基于PLC 技術的種苗精準光培育平臺設計與試驗

李 斌，魏鑫鈺，陳 夕,2，趙俊宏，羅毅智，周星星

（1.廣東省農業科學院設施農業研究所，廣東 廣州 510640；2.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東 廣州 510642)

【研究意義】光是影響植物生長、發育、代謝及外部表型最為重要的一個因素［1-4］。在植物生長過程中，利用人工光源代替自然光對種苗進行合理的補光操作，可有效提高果蔬的品質、產量和效率、縮短種植周期。此外，光還影響種苗生長過程中的光合速率和光合強度，同時也能作為信號傳播，影響其生長發育表型特征和應激反應等?！厩叭搜芯窟M展】季方等［5］利用補光系統對番茄種苗進行補光，結合光能利用率和電能利用效率特點，分析不同紅藍光配比對番茄種苗表型形狀、壯苗指數、生物量和光合能力的影響，發現不同光配方和光強結合對種苗生長有積極影響。廖自月等［6］通過設計不同梯度的光強試驗發現，合適的光照模式有利于黃瓜嫁接苗的愈合生長及幼苗質量的提高。楊興有等［7］發現適度的光照可促進植物生長發育，反之，則對植物生長產生一定的阻礙。植物受到光脅迫時，形態主要表現為株高過高、莖粗較細弱、節間長、葉片脆薄細小、顏色較淺、組織柔嫩、根量少、根系不發達，整體外觀瘦弱高小，形成高腳苗［8］。綜上，只有給予適宜的光照強度才能促進植物生長、提高產量［9］。

人工光源型植物工廠是標準化高效育苗的重要途徑之一。光源能耗成本是育苗成本的最大組成部分，對工廠化育苗技術的推廣與應用有著重要的影響［10］。傳統的補光儀器，如金屬鹵化物燈［11］、高壓鈉燈［12］和白熾燈［13］等雖可作為補光設備［14］，但該類設備光源波長繁雜、能耗較高，無法對植株進行針對性的光源補光，對植株生長效益偏低，不適合長期應用。利用LED 補光具有環保節源、光譜靈活可調、集中高效補光等優點［15］，可解決傳統光源光質單一、光強不可調和波段冗雜等問題［16］。LED 補光還具有產熱低的特點，可近距離為植物補光，提高空間利用率［17］，目前已在農業生產中廣泛使用［18］。在植物工廠中，人工光源能耗占植物工廠總能耗的60%～80%［19-20］，但其能量轉換效率僅為30%～40%［21］，其余能量以熱量或輻射的形式散失到室內［22］。因此，如何提高發光效率與光能轉化、降低人工光能源損耗是植物工廠領域人工光應用的重要課題之一［23］。

【本研究切入點】PWM 調光（Pulse-Width Modulation）又稱脈沖寬度調制調光，是一種通過調節脈沖恒流源的脈沖寬度而調節 LED 亮度的調光方法［24］，近年來被廣泛應用于農業補光［25-27］。陳方園等［25］采用模糊控制算法設計了一種LED 植物補光照明系統，并通過動態調整不同占空比的PWM 信號進而調整光強度。賀斐斐等［26］根據專家系統和并行粒子群算法推算出最優補光量以及補光位置，并通過 PWM調節光照度。在控制模型方面，周靜［28］基于遺傳算法建立了生菜生長預測模型，獲取了在不同溫度條件下不同生長時間生菜最大干重所對應的空間光量子通量密度（PPFD）目標值。由于光源到補光作物的距離決定了作物的光照強度，且距離作物越近光照強度越強，但目前研究層高可調的種苗培育平臺文獻較少?！緮M解決的關鍵問題】針對上述植物工廠培育平臺層高固定、能耗高且難以匹配種苗生長光需求等問題，本研究設計一種基于 可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的層高可調種苗精準光培育平臺，建立平臺光輻射源損耗模型，通過改變平臺輻射距離與光源運行功率，從而達到提高光源利用率、降低生產成本的目標，為植物工廠的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 升降平臺搭建

根據種苗培育需求設計種苗精準光培育平臺（圖1），其結構主要包括架體、水肥一體化系統、升降系統和控制系統，其中升降系統中光源和升降機構之間采用剛性連接方式，實現光源與作物之間距離的自動調節；升降系統主要通過控制步進推桿電機（BJXL，24V30W，推力250 N，行程350 mm，常州路易推桿有限公司），改變平臺光源對種苗托盤的光輻射距離，以此調節光輻射強度與LED 燈板運行功率，從而達到節能減耗目的；水肥一體化系統包括苗盤、水泵（YAH 24V30W，流量2.7 L/min，恒為達科技有限公司）、電磁閥、水肥管道和液位傳感器等，可通過控制系統實現水肥潮汐灌溉；控制系統可通過當前種苗生長高度與光需求設定升降高度參數與光強，也可通過選用內部光輻射能耗模型計算平臺調控最優調控高度，從而實現種苗光培育的精準調控。

圖1 種苗精準光培育平臺結構圖Fig.1 Structure diagram of precise light cultivation platform for seedlings

在種苗生長過程中，隨著種苗高度的增加，燈板的高度隨之增加，使兩者在整個過程中都保持相同距離。當需要調整時，控制器3 將指令發送到步進推桿1 和燈板6，分別控制燈板的高度和強度；當步進推桿1 接收到指令后，推桿伸長，促使燈架5 沿著滑軌4 上升給定距離，從而調整距離。通過上述系統設定潮汐管理時間和容量，到點后自動開啟水泵往苗床注入水肥，到達指定容量時水泵關閉；待浸泡時間結束后，系統自動開啟電磁閥，將水肥回收進入收集桶，待下一次使用。

1.2 燈珠優化設計

為擴大照射角度，增加受光平面的均勻性，在燈板上同一位置的三色LED燈源加入一透鏡（圖2A）。本試驗主要探究燈架光源設備工作過程中的光量子通量密度與耗電量間的關系，基于光輻射高度、光源（燈板）占空比、光輻射距離與PPFD 之間函數關系，從而建立光輻射能耗模型。采用UPRtek PG200N 光譜儀測量PPFD 的空間分布。本試驗對培養托盤共進行20 個點的PPFD 值測試，因中心光強與其他點位數值差異較大，本試驗未將中心測試點的數值納入測量范圍，具體測試位置如圖2 所示。

圖2 LED 燈板與測試位置Fig.2 LED lamp board and testing position

1.3 控制系統設計

為提高種苗精準培育平臺使用的穩定性，采用PLC 開發控制系統，主要由三菱PLC 控制模塊、HMI（Human Machine Interface）觸摸屏與智能網關等組成，可完成植物工廠內部光輻射強度、光輻射距離、溫度和濕度等環境參數的收集、處理與上傳，并可根據育種目標，利用現場或遠程的方式對種苗生長環境參數進行綜合調控，為育苗提供可靠穩定的培育環境。種苗精準光培育平臺控制系統，主要包括種苗生長環境綜合調控系統與物聯網調控系統兩部分，具體分為信息感知層、控制決策層和物聯網應用層3 個控制層面（圖3）。

圖3 種苗精準光培育平臺整體架構Fig.3 Overall architecture of precise light cultivation platform for seedlings

其中，種苗生長環境控制系統主要分為環境控制系統和光調控系統。環境控制系統包括環境溫度、濕度、氣體交換等；光調控系統包括光環境、光輻射距離和水肥潮汐灌溉系統等，具體硬件設計線路見圖4。

圖4 種苗精準光培育平臺控制電路與控制邏輯Fig.4 Control circuit and control logic of precise light breeding platform for seedlings

1.4 試驗材料

試驗于2022 年6 月至2023 年3 月在廣東省廣州市廣東省農業科學院設施農業研究所人工氣候室內進行，本研究以‘津春5 號’黃瓜品種為試驗對象。為防止周圍環境對幼苗生長產生影響，將室內溫度設定為26（±0.5）℃，濕度設定為75（±5）%，該環境條件滿足黃瓜幼苗三時期（子葉展平期、一葉一心期和兩葉一心期）正常生長的所需環境。

營養液參照霍格蘭營養液配方配制，幼苗三時期均使用2 倍濃度營養液，通過前期預試驗獲得幼苗出芽至兩葉一心期的營養液蒸發量約為5 g/d。全程利用滴灌進行澆灌營養液，出芽至兩葉一心期每隔2 d 滴灌1 次，滴灌量為10 mL，營養液pH 為5.5～6.5。

基于植物工廠種苗培育邊界條件（不低于種苗生長最大株高），預試驗得出幼苗三時期的最優升降高度分別為3、6 和8 cm（對應實際高度H為19、22 和24 cm）；將預試驗得出的幼苗三時期光照強度控制方案：1 20、150 和120 μmol/m2·s 作為y值PPFD 輸入，以幼苗三時期恒光恒高處理為對照（CK）。

1.5 指標測量方法

1.5.1 株高和莖粗測量 利用游標卡尺分別測量株高（根基部到莖頂端生長點的自然高度）和莖粗（根基部距畦面約1 cm 處的直徑）［29］；

1.5.2 葉面積和葉周長測量 采用實驗室已有的結構光三維點云采集機器人對黃瓜葉片進行動態三維點云參數（子葉與真葉）的無損采集，獲得葉片葉面積與葉周長。

1.5.3 干鮮質量及壯苗指數 將幼 苗進行清洗擦拭，從根基部剪斷，采用高精準度電子天平（千分之一）稱量地上部和地下部鮮質量；隨后將幼苗放入烘箱105 ℃殺青15 min，70 ℃烘干至恒重，測定地上部和地下部干質量［30］。壯苗指數（Healthy Index，HI）是判斷種苗健康程度的一項重要指標［31］，可分為鮮質量和干質量，計算公式如下：

HI（鮮）=（莖粗/株高+地下部鮮質量/地上部鮮質量）× 全株鮮質量

HI（干）=（莖粗/株高+地下部干質量/地上部干質量）× 全株干質量

1.6 光輻射能耗模型與PPFD 精度評價方法

采用光輻射高度、光源占空比與光輻射距離作為多元線性回歸函數的自變量，設b0為函數修正常數，b1、b2、b3為回歸系數，y為P PFD 輸出，建立的光輻射能耗模型如下：

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

采用SPSS 軟件利用多元線性回歸方法分析數據并構建函數。本試驗有3 輸入1 輸出，其中2 個輸入是5 水平因素變量和1 個輸入是20 水平因素，共500 個水平組合輸出量。

PPFD 精度表示本設計升降平臺計劃輸出PPFD 與實際PPFD 之間的差異，通過計算相對誤差δ比較可得，誤差越小可表示平臺輸出PPFD精度越高，其計算方式如下所示：

式中，L為實際測量PPFD，L0為預測值PPFD。

2 結果與分析

2.1 燈板光強空間分布

將優化后的LED 燈板與原LED 燈板在同等高度下滿功率運行狀態的PPFD 分布進行測試，結果如圖5A 所示。由圖5A 可知，同等高度下，優化后燈板的PPFD 極差控制在50 μmol/m2·s 范圍內，原燈板極差最大可達80～90 μmol/m2·s。由此可見，優化后的LED 燈板均勻性顯著高于原燈板。

圖5 PPFD 光強分布圖Fig.5 PPFD distribution of light intensity

設計平臺升降高度與燈板運行功率性能正交試驗，升降高度每次5 cm，從0 cm 開始共進5 次平臺上升操作，平臺默認步進推桿下限為最低高度，即為H=16cm，每次升降后的高度分別為21、26、31、36 和41 cm。每次升降高度后分別測量該高度下燈板運行占空比為20、40、60、80、100 時，培育平臺上20 個受光點位的光輻射強度如圖5B 所示。隨著培育平臺的高度變化，平面接受到光強分布也會發生改變，且隨燈板高度下降，平面PPFD 極差減小。當燈板滿功率運行時，距幼苗距離最近（距離幼苗培養缽5 cm，距離平面16 cm）時，測量到的中心光量子通量密度可達300 μmol/m2·s。從圖5B 上可以看出，各高度對應的平均光強分別為241.4、207.9、179.5、155.1 和135.8 μmol/m2·s，且每升高5 cm，其平均光照強度下降33.5、28.4、24.4 和19.3 μmol/m2·s。

2.2 平臺光輻射能耗模型

本平臺光輻射能耗模型為3 輸入1 輸出的多元回歸關系。通過試驗得到同一個測量點PPFD隨不同占空比和升降高度的分布情況（圖6）可以看出，隨著占空比升高，最小高度與最大高度對應的PPFD 差值逐漸增大，說明占空比越大時，升降高度對光強的影響越顯著。數據分析發現，5 個不同占空比下PPFD 的分布曲線R2均大于0.985，說明同一測量點位下，PPFD 與光輻射距離、光源占空比與平臺高度之間存在著明顯的線性關系，因此，選擇SPSS 的多元線性回歸方法進行數值擬合，得到因變量系數b0、b1、b2、b3分析結果（表1）。

表1 因變量系數分析結果T able 1 Analysis results of de pendent variable coefficient

圖6 不同占空比和升降高度下燈板PPFD 的分布情況Fig.6 Distribution of PPFD under different duty cycle and lifting height of lamp board

由表1 中的回歸系數b可知，x1系數為1.663，對PPFD 起促進作用；x2系數為-3.525，對PPFD 起抑制作用。而測量點位置x3的顯著性為0.719＞0.05，表明不同測量點在同一x2、x1時對PPFD 影響不顯著，因此PPFD 輸出（y）公式可表示為：

y=74.943+1.663x1-3.525x2+0.066x3，其中平臺實際高度H=x2+16。

2.3 平臺光輻射能耗模型驗證

通過函數比較預測值與實際測量值之間的相對誤差（表2）。由表2 可知，隨測試點位逐漸靠近內部時，相對誤差越小，符合LED 燈珠分布特性的向內疊加趨勢變化。數據相對誤差為±10%，預測效果良好。以傳統植物工廠光培育的平臺高度H=35 cm［32］（x2=19 cm）、測試點位11（中心點為誤差較?。槔?，同一燈板下此高度最大光強為175 μmol/m2·s，運行功率為80 W。當平臺降至最低高度H=16 cm（x2=0 cm）達到相同光強時，運行功率為47.48 W，降低了40.65%，有效地降低了平臺運行功率，達到設計目的。

表2 不同試驗組別誤差統計表Table 2 Statistical table of error in different tests

2.4 栽培試驗驗證結果

根據光強需求階梯節能調控策略設置的試驗組（T1）與對照組（CK）幼苗在相同時間下達到兩葉一心時期，測定2 組的生長指標，如株高、莖粗、葉面積、葉周長、全株鮮質量、全株干質量、地上部鮮質量、地上部干質量（表3），并根據公式計算壯苗指數，分析兩種處理對生長指標的影響。得到T1 與CK 的HI(鮮)分別為0.891和0.911、HI(干)分別為0.043 和0.046。結果表明，T1 與CK 之間差異不顯著，均在誤差允許范圍內，兩組的植株生長狀況如圖7 所示。

表3 試驗組與對照組的生長指標比較Table 3 Comparison of phenotypic indexes between experimental group and control group

圖7 不同光照條件下種苗的生長狀況Fig.7 Growth status of seedlings under different light conditions

3 討論

本研究搭建了基于PLC 技術的可升降培育平臺，并采用多元線性回歸方式建立該平臺的光輻射能耗模型。結合光需求調控方案、升降式平臺與平臺光輻射能耗模型，制定節能光調控策略，最后通過試驗驗證策略的可行性。

由前期試驗結論可知，黃瓜幼苗從出芽至子葉展平期（K1）、子葉展平期至一葉一心期（K2）與一葉一心期至兩葉一心期（K3）3 個時期的培育周期分別為4、6、6 d，從播種至出芽所需時間為3 d，培育總時長共19 d，每天光輻射時長為14 h。光輻射強度調控方案分別為120、150、120 μmol/m2·s。對照組選用的培育方案為恒光150 μmol/m2·s 培育16 d。根據人工光育苗邊界條件，本系統的光調控策略上升最優高度分別為3、5、8 cm，對照組選擇的是植物工廠傳統恒高（H=35 cm，x2=19）光培育平臺，光輻射位置以點11 進行計算。通過光輻射能耗模型計算可得，K1 處理燈板功率損耗為26.42 W，運行時長為56 h，總耗電量為1.48 kWh；K2 處理燈板功率損耗為44.24 W，運行時長為184 h，總耗電量為3.72 kWh；K3 處理燈板功率損耗為34.90 W，運行時長為84 h，總耗電量為2.93 kWh。調控策略組3個時期總耗電量為8.13 kWh，而對照組的燈板功率損耗為74.19 W，3 個時期總耗電量為16.62 kWh。

人工光型植物工廠可有效縮短育苗周期，提高種苗質量，實現種苗的標準化與工廠化生產，但因其建設成本高和耗電量大等問題導致難以推廣普及［5］。降低人工光型植物工廠的用電成本就必須提高育苗系統的電能利用效率（Electric Energy Use Efficiency，EUE）和光能利用效率（Light Energy UseEfficiency，LUE）［33］。與CK 相比，本系統使用的黃瓜幼苗光強需求階梯節能調控策略的LED 光源耗電量分別降低了64.38%、40.31%和52.99%，總運行成本降低了51.08%。但由于種苗各個時期培育時間與LED 運行功率不同，因此，當每個時期分別進行耗電量評估時與總運行耗電量存在一定的計算誤差。

4 結論

針對植物工廠培育平臺層高固定、能耗高且難以匹配種苗生長光需求等問題，本研究開發了基于PLC 的種苗精準光培育平臺及其控制系統，針對種苗生長發育過程中株高與光需求的變化進行節能補光調控。試驗表明，在相同光強處理下，通過對比種苗精準光培育平臺與傳統層高固定平臺對比，幼苗表型參數與壯苗指數無顯著性差異，且該平臺可節省40.65%的電能損耗。因此，本平臺具有較高的實用性，有良好的推廣應用前景。