基于植物专家系统的智能LED光照控制系统设计

范　玮，程予任，孟昭阁，刘　济

(华东理工大学信息科学与工程学院，上海 201424)

0　引言

光照是植物生长至关重要的条件。光环境不仅影响植物的光合速率，还参与调节植物每个生长阶段的生理过程。因此，光照控制系统的创新尤为重要。

当前，国内的植物工厂普遍通过遮盖或开关光源来调控光环境。这些方法不仅无法调控各波长光的发光强度和比例，还存在部分光谱被浪费、光谱匹配不理想、光能利用率低等缺点。此外，工厂大多使用的是高压钠灯等传统光源，属于热光源。其大量产热使环境温度升高，降低了实际经济效益。LED光源波长范围窄、光谱可调性好，可以组合出更适宜植物生长吸收的波长。同时，冷光源LED体积小，可以实时使用不同波长组合的光，分别对不同位置进行多种方式的照射，如点照射、面照射、大面积补光等，对植物生长发育有显著的促进作用。

目前，仅少数国家研发成功先进的光照控制系统，例如基于嵌入式CPU改变输出脉宽调制(pulse width modulation，PWM)占空比来调节补光灯的亮度、采用无线传感器网络技术进行远程监控等[1]。日本第一座自动控制植物工厂于1974年问世，至1998年其已有该类型的植物工厂近40个。美国以垂直农业模式和LED创新应用推动该技术[2]。欧洲则主要由飞利浦、PlantLab等大公司以及Greenhouse Horticulture Team科研所等合作开展LED立体栽培和温室补光的示范试验。

如何有效进行光环境调控的问题引起了许多学者和企业家的高度重视，已成为研究热点。现有研究大多集中于温湿度环境参数调控和周期补光[3]，如：集装箱植物工厂自动控制系统采用顺序控制进行营养液循环和LED定周期补光[4]；基于无线传感器网络的智能生态保障系统可以调控植物生长的水环境[5]；植物园无线网络智能管理监测系统可以智能控制园内照明[6]。当前，该领域大部分光环境调控研发方案和产品仍采用定光强、定光波长比的光照方式[7]，很容易造成光照不足和光照过度的现象。国内具有自主知识产权的智能LED光照自动控制系统的研发基本还是空白。

1　植物光照控制专家知识

光是植物生长发育所需要的主要环境因素，其主要通过3个参数影响植物生长，即光质、光照度和光周期[8]。

1.1　光质对植物生长的影响

光质即光的波长，它既能作为一种能源控制光合作用，又能作为一种触发信号影响植物的生长。叶绿素是影响植物光合作用的重要色素，植物的叶绿素a、b在红橙光和蓝紫光波段有两个吸收峰。

不同波长的光对植物的生长发育、种子萌芽、开花结果及形态建成等方面的影响各不相同。光谱范围对植物生长的影响如表1所示[9]。

表1　光谱范围对植物生长的影响Tab.1　The effects of spectral range on plant growth

自然光辐射的光谱不能被植物全部吸收。植物主要吸收波长为595～700 nm的红橙光和370～435 nm的蓝紫光[10]。研究表明，红橙光对叶绿素的形成及碳水化合物的合成起重要作用；蓝紫光则对蛋白质合成有重要作用，且紫外线有利于维生素C的合成。合适的红光与蓝光的光通量之比(即R/B)是确保培育出形态健全植株的必要条件。

根据不同植物的生长特性及其生长发育的需求，可以选择不同的B/R。2007年，魏灵玲等进行了黄瓜育苗试验，发现在B/R为7∶1时，黄瓜苗的各项生理指标最优[11]。2015年，杨维杰等进行了铁皮石斛培育试验，发现在红蓝比为1∶1时，可以有效缩短铁皮石斛播种阶段的生长时间；而在红蓝比为4∶1时，铁皮石斛多糖含量较高，可以有效提升铁皮石斛的品质[12]。

红蓝光质比的选择要依据具体植物所需的生长条件，如生菜要选择刺激提高茎叶质量及产量的补光方案，可以适当增加蓝光比例；西红柿要选择刺激其开花结果的补光方案，可以适当增加红光比例。植物生长发育中对不同波长光配比的需求可以由不同颜色的LED组合满足。

1.2　光照度对植物生长的影响

光照度对植物生长发育的影响程度，因植物的种类特性而各不相同。植物可根据光照度影响效果分为阳生植物、阴生植物及中生植物。植物的光响应曲线如图1所示。

图1　植物光响应曲线Fig.1　Light response curve of plant

由图1可知，光合速率随着光照度的增大将不断上升，直至光饱和点。A点为光补偿点，表示当植物光合速率随光照度的下降而降低时，植物光合作用制造和呼吸作用吸收的有机物达到平衡状态的光照度。B点为光饱和点，表示光合速率不再随光照度上升而提高时的光照度。通常，阳生植物的光补偿点较高，阴生植物光补偿点较低。光照度会影响植物的生长发育、结构特征、花芽分化以及果实产量。不同植物对光照度的需求不同，只有选择合适的光照度，才能促进植物良好生长。

1.3　光周期对植物生长的影响

植物对光照时间的需求各不相同，可以分为短日照、长日照和中日照这3类。查阅相关资料发现，光周期对长日照植物影响显著。若光照时间不足，植株花芽的形成会受到抑制；而长日照条件，则能使植株持续健康生长。不同植物对光照时间的不同需求可以通过LED光照控制系统来实现。

2　控制系统总体设计

目前，国内大部分研发方案和产品未考虑到一个重要因素，即不同植物在不同生长阶段的需光量及光辐射波长存在差异。因此，这些研发方案和产品没有真正意义上解决核心问题，即采用自动控制技术来实现低能耗、精准化的补光问题。故本文设计的光照控制系统引入植物专家系统，根据植物专家已有的研究结果，获取不同阶段的最适光照经验数据，并通过调节LED光源的三色光波长配比、光照度和光照周期，实现植物的最适光环境调控，从而保证植物一直处于最佳生长状态。该系统的优点在于调节精度高，适应性强，便于用户操作。当栽培植物的品种发生变化时，系统可以通过人机界面或控制器按键灵活地改变系统参数，将植物生长环境调节到最适光环境，减少了控制设备变更的投入，节省时间，提高了生产效率。控制系统总体结构如图2所示。

图2　控制系统总体结构图Fig.2　The overall structure of control system

控制系统采用模块化设计，包括主控制器单片机、人机交互模块、检测模块、异步串行通信模块、报警模块、LED发光模块以及电源模块。其中，检测模块包括光照度测量电路和温湿度测量电路。异步串行通信模块包括RS-232/485通信光电隔离模块、MAX232串口通信模块以及在线编程程序下载电路。LED发光模块包括光耦合PWM输出隔离电路、PWM驱动电路以及LED发光模块。控制系统软件包括单片机系统软件和上位机系统软件。系统具备上位机、主控制器联机控制和下位机自动控制这2种控制模式。此外，仅LED光源通过PWM控制的方式实现连续控制，其他设备均通过电磁继电器实现开关控制。

2.1　人机交互模块

上位机实现基于植物专家系统的光照度和各色光波长配比的设置，并显示监测结果，采用键盘辅助设备进行参数调整。

植物专家系统由知识库、推理机、综合数据库、知识获取这4个部分构成。首先，将植物专家试验分析得到的、关于植物生长最适光照度的知识存储在知识库。然后，推理机针对当前不同植株的不同生长时期，利用系统已有的专业知识获取相应数据，并采用逆向推理反复匹配知识库中的规则，得到光照的最适值。推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，暂时存储于综合数据库。此外，通过知识获取扩充、修改知识库中的内容。

2.2　检测模块

检测模块实时检测红、蓝和红外光的光照度及环境温湿度，对检测信号进行处理后将其传入单片机，实现对温湿度、光照数据的采集。

光照度检测要求光照度传感器瞬时检测3种光单色的光照度，可采用两种检测方案：①在普通光照传感器基础上加滤镜，分别用3个传感器检测3种光的光照度，共同组成系统所需光传感器；②采用1个传感器，通过单片机控制不同LED的关闭，检测当前单色光光照度。此外，植物生长光照模块包含了可见光和红外波段光的测量模块。在红外频段测量时，要求检测红外波长的传感器能够检测450～700 nm波段的光谱，从而保证检测模块测量值的准确性。温湿度检测采用可以同时检测温度和湿度的数字传感器，要求可检测温度范围为0～50 ℃(精确度为±1 ℃)、湿度范围为20%～90%(精确度为±4%)。为了避免数据传送时出现冲突，在数据输出端接上拉电阻。

2.3　报警模块

报警模块包括声音报警和LED灯光报警。当系统检测到温度、湿度等参数超过警戒值或发生错误时，系统发出控制信号驱动LED灯光报警和声音报警，提醒操作者进行相关处理，直到系统复位键被按下，停止报警。在打开LED 紫外线灯进行灭菌操作时，声光报警提醒人员离开。

2.4　LED发光模块

LED发光模块采用三路恒流驱动电路。该模块利用PWM控制技术，分别控制红、蓝、红外三色LED光源的发光亮度，得到与植物专家系统匹配的、最适宜植物生长的3种光的单色光照度，以及最适配比的光环境。

本光照控制系统的软件包括单片机系统软件和上位机系统软件。单片机软件采用循环扫描的方法读取各光照和温湿度传感器采集的数据，并进行运算。在联机模式下，单片机与上位机之间通过串口中断程序实现通信，单片机打包传感器数据上传至上位机，并接收上位机发送的控制信号，输出给光照驱动模块和温湿度控制设备。在单机模式下，单片机根据传感器检测数据和内置设定值的偏差，进行控制运算，并自动向各控制设备输出控制信号。上位机软件系统主要实现植物专家系统、现场数据监控与处理、人机交互操作、串口通信和全系统控制等功能。其中，数据监控和处理功能是将环境参数以动态数据、曲线、表格等各种方式实时显示并存储，而且可自动超限报警。

3　光环境和温湿度控制方案

3.1　光环境控制方案

光环境控制方案采用闭环自动控制系统。该系统由两部分组成，一部分是植物专家系统所得控制信号的正向通路，另一部分是光照传感器所得检测信号的反馈通路。该系统实现了对3种光单色光照度及配比的实时检测和控制。以红光光照度控制为例，光照度控制方案如图3所示。蓝光及远红外光的控制方案类同。

图3　光照度控制方案Fig.3　Control scheme of illumination

在主控制器自动控制模式下，植物专家系统需预先设定该时期植物生长最适合的3种光的单色光光照度值以及比例。单色光传感器实时检测红、蓝和红外光的单色光光照度，由单片机采集到光照度的数字信号后，将当前的采样值通过串行通信传送给上位机。当光照度高于或低于其设定值时，根据设定值与实际值偏差，计算出控制量并下传到单片机，由单片机分别产生对应的PWM控制信号，计算对应PWM控制信号的占空比；通过三路LED控制电路，调整LED发光模块中各单色光输出的光照度及三色光比例。该方案可根据植物的需求，调节光波长配比，满足单位面积上光合作用所需的照度值。

3.2　温湿度控制方案

单片机通过温度传感器实时对温度进行检测，根据控制要求打开或关闭加热源。若温度过高，还要考虑开启冷风机，从而实现温度自动控制，使植物温室保持在最适宜的温度。温度控制方案如图4所示。湿度控制方案与温度控制方案相似，但执行器为电加湿器与除湿机。

图4　温度控制方案Fig.4　Control scheme of temperature

4　结束语

光环境对植物生长有重要的影响。由于目前国内的光环境控制系统较为落后，所以在LED飞速发展的背景下研究光环境控制系统有着重要的意义。本文设计的、基于植物专家系统的智能LED光照控制系统，选择红、蓝和红外光三色LED组成发光模块控制植物的光照环境；基于单片机，运用植物专家系统实时设定最适宜的各色光照度配比，采用闭环自动控制的方法，可实现光环境的低能耗、高精准自动调节以及环境温湿度的自动控制，从而达到在恶劣条件下自动控制植株形态建成和生长发育的目的，带来了良好的经济效益。经软、硬件联合调试，该控制系统运行良好。

参考文献:

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