較高，陰生植物光補(bǔ)償點(diǎn)較低。光照度會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、結(jié)構(gòu)特征、花芽分化以及果實(shí)產(chǎn)量。不同植物對(duì)光照度的需求不同，只有選擇合適的光照度，才能促進(jìn)植物良好生長(zhǎng)。

1.3　光周期對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

植物對(duì)光照時(shí)間的需求各不相同，可以分為短日照、長(zhǎng)日照和中日照這3類。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，光周期對(duì)長(zhǎng)日照植物影響顯著。若光照時(shí)間不足，植株花芽的形成會(huì)受到抑制；而長(zhǎng)日照條件，則能使植株持續(xù)健康生長(zhǎng)。不同植物對(duì)光照時(shí)間的不同需求可以通過(guò)LED光照控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2　控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)大部分研發(fā)方案和產(chǎn)品未考慮到一個(gè)重要因素，即不同植物在不同生長(zhǎng)階段的需光量及光輻射波長(zhǎng)存在差異。因此，這些研發(fā)方案和產(chǎn)品沒(méi)有真正意義上解決核心問(wèn)題，即采用自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低能耗、精準(zhǔn)化的補(bǔ)光問(wèn)題。故本文設(shè)計(jì)的光照控制系統(tǒng)引入植物專家系統(tǒng)，根據(jù)植物專家已有的研究結(jié)果，獲取不同階段的最適光照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)調(diào)節(jié)LED光源的三色光波長(zhǎng)配比、光照度和光照周期，實(shí)現(xiàn)植物的最適光環(huán)境調(diào)控，從而保證植物一直處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)節(jié)精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，便于用戶操作。當(dāng)栽培植物的品種發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)人機(jī)界面或控制器按鍵靈活地改變系統(tǒng)參數(shù)，將植物生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)到最適光環(huán)境，減少了控制設(shè)備變更的投入，節(jié)省時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2　The overall structure of control system

控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主控制器單片機(jī)、人機(jī)交互模塊、檢測(cè)模塊、異步串行通信模塊、報(bào)警模塊、LED發(fā)光模塊以及電源模塊。其中，檢測(cè)模塊包括光照度測(cè)量電路和溫濕度測(cè)量電路。異步串行通信模塊包括RS-232/485通信光電隔離模塊、MAX232串口通信模塊以及在線編程程序下載電路。LED發(fā)光模塊包括光耦合PWM輸出隔離電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路以及LED發(fā)光模塊。控制系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)系統(tǒng)軟件和上位機(jī)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)具備上位機(jī)、主控制器聯(lián)機(jī)控制和下位機(jī)自動(dòng)控制這2種控制模式。此外，僅LED光源通過(guò)PWM控制的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，其他設(shè)備均通過(guò)電磁繼電器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制。

2.1　人機(jī)交互模塊

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)基于植物專家系統(tǒng)的光照度和各色光波長(zhǎng)配比的設(shè)置，并顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用鍵盤輔助設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

植物專家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取這4個(gè)部分構(gòu)成。首先，將植物專家試驗(yàn)分析得到的、關(guān)于植物生長(zhǎng)最適光照度的知識(shí)存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)。然后，推理機(jī)針對(duì)當(dāng)前不同植株的不同生長(zhǎng)時(shí)期，利用系統(tǒng)已有的專業(yè)知識(shí)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，并采用逆向推理反復(fù)匹配知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，得到光照的最適值。推理過(guò)程中所需的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)論，暫時(shí)存儲(chǔ)于綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，通過(guò)知識(shí)獲取擴(kuò)充、修改知識(shí)庫(kù)中的內(nèi)容。

2.2　檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)紅、藍(lán)和紅外光的光照度及環(huán)境溫濕度，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理后將其傳入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、光照數(shù)據(jù)的采集。

光照度檢測(cè)要求光照度傳感器瞬時(shí)檢測(cè)3種光單色的光照度，可采用兩種檢測(cè)方案：①在普通光照傳感器基礎(chǔ)上加濾鏡，分別用3個(gè)傳感器檢測(cè)3種光的光照度，共同組成系統(tǒng)所需光傳感器；②采用1個(gè)傳感器，通過(guò)單片機(jī)控制不同LED的關(guān)閉，檢測(cè)當(dāng)前單色光光照度。此外，植物生長(zhǎng)光照模塊包含了可見(jiàn)光和紅外波段光的測(cè)量模塊。在紅外頻段測(cè)量時(shí)，要求檢測(cè)紅外波長(zhǎng)的傳感器能夠檢測(cè)450～700 nm波段的光譜，從而保證檢測(cè)模塊測(cè)量值的準(zhǔn)確性。溫濕度檢測(cè)采用可以同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度的數(shù)字傳感器，要求可檢測(cè)溫度范圍為0～50 ℃(精確度為±1 ℃)、濕度范圍為20%～90%(精確度為±4%)。為了避免數(shù)據(jù)傳送時(shí)出現(xiàn)沖突，在數(shù)據(jù)輸出端接上拉電阻。

2.3　報(bào)警模塊

報(bào)警模塊包括聲音報(bào)警和LED燈光報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫度、濕度等參數(shù)超過(guò)警戒值或發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED燈光報(bào)警和聲音報(bào)警，提醒操作者進(jìn)行相關(guān)處理，直到系統(tǒng)復(fù)位鍵被按下，停止報(bào)警。在打開(kāi)LED 紫外線燈進(jìn)行滅菌操作時(shí)，聲光報(bào)警提醒人員離開(kāi)。

2.4　LED發(fā)光模塊

LED發(fā)光模塊采用三路恒流驅(qū)動(dòng)電路。該模塊利用PWM控制技術(shù)，分別控制紅、藍(lán)、紅外三色LED光源的發(fā)光亮度，得到與植物專家系統(tǒng)匹配的、最適宜植物生長(zhǎng)的3種光的單色光照度，以及最適配比的光環(huán)境。

本光照控制系統(tǒng)的軟件包括單片機(jī)系統(tǒng)軟件和上位機(jī)系統(tǒng)軟件。單片機(jī)軟件采用循環(huán)掃描的方法讀取各光照和溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算。在聯(lián)機(jī)模式下，單片機(jī)與上位機(jī)之間通過(guò)串口中斷程序?qū)崿F(xiàn)通信，單片機(jī)打包傳感器數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，并接收上位機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)，輸出給光照驅(qū)動(dòng)模塊和溫濕度控制設(shè)備。在單機(jī)模式下，單片機(jī)根據(jù)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)和內(nèi)置設(shè)定值的偏差，進(jìn)行控制運(yùn)算，并自動(dòng)向各控制設(shè)備輸出控制信號(hào)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)植物專家系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理、人機(jī)交互操作、串口通信和全系統(tǒng)控制等功能。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理功能是將環(huán)境參數(shù)以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、曲線、表格等各種方式實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)，而且可自動(dòng)超限報(bào)警。

3　光環(huán)境和溫濕度控制方案

3.1　光環(huán)境控制方案

光環(huán)境控制方案采用閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是植物專家系統(tǒng)所得控制信號(hào)的正向通路，另一部分是光照傳感器所得檢測(cè)信號(hào)的反饋通路。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種光單色光照度及配比的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。以紅光光照度控制為例，光照度控制方案如圖3所示。藍(lán)光及遠(yuǎn)紅外光的控制方案類同。

圖3　光照度控制方案Fig.3　Control scheme of illumination

在主控制器自動(dòng)控制模式下，植物專家系統(tǒng)需預(yù)先設(shè)定該時(shí)期植物生長(zhǎng)最適合的3種光的單色光光照度值以及比例。單色光傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)紅、藍(lán)和紅外光的單色光光照度，由單片機(jī)采集到光照度的數(shù)字信號(hào)后，將當(dāng)前的采樣值通過(guò)串行通信傳送給上位機(jī)。當(dāng)光照度高于或低于其設(shè)定值時(shí)，根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值偏差，計(jì)算出控制量并下傳到單片機(jī)，由單片機(jī)分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM控制信號(hào)，計(jì)算對(duì)應(yīng)PWM控制信號(hào)的占空比；通過(guò)三路LED控制電路，調(diào)整LED發(fā)光模塊中各單色光輸出的光照度及三色光比例。該方案可根據(jù)植物的需求，調(diào)節(jié)光波長(zhǎng)配比，滿足單位面積上光合作用所需的照度值。

3.2　溫濕度控制方案

單片機(jī)通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)控制要求打開(kāi)或關(guān)閉加熱源。若溫度過(guò)高，還要考慮開(kāi)啟冷風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制，使植物溫室保持在最適宜的溫度。溫度控制方案如圖4所示。濕度控制方案與溫度控制方案相似，但執(zhí)行器為電加濕器與除濕機(jī)。

圖4　溫度控制方案Fig.4　Control scheme of temperature

4　結(jié)束語(yǔ)

光環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)有重要的影響。由于目前國(guó)內(nèi)的光環(huán)境控制系統(tǒng)較為落后，所以在LED飛速發(fā)展的背景下研究光環(huán)境控制系統(tǒng)有著重要的意義。本文設(shè)計(jì)的、基于植物專家系統(tǒng)的智能LED光照控制系統(tǒng)，選擇紅、藍(lán)和紅外光三色LED組成發(fā)光模塊控制植物的光照環(huán)境；基于單片機(jī)，運(yùn)用植物專家系統(tǒng)實(shí)時(shí)設(shè)定最適宜的各色光照度配比，采用閉環(huán)自動(dòng)控制的方法，可實(shí)現(xiàn)光環(huán)境的低能耗、高精準(zhǔn)自動(dòng)調(diào)節(jié)以及環(huán)境溫濕度的自動(dòng)控制，從而達(dá)到在惡劣條件下自動(dòng)控制植株形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育的目的，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好。

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