溫室大棚LED智能補光自適應控制系統

李 明， 劉 娟， 凌廣明

(1.河南職業技術學院電氣工程系，河南鄭州 450046； 2.河南職業技術學院信息工程系，河南鄭州 450046；3.武漢大學計算機學院，湖北武漢 430072)

我國北方冬季受日照時間短、霧霾和陰雪天氣等影響，容易使溫室內的作物長期處于弱光環境，從而影響正常的光合作用，主要表現為作物生長速度緩慢、植株同化作用下降、減產甚至死亡，這時候有必要對其進行人工補光。適宜作物生長的光照條件主要受光質、強度和照射時長等因素影響[1-2]。牛萍娟等研究結果，作物進行光合作用所需要的光譜范圍是380～760 nm，并主要集中在紅光與藍光兩部分，其中，紅光的波長范圍為600～700 nm，而藍光的波長為400～500 nm[3]。不同光質的光對作物生長起到不同的作用，其中，藍光可以促進葉的生長，也會促進淀粉、糖類和氨基酸的合成，而紅光則催化莖的生長，并使在光合作用中產生的淀粉、糖類和氨基酸在其體內保持均勻分布。光照不足會引起作物生長緩慢或者停滯，但過量的光照也會適得其反，容易產生病蟲害，使植株變黃和變矮。目前，溫室補光主要通過熒光燈和高壓鈉燈的方式，但由于其光譜范圍較窄，與作物需要的光質有偏差，效果并不是特別理想[4]。也有采用白熾燈和日光燈的方式補光的，雖然能起到一定的作用，但效能很低，需要消耗大量的電能，投入成本較大。

近年來，隨著LED技術的不斷發展和成本的降低，也逐漸被人們應用在溫室作物補光中[5]。現階段市場上大部分LED補光產品大多采用定光質、定光強和定時的方式，雖然成本較低，但這種產品不能滿足按需補光的要求，補光過多不僅耗費電能，還不利于作物的生長，補光少則容易引起弱光脅迫[6]。同時，考慮到不同作物對光照條件的需求有所差異，甚至在同種作物不同生長階段的差異性，為了實現對作物的自適應精準智能補光，本研究利用無線通信、傳感器、自動控制和太陽能等技術設計了溫室光照智能控制系統，利用LED不同的發光光譜特性，結合溫室內的溫度和光照的變化情況，實現了溫室內光照強度的自適應調整。

1 補光策略與總體設計

1.1 補光策略與分區管理

溫度影響著光合作用酶的活性，所以作物在進行正常的光合作用時，不僅需要適宜的光照，還需要適宜的溫度。一般當溫度低于10 ℃或者高于35 ℃時，光合作用基本停止，所以在進行補光策略時，還需要考慮溫度的因素，才能起到最佳的效果[7]。在夜間由于光照消失，溫度降低，作物主要進行呼吸作用，如沒有專業的且經濟的增溫設備，不宜在夜間進行補光，常用的方法是在早晚進行延時補光，即當早晨溫度達到光合作用的要求時，且陽光不充足的情況下，或者夜幕降臨時，但溫室內的余溫還能滿足進行光合作用的要求。另外，還要控制作物吸收光強的因素，需要將溫室大棚內作物處的光照強度(自然光照和補光的疊加)保持在合適的范圍。當遇到陰雨天氣時，需要全天補光；當中午光照過強時，要完全停止補光。

結合上述的分析情況，設計了溫室光照智能控制系統，考慮到溫室大棚的結構、朝向和遮擋等問題，將溫室大棚采取分區管理模式，根據每個區域的環境情況，進行不同的補光策略，使補光措施更加精準。為了補光的效果更均勻，本方案采用了冠層補光方式，并控制LED與作物的高度H保持在 50～70 cm 的范圍，分區的跨度為L，一般范圍在4～6 m，使補光更加充分。溫室大棚分區補光見圖1。

1.2 系統總體設計

考慮到系統的使用范圍，設計的溫室大棚光照智能控制系統，可借助農業專家系統配置不同的參數，來適應于不同作物不同階段的補光要求。系統采用分級架構設計， 主要由補光區控制節點、數據集中管理服務器、農戶智能手機及傳輸網絡組成。系統總體結構見圖2。

數據處理服務器是整個系統的核心，記錄著當前溫室內作物的生長和設備的運行狀態，其中的農業專家庫里保存了多種作物在不同生長周期中最佳的光質和光強[ql，qh]等信息。補光區節點利用傳感器采集本區域內的溫度t0和光照強度q0信息，通過無線網絡將這些數據及節點設備的運行狀態發送給數據處理服務器，并根據當前作物的生長期，返回最佳的光照強度信息。同時，判斷溫度是否處在作物能夠進行光合作用的范圍[tl，th]，如果qlqh或者t0th時，此時調整PWM的占空比為0，停止進行補光。同時，數據處理服務器給互聯網提供了可訪問的端口，農戶通過智能手機登陸進入系統，查看棚內光照強度、溫度和補光設備的運行狀態信息。當棚內溫度過高過低或者光照過強，也會自動向農戶手機推送信息，便于農戶及時處理。

2 補光區控制節點硬件結構

補光區控制節點采用嵌入式處理器LPC2129作為核心，通過光感傳感器ISL29020采集作物冠層的紅/藍光強，并根據溫度傳感器DS18B20獲取周圍溫度，利用PWM對LED驅動芯片PT4115進行控制，從而使不同配比的紅/藍LED燈組發光，使棚內的作物在適宜的溫度條件和光照條件下進行光合作用。同時，節點的設備運行狀態和電量等信息，會通過無線通信模塊發送到數據管理服務器。硬件結構見圖3。當前農業生產也在追求綠色經濟，為此本方案對整個補光系統采用了太陽能供電。太陽能電池板在白天吸收光能，并存儲在蓄電池中，再通過電源管理單元進行處理輸出不同穩定的電壓源，這樣不僅節約了大量的電能，還減少了對環境的污染。

2.1 光強檢測

光強傳感器ISL29020是Intersil推出的高精度、高靈敏度、低功耗的光數字傳感器，高集成度的設計降低了模擬調理電路的設計周期，可實現較寬的測量范圍0.015～64 000 lx，且最大工作電流僅為65 mA，通過I2C接口與控制器進行通信[8]。由于ISL29020檢測光強是外界自然光全波段的，為了能夠獨立測量紅光和藍光的光強，需要進行特殊的處理。針對紅光檢測，首先使外界的光線依次透射過波長大于600 nm和小于700 nm的濾光片，同樣，對于藍光檢測，則使外界的光線依次透射過波長大于400 nm和小于500 nm的濾光片，然后再分別照射到光強傳感器ISL29020上，控制器通過I2C直接讀取傳感器上的光強數值，由于選取的是透光率為90%的濾光片，計算外界紅/藍光強時需要進行修正，即除以0.9。

2.2 光照調節及控制

LED具有光譜特性明顯、電光轉化效率高、易調光、工作電壓低、發光均勻穩定和壽命長等優點，其發光波長主要取決于制造發光二極管所用的半導體材料。本方案中紅藍光源均選取Philips生產的LuxeonRebel高亮LED，其額定功率為 3 W，額定電流700 mA，發光效率30 lm/W，且光照強度跟通過電流具有良好的線性關系。為了便于獨立調節紅藍光強，采用了分組設計，再將每組LED組成陣列，每組包括10只串聯的紅/藍光LED，并通過芯片PT4115進行單獨驅動。PT4115屬于降壓恒流源芯片，電壓的工作范圍是6～30 V，可輸出1.2 A的穩定電流[9]，并通過DIM接口調節輸出電流的大小，即光強的大小。借助嵌入式控制器LPC2129的PWM接口，可編程輸出給DIM接口不同占空比的信號，從而實現對光強的調節[10]。初始狀態通過調節外接電阻來完成，當占空比為100%時，保證輸出給LED的額定工作電流為700 mA。

3 數據集中管理服務器

數據集中管理服務器是連接溫室大棚內補光區節點與農戶之間的橋梁，主要由ZigBee通信板卡配置、溫室分區管理規劃、補光策略、農業專家系統、數據庫SQL2012、訪問權限管理及太陽能電量管理模塊等組成[11]。數據集中管理服務器結構見圖4。

數據集中管理服務器上安裝了ZigBee通信的PCI板卡，可實現與各補光分區節點的通信。農業專家系統中記錄著不同作物在不同階段對溫度、濕度、光照和礦物質等的需求信息，通過收集各補光區的光照和溫度等信息，結合農業專家系統和補光策略來實時控制分區節點紅/藍光的光照強度，即便是遇到多日的陰天，沒有太陽光照射，也不會影響棚內作物的正常生長。太陽能電池板是該系統的重要組成部分，在白天光照強的時候儲存電能，在需要用電時為溫室內所有的補光設備提供了電能，其工作狀態和電量等信息被存儲在數據庫SQL2012中，在不消耗額外電能的情況下實現了溫室補光，既能做到綠色無污染生態，還能做到優質高產、增產增收的效果。同時，數據集中管理服務器具有規定的IP地址，為互聯網提供了訪問接口，每個農戶對自己所管理的溫室大棚都有相應的管理權限，可以通過智能手機隨時隨地遠程登錄該平臺，查看溫室內的光照、溫度和設備的運行狀態等信息[12-13]。

4 結果與分析

番茄屬于喜光喜溫作物，適宜在10～35 ℃的環境中生長發育，對環境要求嚴格[14-16]。光照對番茄在不同階段的生長至關重要，直接影響著其花芽分化、著花位置、坐果數量、果實大小和品質等，每天能保證16 h的光照為最佳。在我國北方冬季日照普遍較短，有必要增加補光設備，本試驗通過采取不同的補光方式進行對比來說明本方法的有效性，并從番茄產量和補光設施的耗能兩個方面進行了比較。

4.1 不同補光方式產量比較

為了保證試驗的嚴謹，需要保證其他生長條件均一致，故在同一個溫室大棚里選擇了3塊面積相等的分區，番茄植株數量和密度相等，定植2.5株/m2，分區大小5 m×4 m，共計50株。施肥和澆水等同時同量進行，不同的是光照方式。3種光照方式分別為白熾燈、固定光強LED、本研究的智能LED補光。鄔奇等對LED光源進行了深入研究，紅/藍組合光強比在2 ∶1，紅光閾值預設為2 000 lx，藍光閾值預設為 1 000 lx，最有利于番茄幼苗的生長發育[17]。在果實采收期記錄成熟果實的產量情況，試驗結果見表1。

表1 不同光照方式下番茄平均每株產量情況

從表1可以看出，在這幾種補光方式中，采用本研究設計的智能LED補光系統優勢突出，果實飽滿圓潤，產量明顯增加，主要是由于在白晝早晚均延長了補光時間，且補光適度，延長了番茄進行光合作用的時間，單株掛果數量明顯增多，比固定光強LED補光方式提高了4.17%，比未補光的提高了19.05%；平均單果質量增加，比固定光強LED提高了 6.30%，比未補光的提高了16.32%；平均單株產量比固定光強LED、未補光的分別提高了10.73%、38.47%。

4.2 能耗對比試驗

從成本的角度考慮，除了對產量進行比較外，對這幾種補光方式的能耗也進行了比較，以白熾燈為基準，每天固定補光13 h(07：00—20：00)，固定光強LED每天也開啟13 h，為了避免采用LED固定補光在中午對番茄補光過量，造成對作物的傷害無法進行比較試驗，當紅藍光均充足時采取暫停補光，時間段為11：00—16：00，夜間溫度降低，不適宜進行光合作用，也停止光照，不同補光方式的功耗及輸出光強見表2。

從表2可以看出，通過對外界自然光中紅藍光光強檢測可知，紅光在11：00—16：00是充足的，藍光在10：00—16：00是充足的，均超出了補光閾值，故在2個疊加的時間段 11：00—16：00，智能補光自動停止工作。當溫室環境溫度介于15～30 ℃時，最適宜光合作用進行碳水化合物積累，此時應該保證紅藍光光強比為2 ∶1，光照強度分別為2 000 lx和 1 000 lx。但固定LED補光無法自動調節，不僅造成能耗的浪費，而且還會抑制作物的生長。固定補光所消耗的電量為 0.992 kW·h，而智能LED補光系統則消耗了0.610 kW·h，能耗降低了38.5%，且沒有造成過量補光。

表2 不同補光方式的功耗及輸出光強比較

5 結語

借助LED的發光特性，利用作物在不同溫度條件下進行光合作用的差異，設計了溫室大棚智能補光系統，實時采集作物冠層光照強度，根據農業專家系統的指導通過PWM輸出不同的占空比，實現對LED燈組的光強自適應控制。經過對溫室大棚內的番茄采取不同的補光方式進行了對比試驗，結果表明，采用本研究設計的智能補光系統工作穩定，實現了按需精準補光，有效克服了由于溫室大棚所處的緯度、結構、朝向和天氣等原因造成的采光不足的缺陷，使溫室大棚內作物的生長不受天氣影響，延長了作物進行光合作用的時長，從而使產量大幅提升，而消耗的電量則明顯減少，且電能均取自太陽能，不會對環境造成污染，系統還可與農戶的智能手機連接，實現遠程管理溫室大棚，契合了智慧農業的發展。

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