基于光輻射條件的溫室環(huán)境多因子調控系統(tǒng)的研究

黃媛 楊英茹 高欣娜 李海杰 岳趙寒

摘要 通過實時獲取溫室環(huán)境的當前光輻射值，在當前光輻射值大于預設閾值時向遮光設備發(fā)送控制信號以遮光，當前光輻射值小于等于預設閾值時，根據光輻射值與溫度變化關系，獲取待調控的溫度范圍，并據此獲取待調控的濕度范圍;根據光輻射值與二氧化碳變化關系獲取待調控的二氧化碳施肥量范圍;根據當前光輻射值和每天預設輻射周期計算全天輻射累計量，預設全天輻射累計量和補光設備的單位時間輻射值確定待補光時間;判斷當前光輻射值是否等于預設歷史平均日輻射量，從而確定待調控水量，并對溫室環(huán)境進行調控。以光輻射值為驅動，在線調整上述各個參數，簡化耦合影響，加大光合減少呼吸作用等。

關鍵詞 日光溫室;溫室環(huán)境調控;模型構建;光輻射

中圖分類號 S126文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）11-0233-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.067

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract Through realtime access to the current optical radiation value of greenhouse environment， when the current radiation value was greater than the present threshold， control signal was sent to the shading device for shading. When the current radiation value was less than the present threshold， the control temperature range was obtained according to the relationship between radiation value and temperature， so as to obtain the humidity range. According to the change relationship between radiation value and carbon dioxide， we obtained the fertilizer application range of carbon dioxide. According to the current optical radiation value and daily preset radiation period， we calculated the fill light time. Judge whether the current optical radiation value was equal to the historical average daily radiation， so as to determine the regulated water amount， and to regulate the greenhouse environment. Taking optical radiation value as the drive， the parameters were adjusted online， the coupling influence was simplified， so as to increase photosynthesis and decrease respiration.

Key words Solar greenhouse;Greenhouse environmental regulation;Model construction;Optical radiation

基金項目 河北省科技廳重點研發(fā)計劃（18226920D）。

作者簡介 黃媛（1986—），女，河北石家莊人，農藝師，碩士，從事農業(yè)信息化研究。*通信作者，副研究員，從事農業(yè)信息化研究。

收稿日期 2018-10-17

設施農業(yè)作為新型的農業(yè)生產方式，已經成為我國解決人口、糧食、土地矛盾的重要途徑。目前我國溫室環(huán)境控制仍以生產者經驗調控為主，缺乏科學的控制目標和有效的測控手段，造成病害嚴重、產品污染等突出問題。因此，從整體上提高溫室環(huán)境控制水平，已成為產業(yè)提升和可持續(xù)發(fā)展的迫切需求[1-5]。

當前用于溫室環(huán)境控制方法主要包括PI控制、PID、前饋控制、非線性反饋控制等。在以上控制算法基礎上，研究人員開發(fā)了溫室環(huán)境的多因子綜合控制系統(tǒng)，可以根據溫室作物的生長發(fā)育規(guī)律對溫室內光照、溫度、水、氣、肥等因子進行自動控制。荷蘭將差溫管理技術用于溫室環(huán)境的自動控制，實現(xiàn)了花卉、果蔬等產品開花和成熟期的控制;日本將各種作物不同生長發(fā)育階段所需環(huán)境條件輸入計算機程序，以光照條件為始變因素，溫度、濕度和CO2體積分數為隨變因素，當某一環(huán)境因素發(fā)生改變時，其余因素自動作出相應修正或調整，使這4個環(huán)境因素始終處于最佳配合狀態(tài)。有一種溫室環(huán)境多因子協(xié)調控制算法，結合設施園藝的一些經驗方法，對溫室系統(tǒng)進行變換和等效處理，將問題簡化。簡化措施降低了系統(tǒng)建模的難度和控制算法的復雜程度，但能夠滿足溫室環(huán)境控制的要求。該算法既能夠實現(xiàn)溫室環(huán)境多因子、多目標地控制，也能夠解決溫室環(huán)境多因子嚴重耦合的問題。多因子環(huán)境控制是當前溫室環(huán)境控制的應用趨勢，但由于環(huán)境因子難以完全解耦，實際還是單因子結合其他環(huán)境因子輔助控制[6-15]。

光作為一種能量通過光合作用制造有機物為植物生長發(fā)育提供物質和能量，是植物進行光合作用的基礎，影響著植物幾乎所有發(fā)育階段，光照不足會影響光合同化力從而限制碳同化，最終影響到植物光合產物的形成。很多溫室中光不能夠準確控制，而其他相關環(huán)境參數可以調控，依據“木桶效應”自然提供光源有限，當在一定的輻射或光照時，提供適宜環(huán)境能夠提升作物光合作用，如果更進一步提高環(huán)境則不可能快速增加光合作用甚至會抑制作物生長，根據以上原理結合植物環(huán)境生理規(guī)律，筆者提出一種基于輻射驅動的溫室環(huán)境節(jié)能調控方法[15-17]。

1 系統(tǒng)設計

由圖1可知，第一獲取單元51，用于實時獲取溫室環(huán)境的當前光輻射值，判斷所述當前光輻射值是否大于預設閾值;

第二獲取單元52，用于若是，則向遮光設備發(fā)送控制信號，以使遮光設備對溫室進行遮光，并在獲取到溫室環(huán)境的當前光輻射值小于等于所述預設閾值時，獲取所述當前光輻射值所處的輻射范圍;

第三獲取單元53，用于根據所述當前光輻射值所處的輻射范圍和預設輻射溫度關系表，獲取待調控的溫度范圍，根據所述當前光輻射值所處的輻射范圍和預設輻射二氧化碳關系表，獲取待調控的二氧化碳施肥量范圍，并根據所述待調控的溫度范圍，獲取待調控的濕度范圍;所述預設輻射溫度關系表包括輻射范圍和溫度范圍的關系，所述預設輻射二氧化碳關系表包括輻射范圍和二氧化碳施肥量范圍的關系;

第一確定單元54，用于根據所述當前光輻射值和每天預設輻射周期，計算全天輻射累計量，并根據所述全天輻射累計量、預設全天輻射累計量和補光設備的單位時間輻射值，確定待補光時間;

第二確定單元55，用于判斷當前光輻射值是否等于預設歷史平均日輻射量，并根據判斷結果確定待調控水量;

調控單元56，用于根據所述待調控的溫度范圍、待調控的二氧化碳施肥量范圍、待調控的濕度范圍、待補光時間和待調控水量對溫室環(huán)境進行調控。

由上述技術方案可知，該研究通過測量光合有效輻射值（即光輻射值）為主要環(huán)境調控驅動，在線調整溫度、濕度、二氧化碳、灌溉量配合栽培作物生理活動，避免能源與資源浪費;結合作物環(huán)境光合生理及不同生長期的生理需求，以作物生理活動響應為評價指標，擺脫傳統(tǒng)直接面對物理指標調控，能夠提高作物品質、產量。

2 實施驗證

2.1 試驗實施

對該研究的具體實施方式作進一步詳細描述（圖2）。

（1）S11。實時獲取溫室環(huán)境的當前光輻射值，判斷所述當前光輻射值是否大于預設閾值;若是，則執(zhí)行步驟S12，否則，不進行遮光處理。

（2）S12。若是，則向遮光設備發(fā)送控制信號，以使遮光設備對溫室進行遮光，并在獲取到溫室環(huán)境的當前光輻射值小于等于所述預設閾值時，獲取所述當前光輻射值所處的輻射范圍;

（3）S13。根據所述當前光輻射值所處的輻射范圍和預設輻射溫度關系表，獲取待調控的溫度范圍，根據所述當前光輻射值所處的輻射范圍和預設輻射二氧化碳關系表，獲取待調控的二氧化碳施肥量范圍，并根據所述待調控的溫度范圍，獲取待調控的濕度范圍;所述預設輻射溫度關系表包括輻射范圍和溫度范圍的關系，所述預設輻射二氧化碳關系表包括輻射范圍和二氧化碳施肥量范圍的關系;

由圖3可知，當輻射為20 W/m2時光環(huán)境較弱，無論溫度如何調整凈光合速率都保持在較低的水平;當輻射為50～100 W/m2時，將溫度調整到15 ℃時光合速率有一定幅度增加，如果再增加溫度則光合速率下降，在相同光合效果條件下會浪費加熱能源。當輻射達到100 W/m2時，溫度從10 ℃升到30 ℃，凈光合速率會有較大幅度增加，因此根據每天變化的輻射，調整溫度使得作物處于較好的生長狀態(tài)，能夠在春、秋、冬季加溫情況下降低能耗。表1為輻射驅動溫度控制表（預設輻射溫度關系表），實際輻射值（該研究中輻射值即為光輻射值）和溫度值與具體作物相關，這里只作為方法示意。

值得說明的是，所述二氧化碳施肥量為二氧化碳的體積分數。

由圖4可知，當輻射（文中輻射和輻射量均指輻射值）為30和50 W/m2時，二氧化碳體積分數為0～500×10-6時光合速率增加比較顯著，而600×10-6后則增長緩慢，增加二氧化碳施肥會影響整體栽培效益，即弱光下則采用通風方式補充二氧化碳即可。當為100、150 W/m2時，二氧化碳體積分數高于800×10-6對植物生長沒有太大作用，可以按照表2確定二氧化碳施肥量。

（4）S14。根據所述當前光輻射值和每天預設輻射周期，計算全天輻射累計量，并根據所述全天輻射累計量、預設全天輻射累計量和補光設備的單位時間輻射值，確定待補光時間。值得說明的是，光環(huán)境調控一般用內外遮陽網、補光設備實現(xiàn)。由圖5可知，高于100 W/m2時光合增長緩慢;高于150 W/m2會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，光合速率會降低。因此，所述預設閾值一般設定為150 W/m2。

上述步驟S12中可通過向遮光設備發(fā)送控制信號，如調整可控的遮光設備的開合度實現(xiàn)遮光，遮陽網（可控的遮光設備的主要遮陽部分為遮陽網時）開合度將溫室內光輻射值調整到150 W/m2以內，再進行其他參數的相關調控。

植物整個生長周期過程中，光累計存在建議參數（即預設全天輻射累計量），保證光照達到該指標可獲得較好的生產成果。通過打開補光燈，根據補光的輻射大小和DLI，確立補光燈工作時間，確保溫室植物生長過程中穩(wěn)定的DLI。

（5）S15。判斷當前光輻射值是否等于預設歷史平均日輻射量，并根據判斷結果確定待調控水量。

值得說明的是，在該步驟中根據光照輻射量確定澆水總量。

由于光輻射與植物的蒸騰作用密切相關，一般1 J/cm2輻射光植物消耗3 mL/m2的水，即1 W/m2消耗1.08 mL。在該步驟中，根據歷史平均日輻射量計算出溫室每天的作物灌溉需水量，依據設定的灌溉頻次進行灌溉。同時以小時為單位根據實時獲取的輻射值在線調整實際灌溉量。

以預設歷史平均日輻射量作為判斷依據確定待調控水量，因為預設歷史平均日輻射量是根據實際經驗總結出來的結果，以該值為依據可以快速計算出溫室每天補水量。

（6）S16。根據所述待調控的溫度范圍、待調控的二氧化碳施肥量范圍、待調控的濕度范圍、待補光時間和待調控水量對溫室環(huán)境進行調控。

上述步驟中的各待調控值均針對整個溫室范圍。該研究中的光輻射值均為有效輻射值，

即該研究需要確立了解栽培作物品種和生長特性，然后通過試驗獲得溫室作物在不同生長期的光響應曲線、溫度、二氧化碳體積分數在不同輻射下的光合響應曲線，并按照上面提及的方案構建控制分檔，確立不同輻射下對應的調控參數。實際應用采集當前光合有效輻射并以小時計算輻射累計量，首先比較當前輻射是否超過作物能夠承受的強度，如果超過則需要遮陽處理。然后分別根據輻射比較確定對應的調節(jié)溫濕度、二氧化碳施肥、補光及灌溉方案，確保作物處于最佳光合、蒸騰生長情況。

植物一般會有適宜的飽和水汽壓差，一般在0.5～11.2 kPa，則所述步驟S13中的根據所述待調控的溫度范圍，獲取待調控的濕度范圍，包括

根據所述待調控的溫度范圍，通過公式（1）獲取待調控的濕度范圍：

其中，H為濕度，VPD 為預設的飽和水汽壓差，T為溫度。

所述步驟S14中根據所述當前光輻射值和每天預設輻射周期，計算全天輻射累計量，包括

根據所述當前光輻射值和每天預設輻射周期，通過公式（2）計算全天輻射累計量

其中，DLI為全天輻射累計量，Rv為光輻射值，Rp為每天預設輻射周期。

所述步驟S14中根據所述全天輻射累計量、預設全天輻射累計量和補光設備的單位時間輻射值，確定待補光時間，包括

根據所述全天輻射累計量、預設全天輻射累計量和補光設備的單位時間輻射值，通過公式（3）確定待補光時間：

其中，T補光為待補光時間，DLIset為預設全天輻射累計量，DLI為所述全天輻射累計量，RL為補光設備的單位時間輻射值。

所述步驟S15中根據判斷結果確定待調控水量，包括：

若光輻射值等于預設歷史平均日輻射量，則根據所述預設歷史平均日輻射量、單位面積植株數和預設的溫室面積確定待調控水量。

在該實施例中，根據所述預設歷史平均日輻射量、單位面積植株數和預設的溫室面積確定待調控水量，包括：確定所述預設歷史平均日輻射量、單位面積植株數和預設的溫室面積三者相乘獲取的值為待調控水量。所述步驟S15中的根據判斷結果確定待調控水量，包括：

若光輻射值不等于預設歷史平均日輻射量，則根據所述光輻射值、預設的單位光輻射值對應的耗水量和預設的溫室面積，確定待調控水量。

在該實施例中，根據所述光輻射值、預設的單位光輻射值對應的耗水量和預設的溫室面積，確定待調控水量，包括：

確定所述光輻射值、預設的單位光輻射值對應的耗水量和預設的溫室面積三者相乘獲取的值為待調控水量。

作為一種優(yōu)選實施例，所述步驟S13中的根據所述當前光輻射值所處的輻射范圍和預設輻射溫度關系表，獲取待調控的溫度范圍之后，所述方法還包括：

獲取溫室環(huán)境的當前溫度;

若所述當前溫度小于所述待調控的溫度范圍的最小值，則根據所述當前光輻射值所處的輻射范圍和所述預設輻射溫度關系表，確定加溫延遲時間;

所述預設輻射溫度關系表包括輻射范圍與加溫延遲時間的關系。

具體加溫度控制通過加溫設備，由于輻射也會帶來溫度的增加，通過設置不同延遲時間，在當前溫度不影響生長情況下，減少加溫設備加溫時間以降低能耗。

若所述當前溫度大于所述待調控的溫度范圍的最大值，則需要降溫，若降溫，可通過通風、濕簾、霧化噴頭多種手段實現(xiàn)，優(yōu)先使用自然通風達到設定范圍，如達不到則需要開啟其他設備實現(xiàn)。

2.2 試驗驗證

通過如下具體實施例說明該研究：（假設每平米3株植物，預設歷史平均日輻射量為80 J/cm2，則耗水量為80 J/cm2×3 mL=240 mL/m2，溫室面積為1 000 m2時需水量為240 L）

如果中午當前輻射值（光輻射值）為80 W/m2，則溫度調控目標12.5～17.5 ℃，濕度通過計算控制在60%～75%，二氧化碳施肥最大800×10-6，同時當前輻射與歷史同期（即與預設歷史平均日輻射量）一致，則需要按照原計劃需水量進行灌溉。

如果黃昏階段輻射為15 W/m2，則溫度調控目標降為75～12.5 ℃，濕度通過計算控制在45%～70%，關閉二氧化碳施肥，同時不處于施氣肥最佳時機則關閉通風窗，當前輻射較低，當前需水量為15×1.08 =16.20 mL，則需要降低供水量，修改灌溉策略。

假設全天輻射累計量為350 W/（m2·d），而作物每天標準（即預設全天輻射累計量）DLI為450 W/（m2·d），補光燈能提供600 W/（m2·d），需要打開補光燈持續(xù)4 h以滿足標準光累計要求，其補光量為24×（450-350）/600 W/（m2·d）。

3 結論

該研究通過測量光合有效輻射值（即光輻射值）為主要環(huán)境調控驅動，在線調整溫度、濕度、二氧化碳、灌溉量配合栽培作物生理活動，避免能源與資源浪費;結合作物環(huán)境光合生理及不同生長期的生理需求，以作物生理活動響應為評價指標，擺脫傳統(tǒng)直接面對物理指標調控，能夠提高作物品質、產量，即該研究利用已有光合有效輻射輻射結合作物生長能力，將作物生長在受限條件下發(fā)揮加大光合作用、減少呼吸作用，將蒸散作用、同化作用及溫、光、水、氣合理化，設法將光合作用的產能盡量轉化為植物需要部分;充分利用有限資源獲得植物生產最大收益，有效提高資源和能源利用率;采用單個環(huán)境因素—光輻射值作為調控指示，簡化各個環(huán)境之間的耦合帶來的影響，不需要復雜模型控制，方便與控制裝置集成，降低控制成本。

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