無線補光果蔬大棚的設計與實現

計聯岳鄭敏華

作者信息：1余姚市陸埠鎮農業農村辦公室,315420,浙江余姚;2浙江萬里學院，315100，浙江寧波

1 前言

隨著社會的發展和人們對新鮮蔬菜瓜果的需求量越來越大，果蔬生產者對果蔬大棚的產出要求也越來越高。現在電光源技術不斷發展和革新，各種人造光源越來越多地被用于植物的種植和栽培領域，它的應用具有生產周期短、適于棚室栽培及經濟效益高等特點，在世界小漿果生產中居于首位。受市場需求的推動，生產主栽果蔬農產品品種普遍采用棚室。但由于受溫室結構、卷放簾時間、棚膜上的塵土露水等的影響，溫室內一般光照不足，冬春季節因受陰、雨、雪、霧等天氣的影響，設施內部光照不足和光質組成不平衡現象尤為嚴重。與日美等先進國家相比，單位面積產量比較低、畸形果發生率較高、病蟲害嚴重、生產管理技術相對落后等問題日益突出。為此急需補光設備給溫室補光，利用科學的果蔬補光方法，提高農產品產量及品質，達到增產、優質、高效、抗病和無公害的目的。通過補光可以促進農作物光合作用，調節農作物的開花與結果，控制株高和營養成分，加速農作物生長，提高免疫和抗病害能力，延長有效產收期，從而提高果蔬的品質與產量。結合不同地區的生態條件，將不同的人造光源應用于植物生長照明，主要有如下優勢：①可以提供植物生長所有階段所需要的光照；②在冬季，可以彌補太陽光照的不足，而使植物生長不受季節的影響；③促進植物光合作用，加速植物生長，進而縮短生長周期。

如何科學地給棚室蔬菜、瓜果補光成了各國科技工作者的熱點研究問題，各種人造光源補光已成為國內外棚室栽培的重要技術措施。一種全天候的應用補光技術的果蔬大棚，采用集中式無線遠距離控制方式，能實現多種控制功能，使大棚果蔬達到優質、高產、豐收的目的，具有良好的社會效益和經濟效益。

2 大棚的基本結構

果蔬大棚建設已經火了很多年，農民收入也越來越高，建大棚的熱情也越來越高。補光果蔬大棚的結構設計應以國家頒布的相關通用標準 （如GB 50009-2001）為依據,同時作為農用大棚，其設計也要注意遵循農業部的部頒標準規范，如JB/T 10286-2001(日光溫室結構標準)，在標準的指導下才能建成符合標準的果蔬大棚。為了節省成本，補光果蔬大棚可以在現有大棚的基礎上應用補光技術改進而成。為了達到照度要求，標準大棚補光燈具采用雙排安裝，每盞燈具間距5 m，相鄰燈具采用間隔交叉排列，橫向間距和離地高度根據燈的功率確定，但要保證作物受光強度達到一定要求，如圖1所示。

圖1 大棚結構及補光燈安裝

3 補光光譜的特點和選型

電光源種類繁多，如何挑選適合果蔬大棚的光源顯得十分重要。如圖2所示為人眼和植物對各種光譜成分的敏感程度：人眼的峰值敏感波長約為550 nm，即黃綠光區域；而植物對紅光和藍光更敏感，其峰值波長在630 nm附近。這說明紅光可以為植物生長提供最有效的營養素，藍光次之，而黃綠光則基本沒有貢獻。在植物生長期內，在光照射下，植物體內進行光合作用的葉綠素吸收大部分紅光和藍光，而反射大部分黃綠色區域的光，所以多數植物呈現出綠色的顏色。

圖2 植物和人眼對光的敏感程度與波長的關系

為了促進植物的生長，必須使農作物能均衡地吸收到足夠的紅光和藍光，保證光合作用的效率。而不同植物所需的紅藍光比例及光照周期存在一定差異，不同地區不同植物對光色的需求又有不同。目前國內的鈉燈是針對人眼敏感波長設計制造的，常適用于對顯色性要求不高的場合，如道路、停車場照明。因此，果蔬大棚補光需重新選用專門針對農作物特點的具有足夠的紅光和藍光、保證光合作用的高效率燈具，本次實驗燈具選用了寧波亞茂光電有限公司專門設計的75 W植物鈉燈和LED燈。

4 無線控制系統

4.1 遠距離無線控制技術

現在無線控制的距離是個難點 ，做到高可靠性則更難，常見低頻效率較低，2.4 GHz高頻則直線傳輸，受障礙物影響十分明顯。綜合考慮，本系統采用433 MHz頻段進行控制，結合軟硬件糾錯措施，達到需要的性能指標。整個無線控制系統由主機和從機組成，其電路構成分別如圖3、4所示。為了達到遠距離、高可靠控制，優先選用低功耗無線收發模塊完成信號的發射和接收。通信方式采用全雙工方式，工作頻率433 MHz，發射功率小于100 mW。

圖3 主機電路方框圖

圖4 從機電路方框圖

無線發射模塊接口電路、CPU和模塊的通信方式采用 SPI接口，CPU端口通過控制 CTRL1和CTRL2來選擇發送或者接收，然后通過SPI總線讀寫接收到的數據和需要發送的數據。

4.2 抗干擾設計

為了使系統可靠工作，采取以下措施：每個分機有獨有的識別碼，防止干擾，如圖5所示；安裝時采用架高接收系統方式防止大棚對系統的干擾；采用低功耗遠距離收發無線模塊；采用糾錯方式防止掉包。

主機和從機通過433 MHz來實現通信，具體所使用的抗干擾通信方式的發送接收數據包格式如圖6所示，xor是用于校驗一幀數據是否正確。

圖6 發送接收數據包格式

5 總結

經過近兩年的實驗，利用科學的果蔬補光方法，可以極大提高農產品產量及品質，達到增產、優質、高效、抗病和無公害的目的。通過補光可以促進農作物光合作用，調節農作物的開花與結果，控制株高和營養成分，加速農作物生長，提高免疫和抗病害能力，延長有效產收期，從而提高果蔬的品質與產量。

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