植物UV-B智能控制系统研制及其照度分布

黄 超，曾体贤，殷万君，田引黎，熊建云

(1．四川信息职业技术学院，四川 广元 628017; 2． 西华师范大学 物理与空间科学学院，四川 南充 637009)

光合作用是植物生长的重要生理过程，而UV-B 作为光的一个重要组成部分，其照度对植物生长起到非常重要的作用［1］．然而，大气层臭氧减少使UV-B 辐射增强．为了研究臭氧减少所致的地表UV-B 增强对植物的影响，科研人员引入了对植物进行UV-B 人工模拟增强的田间实验［2］．至今，国际上已有多位学者自行研制可调式UV-B 自动控制系统进行植物UV-B 模拟增强实验［3-6］．然而国内进行的UV-B 田间增强实验均未能较好地模拟日光中的UV-B 辐射的自然变化及波动(日变化和季节变化等)，所采用的人工光源发出的UV-B 辐射不随时间变化而变化．为此，大棚内实验迫切需要一种设备，该设备能精确控制UV-B 的照度大小，同时能动态模拟室外UV-B 强度的变化．

基于此，研发了一种大棚内植物紫外(UV-B)照射智能控制系统(包括硬件和软件)，并研究了设备在棚内的照度分布．该系统已在相关实验基地使用，运行效果良好．

1 UV-B 智能控制系统设计

1．1 硬件部分

温室中的照度及其均匀性是影响日光温室生产力的重要因素［7］． 为此本系统光源采用UVBF8T5 荧光灯管，并以0．13mm 的醋酸纤维素膜滤掉UV-C．系统硬件示意图如图1 所示，分为棚内终端控制系统和基站系统，均以51 单片机作为MCU．棚内终端控制系统负责室内外UV-B 检测，温湿度数据处理，输出显示，UVB 灯管照度控制，905 模块无线通信，扫描键盘等．基站负责与各个棚内子系统通过905 进行通信，同时与电脑进行通信．电源总线部分串接一个2 通道常开继电器，用于控制UV-B 灯管正负极同时通断，继电器通过单片机一个引脚驱动来控制．当系统未工作时，处于断开状态;反之处于闭合状态．只有当灯管处于闭合状态下，控制部分才能实现对灯管的照度控制． 灯管控制部分主要通过单片机一个端口输出一定空占比PWM波，放大后驱动由本团队自行研发并取得国家专利的光控变阻器［8］输出连续的电流信号，将其输入到电子镇流器中实现对灯管由5%照度到95%照度的控制，采用此光控变阻器可实现UV-B 灯管照度控制连续，不间断．

图1 硬件设计构造图Fig．1 The design of hardware structure

此外，为了实验结果更具可靠性，实验过程中电源稳定，灯管照射均匀，空气通风，灯管累计功率不宜过大等都是必要的因素［9］．

1．2 软件系统

本单片机系统内包括单机模式和联机模式，均有恒定和动态UV-B(室外同步UV-B)两种控制模式．单机模式是每个温室里面的控制系统手动设置，相互独立运行，不受到主机控制．联机模式是指通过电脑远程自动控制，只需在电脑上设置控制参数即可．恒定UV-B 模式指设定需要的恒定UV-B 值，系统就可以让温室内的UV-B 一直恒定维持在这个数字．室外同步UV-B 则指温室内的UV-B 值将随室外的UV-B 值按照设置的比例大小动态变化．大棚内终端主要通过while 函数不断扫描是否有电脑指令发送过来，并且将本大棚内的各种采集数据按照一定协定发送出去．电脑与大棚之间的基站主要通过while 循环下不断扫描电脑发出的指令并且按照要求接收大棚终端发送过来的数据并传送给电脑．

图2 控制软件界面Fig.2 The interface of control software

电脑软件控制界面主要由操控部分(图2 中的1)，数据显示部分(图2 中的2)和其他设置构成(图2 中的3)．操控部分设置三个子系统的工作方式，控制比例或者恒定数据大小以及采集周期．数据显示部分由表格和曲线图构成，表格显示最近五次采集的数据，曲线图显示最近30 组室内外UV-B 数据变化曲线．其他设置部分包括系统注册、com 口设置、文本数据查看、调用按钮等．工作时依靠按钮触发事件，对设置的命令参数按照一定协定由串口发送给基站，同时时刻监测串口发送过来的数据．由串口触发事件对接收到的数据经行分割、处理及保存．

2 照度分布

系统采用灯管照射模拟阳光的效果．如图3 所示，E 表示照度，H 是灯管上面任一点光源，G 是受光点，M，N 分别是发光点元H 和受光点元G 的法线方向，L 为发光点元亮度(L 为常数，与灯管长度、功率、发光效率等有关)，n 为灯管个数．推导可得到水平面G 点总照度公式为［10］:

以上计算出了线光源在一定高度为z 的受照面内任一点G 的照度．通过改变高度z 可比较不同高度的照度变化情况．以下对不同高度下对培养室内的照度进行分析．

部分实验参数为:UV-B 灯功率为15W，发光效率为50Lm/w，灯管高度z 为1．5m，灯管长度l 为0．8m，灯管间距a 为0．2m，受照面积边长为0．6m 的正九边形．根据受照面大小确定x 方向两端的坐标为x =0 和x=0．8，y 方向两端的坐标为y=0 和y=0．8．选取受照面内的81 个点带入式(1)，对z=1．5m 受照面照度计算，经绘图处理，得到照度分布情况，如图4 所示．

图3 灯管照射模拟Fig.3 Tube simulation irradiation

图4 高度z=1.5m 的照度分布Fig.4 The distribution of illumination with height z=1.5m

从图4 中可以看出，数据具有轴对称，表明受照面的照度分布是以中心灯管在地面的投影为对称轴的;此外，以区域中心为原点，呈一系列近似于同心圆的等照度区域，且中心区域照度最大，向外呈辐射状逐渐均匀递减．通过改变高度z，可以对不同高度的照度进行比较．

采用同样的方法，可获得z=1．4m 和z=1．3m 的照度分布图，如图5 所示:

图5 高度z=1.4、1.3m 的照度分布Fig.5 The distribution of illumination with height z=1.4、1.3m

从图中可以看出，受照面照度分布仍为一系列近似于椭圆的同心等照度区域，照度值随高度的减小而增大;随着高度的减小，中心等照度区域面积增大．

3 结 论

本文所研发的UV-B 智能控制系统具有功能多，稳定性好，照射均匀，照顾变化模拟性强，价位低等特点．在实验过程中，可按照图4 所示环形摆放作物，受光更均匀．本系统在大棚内进行一年多的跟踪测试，证明实用性较高．

［1］ 刘 晓，贺俊芳，岳 明．荧光动力学方法研究光系统Ⅱ原初传能过程对低剂量UVB 辐射的响应［J］．生物物理学报，2011，27(10):839 -840．

［2］ 李海涛，姚永军，周曙东．可调式UV-B 自动控制系统的研制［J］．江西农业大学学报，2003，6(25):953 -954．

［3］ CALDWELL M M，FLINT S D． Stratospheric ozone reduction，solar UV-B radiation and terrestrial ecosystems［J］． Climatic Change，1994，28(4):375 -394．

［4］ CALDWELL M M，GOLD W G，HARRIS G，et al． A modulated lamp system for solar UV-B(280 -320m )supplementation studies in the field［J］． Photochemistry and Photobiology，1983，37(4):479 - 485．

［5］ NEWSHAM K K，MCLEOD A R，GREENSLADE P D，et al． Appropriate controls in outdoor UV-B supplementation experiments［J］． Global Change Biology，2006，2(4):319 -324．

［6］ MCLEOD A R． Outdoor supplementation systems for studies of the effects of increased UV-B radiation［J］． Plant Ecology，1997，128(1):79 -92．

［7］ 杜震宇，谢秋红，贾 蕾．日光温室内太阳辐射照度分布的实验研究［J］．太原理工大学学报，2010，41(4):372．

［8］ 曾体贤，黄 超．一种数字变阻器及控制电路:中国，ZL201320213902．4［P］．2013 -10 -23．

［9］ 叶军安，尹德金，沈志强．引起紫外辐射照度计数值不一致误差偏大等原因的探讨［J］．计量装置及应用，2011，增刊1:129 -130．

［10］ 田 锋，杨体强，韩改利，等．植物培养架灯光照度分布理论与实验［J］．内蒙古大学学报(自然科学版)，2008，39(4):23-24．