基于LED光源的植物生長(cháng)動(dòng)態(tài)補光控制系統設計

基于熒光檢測的動(dòng)態(tài)補光系統是利用MINI-PAM監測番茄實(shí)際光合效率和LED組合光源補光相結合指導溫室番茄種植，定量的分析熒光參數并解決了科學(xué)適量補光問(wèn)題。該系統由上位機總控制中心，自主開(kāi)發(fā)設計的STM32單片機的溫室信息監控系統，提供穩定電流的可編程恒流源，大功率紅、藍光LED組合光源和MINI-PAM便攜調制式熒光檢測儀組成。STM32單片機溫室環(huán)境因子監控系統和便攜式調制熒光檢測儀分別測量記錄環(huán)境信息和熒光參數信息，從這些信息分析計算出LED組合光源的亮度和最佳紅藍光比例，最后上位機控制可編程恒流源驅動(dòng)LED組合光源，最后達到動(dòng)態(tài)補光的目的。

0 引言

光合作用是是生物界所有物質(zhì)代謝和能量的物質(zhì)基礎，植物在光合作用的原初反映，將吸收光能是以較大的熒光方式釋放的，因此葉綠素熒光與光合作用有著(zhù)十分密切的關(guān)系。近30年來(lái)，LED人工光源在設施園藝、植物設施栽培、太空農業(yè)中的研究已經(jīng)在全世界范圍內引起廣泛關(guān)注。通過(guò)不同光質(zhì)對草莓、蘭花等植物的研究結果表明，紅光對植物形態(tài)、調節株高具有重要的影響，對葉片的生長(cháng)過(guò)程會(huì )有促進(jìn)作用，植物的葉、莖與葉柄會(huì )伸長(cháng)，但葉綠素含量較低，生長(cháng)指標和干物質(zhì)積累也會(huì )降低。藍光對光合作用的調控作用主要集中在氣孔的開(kāi)啟、葉綠體的分化以及調節光合作用酶的活性等。POSPA等研究發(fā)現在單色藍光LED作用下，葉綠素含量最高，葉片氣孔數最多。目前，在復合光譜對植物光合生理特性的研究中，紅藍光LED組合對植物的生長(cháng)發(fā)育過(guò)程能產(chǎn)生積極影響，由于單色光處理，因此該系統以紅藍光組合作為番茄生長(cháng)的輔助光源。通過(guò)軟件對上位機、可編程電源控制的LED陣列以及MINIPAM調制熒光儀進(jìn)行閉環(huán)控制，分析在何種光照條件下最有利于番茄的生長(cháng)。

1.系統的總體結構

動(dòng)態(tài)補光控制系統是利用MINI-PAM監測番茄實(shí)際光合效率和LED組合光源補光相結合指導溫室番茄補光生產(chǎn)，該系統由五大模塊構成，上位機決策模塊是一臺工業(yè)級服務(wù)器，自主開(kāi)發(fā)設計的STM32單片機的溫室環(huán)境因子監控系統，為補光光源提供穩定電流的JBP-7510型可編程控制恒流源，大功率紅、藍光L E D組合光源和MINI-PAM調制式熒光檢測儀組成。以熒光參數為目標，在溫室環(huán)境中不斷調節可編程恒流源的輸出電流來(lái)改變LED組合光源的光照強度，進(jìn)而改變番茄的熒光參數ΦPSⅡ到期望值，達到對番茄光合作用人工調控的效果。系統的基本原理圖如圖1所示。

2.監控系統硬件設計

2.1 LED組合光源的供電模塊JBP-7510型可編程控制恒流電源為電流電源，額定工作狀態(tài)下，能輸出穩定的期望電流，為了精準的控制LED組合光源驅動(dòng)電流，達到控制光源光照條件的目的，選擇一款穩定性很高的電流源是非常重要的?？删幊毯懔髟春愣ㄝ敵鲭娏?，所以電流不受負載的影響，驅動(dòng)電流值的大小直接控制著(zhù)LED燈珠亮度，所以電流源能準確的控制LED組合光源的光強?？删幊毯懔髟措妷狠敵鲎畲鬄?5V,電壓精度為0.05%+37.5mV,電流輸出最大為10A,電流精度為0.1%+10mA.根據熒光參數上位機計算出合適的補光電流值，通過(guò)串行通信發(fā)送指令給電源，最后可編程恒流源提供的穩定的輸出電流來(lái)驅動(dòng)LED組合光源。

JBP-7510型可編程控制恒流電源在室溫25攝氏度下，驅動(dòng)LED補光光源的情況下，測試控制電流和實(shí)際電流，測試結果中的12個(gè)數據如表1所示。從數據結果分析得到，電流精度均優(yōu)于±0.2%,所以說(shuō)JBP-7510型可編程控制恒流電源電流精確度可以滿(mǎn)足系統補光電流的輸出精度。

2.2 LED陣列設計

利用LED光線(xiàn)集中、方向固定特點(diǎn)，要想做到紅藍LED在照射區域的均勻必須進(jìn)行合理的規劃和優(yōu)化改進(jìn)。番茄的補光主要用到紅藍光LED,設計的組合光源要保證番茄接收到的光線(xiàn)中紅藍光的均勻，兩種設計方案紅、藍LED個(gè)數比為1:1和4:1.陣列一：紅、藍LED個(gè)數比為1:1,LED間隔均勻排列，相鄰LED間距為10mm,陣列情況如圖2(a)所示。陣列二：紅、藍LED個(gè)數比為4:1,紅光LED和藍光LED組成一個(gè)區域，藍光LED在中心，陣列情況如圖2(b)所示。

2.3 MINIPAM調制熒光檢測儀

MINIPAM型脈沖調制葉綠素熒光儀由WALZ公司制造，本系統利用其對植物光適應下的穩態(tài)熒光產(chǎn)量Fs、光適應下最大熒光產(chǎn)量Fm等相關(guān)熒光參數值進(jìn)行測量。通過(guò)RS-232接口與上位機進(jìn)行雙向通信，實(shí)現上位機閉環(huán)控制MINIPAM和LED發(fā)光陣列。

3.番茄生長(cháng)動(dòng)態(tài)補光控制系統的軟件設計

動(dòng)態(tài)補光是基于上位機的信息收集與存儲，數據分析，下發(fā)命令來(lái)實(shí)現的，動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程由環(huán)境因子監控系統，便攜式調制熒光儀和可編程恒流源協(xié)同完成，具體流程見(jiàn)圖3.

利用基于STM32F103VCT6單片機的環(huán)境因子監控模塊實(shí)時(shí)監測番茄生長(cháng)環(huán)境，把傳感器得到的環(huán)境因子傳送給上位機，當溫室內光照不足時(shí)，上位機啟動(dòng)MINIPAM并得到熒光參數(ΦPSⅡ值)返回值，計算需要補光的光強和合適的紅、藍LED組合比例，分別下達LED組合光源工作電流值命令給與COM1通信的JBP-7510型可編程恒流源， 下達紅、藍L E D 比例命令給STM32F103VCT6單片機。紅、藍LED組合光源通過(guò)驅動(dòng)電流調節自己的亮度，STM32F103VCT6單片機控制每個(gè)LED的電流來(lái)達到控制比例。單片機繼續監測光照條件，循環(huán)對比動(dòng)態(tài)補光，直到熒光參數維持在預定值。MINI-PAM定時(shí)將采集到的番茄熒光參數通過(guò)上位機的COM2口傳送并存儲在上位機上，上位機判定熒光參數是否高于或低于預定值，進(jìn)而決策控制單片機及執行機構和可編程控制電流源，實(shí)時(shí)調整溫室環(huán)境，保證最佳LED組合光源紅、藍光組合比例和亮度，使溫室環(huán)境因子控制模型成為最佳的番茄生長(cháng)模型。

4.結論

目前已初步構建動(dòng)態(tài)補光系統，并利用該系統完成了24小時(shí)熒光參數的監控。根據實(shí)際需要，以LED光源為基礎，根據單色LED及組合LED光源對植物的作用過(guò)程，設計適宜植物不同生長(cháng)階段的LED組合配比參數，并通過(guò)最佳LED光源的設計，利用LED輸出光強與熒光參數之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)將最佳匹配的光源信息及光照周期輸入到計算機系統，計算機根據所有采集上來(lái)的熒光參數和環(huán)境因子信息指導動(dòng)態(tài)輸出，實(shí)現動(dòng)態(tài)補光系統，本系統主要針對北方溫室低溫弱光的特點(diǎn)，以番茄為研究對象，在低溫弱光下的補光方式，并確立在最佳光源下、不同生長(cháng)時(shí)期、不同環(huán)境參數(水分、溫度)影響下的番茄生長(cháng)控制模型。