蔬菜温室的光度测量及自动控制系统设计

摘 要：自动控制技术的进步，促进了国内温室大棚自动控制技术的发展。文章介绍了光照对作物生长的影响及光照控制需要注意的问题；选择了合适的光敏元件及电路，高计了低成本的控制系统，应用表明，效果较好，实现了温室光照控制的智能化管理。

关键词：监测系统；传感器；光照强度；光合作用

目前，信息技术及自动控制技术发展迅速，并应用在了各个行业及部门。我国作为农业大国，地域广阔，温室大棚保有量较大，其生产的现代化水平直接关系到人民的生活质量。纵观国内各农作物产区，其农业生产条件不一，旱涝灾害常发，使得农作物产量不高，质量不好，温室大棚的作用更为突出。

目前，国外温室的控制系统已实现或正在向完全自动化及无人化的方向发展，尽管我国已对温室控制系统中的气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等因素进行了研究，但其实用效果并不理想，与国外还有很多差距，很多方面仍需要改进。因此，研发低成本、低功耗的经济型、实用型温室智能控制系统前景广阔。

温室环境控制技术是温室智能控制技术的重要组成部分，其中主要包括温湿度控制、二氧化碳浓度控制、土壤情况控制、光照强度控制等技术，其中的关键技术之一是光照强度控制。因光照是植物光合作用的首要因素，影响着植物的产量和质量，所以通过研究光照强度的控制运用于农业具有重要意义。

1 光对作物的影响

植物的生长离不开光合作用，在這一过程中，光对植物的影响是最关键的因素之一。光照不足或过强，都会使光合作用减弱，植物生长缓慢，植物只有在适合的光照强度下才能良好生长，开花结果。实验表明，植物的生长速度与光照强度在一定范围内成正相关的关系。传统意义的光指阳光，在溫室中，采用人造光源也可以达到相同的光合作用效果。控制光照的强度，照射的时间、分布情况等，都会影响作物的生长。

2 光的控制

温室光的控制主要有两个方面，一个是光的种类，另外是光的强度或时间，光强度高，作用时间长，则相应的光合作用产生的能量也高。不同的作物对光的波长有不同的需求，同一种作物在不同阶段对的需求也不相同。因此，需要对不同作物，在不同阶段进不同的光照控制，以达到促进作物生长、提高产量的目的。如使用黄色薄膜，可使黄瓜生长加速，使豆类更加茁壮等。当光照强度不足时，需要对作物进行补光处理，如阴雨天、冬春季等时节。补光控制主要有两种方法，一是人工光源进行补充，另外是控制温室草苫的揭盖时间，增加或减少光照。需要注意的是，补光要注意结合控制温室内的温度高低。

光照对于温室而言，光合作用为蔬菜生长提供能量，同时光合作用释放的能量也为温室的环境提供了温度保障。当然，光照强度达到一定值时，作物光合作用与呼吸作用平衡，再增加光照，光合产物也不再增加。因此，光照的时间及强度并不是越大越好，必须合理控制。如在夏天，光照强度大，如中午以后，光照强度达到最大，高强度的光照会灼伤作物，同时作物气孔关闭，光合作用停止。此时，必须进行遮光处理，才利于作物生长。一般温室采用遮阳网对光照时间进行控制。

系统控制时，主要是光敏元件接受信号，转换后启动遮光网控制器件。需要注意遮阳网的启停也要考虑温室温度的高低，温室内温度偏低时，也应控制设备打开遮阳网以利于温度上升。检查光照强度低于光照下限时，遮阳网应关闭。

3 光照元件及电路

传感器是控制系统不可缺少的元件，光电传感器则是将测量的光照量转换为电信号强弱的元件，主要由光源、光学通路光电元件组成。目前的各类光电传感器中，首选价格低、推广容易的光敏电阻传感器。本研究选用PCF8591作为A/D转换芯片，该芯片包括1个串行数据接口线，1路模拟输出和4路模拟输入。工作时，待机电能耗小，8位逐次逼近型，模拟电压范围为VSS（电路供电压）到VDD（芯片工作电压）。对于光强度的测量，使用美国TAOS公司的TSL2561芯片，具有速度快，能耗低，测量范围宽、可编程灵活等优点。传感器与单片机接口电路如图所示。

4 控制系统的设计

整个温室系统的设计可分为三个部分：第一是控制策略，对光照的补充、温度的高低控制、通风、灌溉等；其次是温室内部环境的控制，光照强度、温湿度、土壤湿度、作物等；三是外部环境条件，太阳辐射、降水等。在此基础上，对光照控制进行研究。其设计思路如下：

对温室的光照强弱进行实时采集，经元件转换为模拟值进行传输；传输来的量值进行指令控制，调整光照强度的量；对调节指令进行对应控制器的控制，通过改变光源，达到光照调节的目的；完成初步调节后，再次进行光照强度的采集，对比系统设定值，以实现合理的光照。

通过使用上述系统，对某蔬菜温室大棚进行光照控制实验，作物生长良好，与人工控制相比，生长期缩短，产量提高，基本达到了控制目的。

5 结语

温室大棚光照系统的实施，是温室自动控制的一部分，通过采用光敏元件对光照信号的接受，单片机进行模拟信号的转换，通过电路设计，实施控制策略，对温室光进行了有效的控制。对比系统使用前后，使自动控制系统的实施，是本文通过光敏传感器接收光照信号，单片机转换模拟信号，实施调节方案实现光照控制的补光控制和遮光控制。有效的控制光照，使温室内蔬菜产量增加、质量提高，达到了控制目的。

参考文献：

[1] 于海业，发达国家温室设施自动化研究的现状[J].农业工程学报，1997，13：3-5.

[2] 董文国，蔬菜温室大棚智能控制系统的设计[D].曲阜师范大学，2012：112-115.

[3] 彭宏丽，温室环境智能监测与控制技术的设计[J].科技情报开发与经济，2007，（8）：159-160.

作者简介：刘文（1994-），男，汉族，山东滕州人，本科，研究方向：自动控制技术。