溫室植物殺菌補光裝置的設計

楊景發，南夢婷,周晨思，張 瑋

(河北大學物理科學與技術學院，河北 保定 071002)

引言

溫室栽培中由于低溫、弱光寡照、封閉、高濕、霧霾等逆境環境，致使溫室植物不能進行正常的光合作用，從而導致作物減產甚至絕收，缺光已成為影響棚室作物生長、增產的關鍵[1-3]。同時溫室內霜霉病、白粉病、灰霉病、葉霉病等氣傳病害頻發，對作物危害極大，造成嚴重減產[4，5]。為克服熒光燈、高壓鈉燈等補光光源針對性差、光效低、能耗成本高以及化學防治病害易造成病原微生物抗藥性增加、藥物殘留、環境污染等一系列嚴重問題，將LED發光技術、UVC和臭氧聯合殺菌技術與單片機處理、數字傳感、物聯網等技術有機結合，研制出溫室專用LED補光光源和物理殺菌光源成為研究熱點。

1 設計原理

1.1 植物對光波段的選擇性吸收

研究發現，植物的正常發育過程是通過光合作用、光形態建成反應、光周期調節來完成的。從種子萌發、幼苗生長、葉片張開、葉綠體的發育，一直到開花、結果、衰老以及對環境的適應都離不開光的參與和調節。圖1～圖4分別為葉綠素吸收、光合效率、向光性、光形態建成的紅光誘導和長波紅光誘導光譜曲線。

圖1 植物葉綠素的吸收光譜[6-8]Fig.1 The absorption spectrum of plant chlorophyll

圖2 植物光合效率光譜[6-8]Fig.2 Plant photosynthetic efficiency spectrum

圖3 植物向光性光譜[6-8]Fig.3 Phototropism spectrum of plants

圖4 植物光形態建成的紅光誘導(上)長波紅光誘導(下)光譜[6-8]Fig.4 Phototropism spectrum of plants red light induction of plant light morphogenesis(upper),Long wave red light induced spectroscopy(lower)

由圖1～圖3可知，葉綠色的吸收光譜主要集中在波長為630～660 nm的紅橙光及波長為430～450 nm的藍紫光，是葉綠素a、b和類胡蘿卜素共同吸收所造成的；葉綠素光合效率光譜的兩個峰值在650 nm和445 nm。光合效率光譜與葉綠素的吸收光譜有一致的趨勢，說明葉綠素是執行光合作用的主體，在光合作用中真正起主要作用的是紅橙光和藍紫光。由圖4可知，短波紅光(660 nm)照射光敏色素可使Pr型(紅光吸收型，是生理失活型)轉化成為Pfr型(遠紅光吸收型，是生理激活型)；長波紅光(730 nm)照射光敏色素可使Pfr型轉化成為Pr型。

1.2 總體設計臭氧和UVC殺菌機理

對于細菌、真菌等微生物而言，臭氧首先穿透或者直接損害細胞膜，增加其通透性，使很多物質外流，令細胞自身失去活力；其次臭氧能使微生物活動所必須的酶失活，嚴重影響了細胞代謝和再生；另外，臭氧滲入膜內組織后作用于DNA或RNA，損壞其中的遺傳物質，最終導致微生物死亡。此外，臭氧的強氧化性會破壞害蟲的呼吸系統，臭氧氣體的彌漫性很強，殺菌不易留死角，對溫室內的蟲害防效顯著[9]。

用于殺菌的紫外線波段為UVC，細菌等微生物細胞中含有DNA和RNA兩類核酸，它們被適當波長(250～280 nm)的紫外線照射時會吸收大量紫外線，從而在體內反應形成間二氯甲苯及其異構體。這個過程不僅嚴重影響微生物自身的新陳代謝機能，還會破壞其遺傳物質的結構，使細胞失去分裂復制能力，造成細胞死亡[10，11]。

2 設計研究

設計的“溫室植物殺菌補光裝置”分為懸掛式和行走式兩種類型，懸掛式由LED補光模塊、UVC/臭氧殺菌模塊和電控模塊等部分組成，呈上(殺菌)下(補光)組合體結構，其原理結構如圖5所示。行走式類型是在懸掛式基礎上增加行走模塊，由電機、滑道、滑塊等組成，攜帶補光殺菌組合體進行往返在軌運動。

圖5 原理結構框圖Fig.5 Principle structure block diagram

2.1 LED補光模塊的設計

溫室專用LED補光光源由LED組合燈具和LED驅動器組成，其中LED組合燈具由LED燈珠、散熱裝置、燈架等組合而成。首先，根據匹配理論，確定了組合燈具的主光譜區包括紅光波段：660 nm；藍光波段：415 nm左右；白光波段：420～490 nm、510～710 nm。采用1W 紅色、藍色、白色LED燈珠，用Hassan2000光譜分析系統、LED626分布光度計、LED專用積分球、直流穩壓電源等測量其光譜分布和光強的空間分布，其發射光譜分布如圖6所示。

圖6 單色LED譜圖Fig.6 Spectrum of monochromatic LED

1只13W的LED組合燈具由6只紅色、4只藍色、3只白色1W LED燈珠組成；LED組合燈具的散熱系統由主動散熱(燈條PCB板采用鋁基板、鋁質側齒散熱燈槽)和被動散熱組成，如圖7所示，旨在把產生的熱量高效輻射出去，保證燈珠正常工作，延長燈具的壽命。

圖7 LED組合燈具的結構圖Fig.7 Structure diagram of LED combination lamp

選用SN3352驅動芯片，參考芯片設計手冊確定電路各個元器件的參數，設計電流為300 mA的三級聯式恒流驅動電路，如圖8所示，每一級能夠帶4只1W LED燈珠。

圖8 LED驅動電路圖Fig.8 LED driver circuit diagram

2.2 殺菌模塊設計

殺菌模塊采用長方體雙層結構箱體，上層沿長方向側面中部安裝進風渦輪風扇(含復合過濾網)，中間隔板上部放單片機、開關電源、繼電器、Wi-Fi開關/數傳無線模塊等器件；下層是殺菌處理腔，底部放置3個DC12V、500 mg/h片式臭氧發生器，側面安裝1只UVC殺菌光源(253.7 nm，15 W)和1只光觸媒激發光管(280～380 nm)，腔壁噴涂TiO2光觸媒，左右兩側是出風口，安裝軸流風扇，結構示意如圖9所示。

圖9 殺菌模塊的結構圖Fig.9 Structure diagram of sterilization module

2.3 電控模塊設計

電控模塊包括電源模塊(提供裝置中各模塊所需的電能)和控制模塊，控制模塊提供“智能”和“手動”兩種實用的控制方式。以懸掛式為例，智能方式包括：依據程序設定的臭氧濃度和光照強度閾值，自動開啟或關閉補光和殺菌工作；手動方式包括：藍牙無線遙控和微信小程序控制，可實現溫室殺菌/補光的手動交互式控制和遠程控制。

(1)智能控制方式。

智能控制由采集接口電路、STC89C52單片機、實時時鐘以及軟件組成。MQ131臭氧濃度傳感模塊和GY-30光強傳感模塊將采集溫室內臭氧濃度和光照強度信息，經對應端口傳送至單片機進行處理，依據設定的閾值(臭氧濃度0.03～0.05ppm)進行判讀，并發送反饋指令驅動光耦和固態繼電器工作，進而控制UVC/O3殺菌和LED補光光源工作，控制電路原理和程序流程如圖10～圖11所示。

圖10 智能控制電路原理圖Fig.10 Chematic diagram of intelligent control circuit

圖11 程序流程圖Fig.11 Program flow chart

(2)藍牙無線遙控和Wi-Fi遠程微信小程序控制方式。

藍牙開關模塊：選用兩路藍牙開關模塊。連接好供電電源(DC5V)及開關設備(1—補光，2—殺菌)；通電后打開手機藍牙功能(不需要配對操作)；打開微信，掃描小程序二維碼(圖12)，進入設備列表頁面，進行藍牙模塊名稱、連接模式、開關名稱、延時時間等控制設定。

圖12 微信小程序二維碼Fig.12 Wechat app QR code

Wi-Fi開關模塊：選用Wi-Fi遠程控制開關模塊(5V兩路)，連接好供電電源及開關設備；打開配網手機Wi-Fi功能，用Wi-Fi網絡或其他手機分享出的熱點上網；微信掃描配網二維碼(圖13)給Wi-Fi開關配網；微信掃程序二維碼(圖14)即可添加及控制“殺菌”和“補光”裝置的開啟或關閉。如需要多部手機控制該Wi-Fi開關設備，則綁定設備的這部手機使用“分享控制”的方式分享給其他手機即可。

圖13 配網二維碼Fig.13 DistributionnetworkQRcode圖14 微信程序二維碼Fig.14 WechatappQRcode

3 結論

溫室植物補光和殺菌裝置采用懸掛式一體式結構設計，產品構成如圖15所示，上部是殺菌裝置，下部是補光光源，結構合理、安裝方便。

圖15 產品裝置結構圖Fig.15 Product device structure diagram

本裝置的優勢體現在：LED補光光源的發射光譜與植物的選擇性吸收光譜相匹配，用于綠植補光，針對性強，光效高；采用UVC光波照射、臭氧彌散性擴散以及自由氫氧基(-OH)的強氧化性，多因子聯合殺菌，既具特異性，又有疊加性和互補性，絕對零農藥，殺菌更高效，環境更友好；具有智能、無線遙控和微信小程序三種工作控制方式，使用更方便靈活；殺菌、補光雙功能，可以“單獨”或“組合”式工作，選購和使用更人性。同時，據統計，2017年設施蔬菜面積達到5 900萬畝，2017—2021年平均增長率1.25%，因此本裝置的市場容量大，將本裝置用于溫室綠植補光殺菌，經濟社會效益顯著，推廣前景廣闊。