基于多光譜連續可調的植物物聯網配置系統研究

張莉萍

（長江職業學院，湖北 武漢 430000）

1 研究背景

民以食為天，食物是人類生存最基本的也是最重要的條件因素。但是，現在全球人口的快速增長、資源的有限、氣候的迅速變化，都給農業發展帶來了巨大的挑戰。根據聯合國糧食及農業組織（FAO）估計，到2050年，全球糧食產量需要增加70%才能再增加23億人[1]。因此，農業必須進行改革創新，而引入物聯網能夠讓農業發展更上一層樓。

將物聯網與農業相結合，通過結合傳感器、運動探測器、按鈕相機等設備，農民可以實時對植物的生長情況還有各種參數（例如水分、土壤濕度等）進行檢測。與傳統操作相比，基于物聯網的智能農場，可以使灌溉系統實現“一秒五噴”。

2 植物生長所需要的環境因子

在引進物聯網技術之前，需要對植物生長所必需的環境因子有所了解，才能進行數據的收集和分析。因此，下面介紹植物在生長時所需要的環境因子。

2.1 光照

光照是植物（有葉綠體的）進行光合作用的必要條件，經過陽光照射，植物中的葉綠體通過一系列生物反應，可以將空氣中的二氧化碳和水轉化成自身生長所需的單糖，單糖經過進一步反應生成植物生長所需的有機物等。但是對于之前的農業來說，需要根據天氣來定，而且預測天氣是一件難事，無法準確知道未來的天氣是大旱還是暴雨還是風調雨順。物聯網技術的引進可以有效解決這一問題。

2.2 水分

水分包括植物生長所需的濕度，分為土壤濕度和空氣濕度，地球上所有的生物都離不開水，水是生命之源。根據植物水分可分為3種：水生植物、濕生植物和旱生植物。水澆少了會使植物生長受阻；水澆多了會使植物的根部因為缺氧產生無氧呼吸而壞掉。因此，根據不同植物生長的習性，需要制定不同的計劃來澆水，通過數據監測，可以了解到植物的狀態。

2.3 溫度

一年四季所生長的植物有所不同，所需要種植的果蔬也不同。現在的大棚蔬菜可以讓人們一年四季都吃到新鮮的蔬果，但是需要對大棚內的溫度進行控制。

2.4 土壤

土壤中含有適當的水、空氣和養分，能使植物健康生長。土壤中含有植物生長需要的大量元素和微量元素，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵等。植物通過根系吸收土壤中的水分和養分，因此，要求土壤松軟度合適，有足夠的氧氣讓植物呼吸。土壤、陽光等都是大自然給予植物生長的必要條件，雖然某些貧瘠地區的土地并不肥沃，但也不是完全沒有辦法，現在可以由人工無土栽培，能定向提供這些條件[2]。

2.5 肥料

在植物生長期間，施肥也是很重要的一個環節，能為植物提供足夠的營養。但是，植物生長所需生長素的量是固定在一個范圍內的，施肥過多反而會抑制植物的生長。在正常范圍內對植物進行施肥，還可以抑制部分野草的生長。

3 系統構成

基于多光譜連續可調的植物物聯網配置系統，可以實現高效生產。該系統不僅可以提高農作物的產量，還可以有效利用資源。通過對農作物數據的檢測，管理人員可以知道什么時候需要澆水、澆水量需要多少以及什么時候需要用生長素等，可以有效減少資源的消耗，實現低成本、高回收。引入物聯網還可以實現對農作物的實時監測，對其現階段所需的生長環境因子進行計算，并且及時控制，可以有效提高農作物的生長效率。因為很多技術是根據計算機計算進行的，可以不受自然條件的約束，甚至可以在沙漠、戈壁等極限條件下進行農作物的種植，極大地利用了地理面積，提高了農作物的產量，有效解決了土地資源不夠的相關問題。在技術的支持下，甚至還可以在太空進行作物種植，可以源源不斷地提供食物[3]。

3.1 LED對于植物的影響

光質是影響植物生長的一個重要的環境因子，有效利用光質可以調節蔬菜中抗氧化化合物的合成和積累，但是因為不同品種的蔬菜對光波的吸收段不同，對每種光源的反應也不同，甚至單個植物對不同的光波進行吸收之后，生長反應也有所不同。針對此類問題，下文進行了簡述。

3.1.1 光質

光作為植物生長發育的基本要素之一，光質、光強、光照時間等因素對植物的生長發育均會產生很大影響。光質可以通俗地解釋為光的波長。

光質會影響植物中含有的葉綠素a以及葉綠素b對光的吸收，進而影響光合作用。在自然光譜中，只有很少一部分可見光能被植物吸收，如果紅藍光搭配合適，便能提高光的利用率。由于光譜構成的成分不同，組合起來或者單個光進行照射，對作物的影響結果都不同。例如在生菜的成長中，若是將紫光和綠光相結合，生菜的生長就會被抑制；但是用紅光進行照射，卻能促進其對微量元素的吸收，促進其成長。不同的光質對葉片中的葉綠素含量也有一定的影響，例如對于花青素的合成，藍色光有促進作用，但是紅光有抑制作用。

另外，光質還會影響植物的生長和形態：紅光會促進幼苗的生長。例如相關研究表明，在小麥的生長中，紅光具有促進作用，在紅光的照射下，幼苗的干物質積累較多，影響生長；紅光能降低赤霉素的含量，藍紫光能有效提高IAA（吲哚乙酸，一種生長素，用以促進植物生長）氧化酶的活性，或者將兩者相融合，能降低IAA的含量，從而抑制植物莖的生長。

光質也會影響植物對微量元素的吸收，甚至會影響植物的生理代謝。暗呼吸是植物在沒有光的情況下進行的有氧呼吸，一般在線粒體進行，而藍光可以促進暗呼吸的進行。經過一系列反應，可以進一步促進蛋白質的合成，而紅光可以促進植物中碳水化合物的增加。

葉綠體中的色素主要吸收紅光和藍紫光，因此，在紅光和藍紫光的照射下，光合作用最強，而葉綠體中的色素吸收的綠光最少，光合作用最弱。根據上述事實以及相關研究結論表明，在植物的生長過程中，若是想要促進植物健康發育，單一地使用紅光或者藍光的效果有限，而LED燈可以解決此問題。例如可以運用紅藍光的組合光譜，對植物的生理代謝等進行調節。前人的實驗結果表明，引進LED照明后，植物的生長周期縮短，有效減少了能耗，并且降低了成本。

3.1.2 光強對植物生長及品質的影響

光強即日常所說的光照強度，高中生物課學過，光照強度會影響光合作用的效率。雖然在一定范圍內，光照強度越大，光合作用效率越高，但是，植物對于光照強度的反應有一個飽和狀態，即光飽和點，過猶不及，光強超過光飽和點時，光合效率不僅不會增加，還很容易引起葉綠素的分解，導致植物產生生理障礙。另外，不同植物因為自身因素，對光照強度的要求不同，光飽和點、光補償點也各不相同。引進物聯網之后，可以針對不同的植物進行計算，針對植物生長特性的不同，指定不同的光照條件，讓植物在更好的條件下生長。

如圖1所示，不同溫度、光強下，植物對于有機物的積累和消耗速率都不同。不同光強下，植物的凈光合速率不同，引進物聯網后，農業生產的目標就是實現最大凈光合速率。適當地增加光強，可以提升植物光合作用的速率，提高有機物的生產速率，進而促進生長。但是，過高的光照強度會對植物造成反作用，影響葉綠素的合成，從而降低光合作用的速率，降低有機物的積累速率，減緩生長速率。相關研究表明，隨著光強的減小，葉綠素的相關光譜參數在總體上呈現升高趨勢；三葉青的葉片中可溶性蛋白含量呈現先降后升的趨勢。某學者研究發現，高光強能夠促進菊花苗中水分和養分的吸收，有利于菊花苗生長發育；增加光強能讓菊花氣孔導度提高，從而提高光合速率。

圖1 有機物積累和消耗速率

3.2 數據傳輸

引進物聯網技術之后，可以對植物的生長數據進行實時監測，然后設置不同的光照系統，根據所得的數據以及植物的生理特征，對光照模式、光照時間進行自動化調控。可以利用相關的計算機程序對植物的生長進行實時監測，還可以進行自動化控制，對植物環境因子進行調配。例如，用何種LED光源對植物進行照射、光強是多少、室內所需的二氧化碳濃度是多少、何時需要進行澆水施肥等，使植物保持最適宜的生長狀態，大幅度提高果實產量品質和藥用有效成分的極大累積，以滿足不同經濟作物產業各不相同的個性化需求，如花卉、葉菜、煙草、藥材等。另外，由于植物在生長期間需要對其使用生長素，不同的生長素對植物的作用也不盡相同，有的植物生長調節劑可提高植物的蛋白質、糖的含量，有的能改變植物形態，有的能增強抗鹽堿、抗寒、抗旱和抗病蟲害能力。所以，需要根據不同時期植物的不同狀態，合理地使用生長素。

數據傳輸不僅可以對植物的生長狀況進行監測，還可以對植物生長地區進行安全檢測。若是出現機器故障等問題，可以及時進行修理；若是遇上突發意外，還可以進行報警，保障相關工作人員的安全。

4 小結與展望

對于物聯網植物生長培植系統，只是在理論知識上進行了概述，描述了植物生長所需的各種環境因子以及物聯網能在技術上為農業提供的各種幫助，但是仍有不足之處。盡管全球人口在快速增長，資源也有限，但相信未來會有更多的專業人士進行這方面的研究，力求讓人們衣食無憂。