摘要: 光是植物進行光合作用的主要能量來源，光照好壞直接影響作物的產量和品質。本研究針對現(xiàn)有植物補光系統(tǒng)多以功能葉光合能力為基準進行冠層補光，導致冠層新生葉光抑制、株間功能葉位補光不足以及補光位置不能適應作物生長進行動態(tài)調整的問題，以黃瓜為研究對象，設計了一種基于植株需光差異特性的設施黃瓜立體光環(huán)境智能調控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智能控制子系統(tǒng)、冠層-株間LED補光子系統(tǒng)、冠層-株間環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)和補光燈升降子系統(tǒng)組成，通過ZigBee技術實現(xiàn)各子系統(tǒng)間無線通信。其中冠層-株間環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)分別獲取冠層和株間環(huán)境信息并發(fā)送至智能控制子系統(tǒng)，智能控制子系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境實時信息調用冠層調控模型和株間適宜葉位調控模型獲得相應調控目標值，并將其下發(fā)至冠層-株間補光燈，實現(xiàn)冠層與株間補光燈的動態(tài)實時調控。在陜西省涇陽縣蔬菜產業(yè)綜合服務區(qū)蔬菜基地分別部署立體補光設備和傳統(tǒng)冠層補光設備，并進行系統(tǒng)調控效果驗證試驗。結果表明，立體補光區(qū)黃瓜植株的株高和莖粗顯著增長，其中相比傳統(tǒng)冠層補光區(qū)平均株高、莖粗分別增長了8.03%和7.24%，相比自然處理區(qū)平均株高、莖粗分別增長了26.51%和36.03%；在一個月的采摘期內，立體補光區(qū)相比傳統(tǒng)冠層補光區(qū)和自然處理區(qū)產量分別提升了0.28和1.39 kg/m2，經濟效益分別增加了2.82和4.88 CNY/m2，說明立體光環(huán)境調控系統(tǒng)能夠提高經濟效益，具有應用推廣價值。

　　關鍵詞: 設施光環(huán)境；ZigBee；黃瓜葉位；立體補光；智能調控；PWM

　　1 引 言

　　光照是植物進行光合作用的首要條件，直接影響作物的產量和品質[1-3]。設施栽培受溫室結構、薄膜覆蓋、霧霾及雨雪天氣等因素影響，設施內自然光投透射率僅為外界環(huán)境的30%~60%，造成作物光合能力受限，不能滿足生長發(fā)育需求，進而影響產量和品質[4-6]，因此，借助人工補光技術是實現(xiàn)設施農業(yè)增產提質的重要保障措施。

　　近年來，科研團隊在設施光環(huán)境智能調控方面已開展了部分研究[7-10]。Pinho等[11]研究發(fā)現(xiàn)動態(tài)調整光強度不僅可以促進生菜鮮重增加，還可以降低能耗，進而設計了一種適用于植物工廠的動態(tài)補光控制系統(tǒng)。劉曉英等[12]開發(fā)了一種光參數(shù)柔性可調的發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）光源系統(tǒng)，為探究光質、光強度、光周期對設施作物生長相互影響規(guī)律提供了一種靈活的光參數(shù)配比系統(tǒng)。上述兩種光調控系統(tǒng)用于植物工廠中葉菜類的種植，其環(huán)境因素相對穩(wěn)定可控，調控策略相對簡單。而溫室中藤蔓類作物的光環(huán)境調控系統(tǒng)較為復雜，不僅要考慮環(huán)境動態(tài)變化，如光照、溫度、二氧化碳等對光調控系統(tǒng)的影響，還需考慮作物不同生長階段的需光差異性。為此，胡瑾等[13]設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的光環(huán)境調控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用自然光中太陽高度角與紅藍光比例關系，可根據(jù)作物實際需光量進行精準定量補光，具有部署靈活、易擴展、低能耗等優(yōu)勢[14]。蘇戰(zhàn)戰(zhàn)等[15]為滿足溫室番茄光環(huán)境的自適應調控，設計了一種基于隨機森林-螢火蟲群優(yōu)化算法（Radom Forest-Glowworm Swarm Optimization，RF-GSO）模型的溫室番茄自適應調光系統(tǒng)。還有一些學者嘗試改變補光的方式來提高作物的光合速率[16-18]，并取得了一定的成效。但現(xiàn)有的設施光環(huán)境調控方式多采用冠層定量補光方式，未考慮植物冠層新生葉結構發(fā)育不健全導致光抑制或光破壞現(xiàn)象。

　　2 系統(tǒng)整體設計

　　立體光環(huán)境調控系統(tǒng)由智能控制子系統(tǒng)、冠層-株間環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、冠層-株間補光燈升降子系統(tǒng)及冠層-株間LED補光子系統(tǒng)四部分組成，通過ZigBee技術實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間無線通信，整體結構如圖1所示。系統(tǒng)設計時充分考慮黃瓜植株整株中冠層和株間的需光差異以及不同葉位環(huán)境差異，通過智能控制子系統(tǒng)協(xié)調各系統(tǒng)實現(xiàn)黃瓜整株立體光環(huán)境按需調控。冠層-株間監(jiān)測子系統(tǒng)分別采集溫度、二氧化碳濃度、光強度等環(huán)境信息，發(fā)送至智能控制子系統(tǒng)，調用移植在樹莓派中智能光環(huán)境調控模型，根據(jù)冠層-株間環(huán)境信息動態(tài)計算補光值，并下發(fā)至冠層-株間LED補光子系統(tǒng)。采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術分別實現(xiàn)冠層與株間LED補光陣列的動態(tài)調控。冠層-株間補光燈升降子系統(tǒng)自動監(jiān)測燈與作物間的距離，實現(xiàn)補光位置的手動和自動調整。

　　3 系統(tǒng)硬件設計

　　3.1　智能控制子系統(tǒng)

　　智能控制子系統(tǒng)硬件設計如圖2所示，主要包括樹莓派控制器（Raspberry Pi 3B+，1.4 GHz四核ARM Cortex-A53處理器）、觸摸顯示屏、CC2530模塊和電源模塊四個部分，具有數(shù)據(jù)處理、模型在線尋優(yōu)、無線網(wǎng)絡組建及控制指令下發(fā)等功能。由于傳統(tǒng)低性能的嵌入式設備無法移植智能算法，采用樹莓派為控制器，可實現(xiàn)基于機器學習的光環(huán)境調控模型高精度移植，完成調控目標值的在線尋優(yōu)和動態(tài)實時調控。觸摸顯示屏通過高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）方式與樹莓派相連，ZigBee協(xié)調器與樹莓派依靠通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)方式進行相互通信。電源模塊分別為樹莓派、觸摸屏及CC2530模塊提供5、5和3.3 V工作電壓。

　　3.2　冠層-株間環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

　　冠層-株間環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)由冠層和株間環(huán)境監(jiān)測模塊組成，實現(xiàn)對設施環(huán)境內植物冠層和株間溫度、二氧化碳濃度和光照強度的實時監(jiān)測，并通過ZigBee將環(huán)境信息發(fā)送至智能控制子系統(tǒng)。其中二氧化碳傳感器采用Telaire 6615-F雙通道非分光紅外傳感器，測量范圍為0~10，000μmol/mol光照傳感器為電壓型SY-HGY型光合有效輻射傳感器，測量范圍為0~2500μmol/(m2·s)；CC2530芯片將上述傳感器采集的模擬量轉化為相應的數(shù)字量，通過無線方式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至協(xié)調器。溫度傳感器采用DS18B20，測量范圍為-55℃~125℃；電源模塊為CC2530模塊、傳感器分別提供3.3和5 V工作電壓，設計框圖如圖3所示。

　　參考文獻：

　　[1] YANG F, FENG L, LIU Q, et al. Effect of interactions between light intensity and red-to-far-red ratio on the photosynthesis of soybean leaves under shade condition[J]. Environmental and Experimental Botany, 2018, 150: 79-87.

　　[2] 崔瑾, 徐志剛, 邸秀茹. LED在植物設施栽培中的應用和前景[J]. 農業(yè)工程學報, 2008(8): 249-253.CUI J, XU Z, DI X. Application and prospect of LED in plant facility cultivation[J]. Transactions of the CSAE, 2008(8): 249-253.

　　作者張仲雄 1,2,3, 李斌 1,2,3, 馮盼 1,2,3, 張盼 1,2,3, 來海斌 1,2,3, 胡瑾 1,2,3, 張海輝 1， 2， 3

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