基于多光谱连续可调的植物物联网配置系统研究

2021-09-19张莉萍

现代盐化工 2021年4期

张莉萍

（长江职业学院，湖北武汉 430000）

1 研究背景

民以食为天，食物是人类生存最基本的也是最重要的条件因素。但是，现在全球人口的快速增长、资源的有限、气候的迅速变化，都给农业发展带来了巨大的挑战。根据联合国粮食及农业组织（FAO）估计，到2050年，全球粮食产量需要增加70%才能再增加23亿人[1]。因此，农业必须进行改革创新，而引入物联网能够让农业发展更上一层楼。

将物联网与农业相结合，通过结合传感器、运动探测器、按钮相机等设备，农民可以实时对植物的生长情况还有各种参数（例如水分、土壤湿度等）进行检测。与传统操作相比，基于物联网的智能农场，可以使灌溉系统实现“一秒五喷”。

2 植物生长所需要的环境因子

在引进物联网技术之前，需要对植物生长所必需的环境因子有所了解，才能进行数据的收集和分析。因此，下面介绍植物在生长时所需要的环境因子。

2.1 光照

光照是植物（有叶绿体的）进行光合作用的必要条件，经过阳光照射，植物中的叶绿体通过一系列生物反应，可以将空气中的二氧化碳和水转化成自身生长所需的单糖，单糖经过进一步反应生成植物生长所需的有机物等。但是对于之前的农业来说，需要根据天气来定，而且预测天气是一件难事，无法准确知道未来的天气是大旱还是暴雨还是风调雨顺。物联网技术的引进可以有效解决这一问题。

2.2 水分

水分包括植物生长所需的湿度，分为土壤湿度和空气湿度，地球上所有的生物都离不开水，水是生命之源。根据植物水分可分为3种：水生植物、湿生植物和旱生植物。水浇少了会使植物生长受阻；水浇多了会使植物的根部因为缺氧产生无氧呼吸而坏掉。因此，根据不同植物生长的习性，需要制定不同的计划来浇水，通过数据监测，可以了解到植物的状态。

2.3 温度

一年四季所生长的植物有所不同，所需要种植的果蔬也不同。现在的大棚蔬菜可以让人们一年四季都吃到新鲜的蔬果，但是需要对大棚内的温度进行控制。

2.4 土壤

土壤中含有适当的水、空气和养分，能使植物健康生长。土壤中含有植物生长需要的大量元素和微量元素，如氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁等。植物通过根系吸收土壤中的水分和养分，因此，要求土壤松软度合适，有足够的氧气让植物呼吸。土壤、阳光等都是大自然给予植物生长的必要条件，虽然某些贫瘠地区的土地并不肥沃，但也不是完全没有办法，现在可以由人工无土栽培，能定向提供这些条件[2]。

2.5 肥料

在植物生长期间，施肥也是很重要的一个环节，能为植物提供足够的营养。但是，植物生长所需生长素的量是固定在一个范围内的，施肥过多反而会抑制植物的生长。在正常范围内对植物进行施肥，还可以抑制部分野草的生长。

3 系统构成

基于多光谱连续可调的植物物联网配置系统，可以实现高效生产。该系统不仅可以提高农作物的产量，还可以有效利用资源。通过对农作物数据的检测，管理人员可以知道什么时候需要浇水、浇水量需要多少以及什么时候需要用生长素等，可以有效减少资源的消耗，实现低成本、高回收。引入物联网还可以实现对农作物的实时监测，对其现阶段所需的生长环境因子进行计算，并且及时控制，可以有效提高农作物的生长效率。因为很多技术是根据计算机计算进行的，可以不受自然条件的约束，甚至可以在沙漠、戈壁等极限条件下进行农作物的种植，极大地利用了地理面积，提高了农作物的产量，有效解决了土地资源不够的相关问题。在技术的支持下，甚至还可以在太空进行作物种植，可以源源不断地提供食物[3]。

3.1 LED对于植物的影响

光质是影响植物生长的一个重要的环境因子，有效利用光质可以调节蔬菜中抗氧化化合物的合成和积累，但是因为不同品种的蔬菜对光波的吸收段不同，对每种光源的反应也不同，甚至单个植物对不同的光波进行吸收之后，生长反应也有所不同。针对此类问题，下文进行了简述。

3.1.1 光质

光作为植物生长发育的基本要素之一，光质、光强、光照时间等因素对植物的生长发育均会产生很大影响。光质可以通俗地解释为光的波长。

光质会影响植物中含有的叶绿素a以及叶绿素b对光的吸收，进而影响光合作用。在自然光谱中，只有很少一部分可见光能被植物吸收，如果红蓝光搭配合适，便能提高光的利用率。由于光谱构成的成分不同，组合起来或者单个光进行照射，对作物的影响结果都不同。例如在生菜的成长中，若是将紫光和绿光相结合，生菜的生长就会被抑制；但是用红光进行照射，却能促进其对微量元素的吸收，促进其成长。不同的光质对叶片中的叶绿素含量也有一定的影响，例如对于花青素的合成，蓝色光有促进作用，但是红光有抑制作用。

另外，光质还会影响植物的生长和形态：红光会促进幼苗的生长。例如相关研究表明，在小麦的生长中，红光具有促进作用，在红光的照射下，幼苗的干物质积累较多，影响生长；红光能降低赤霉素的含量，蓝紫光能有效提高IAA（吲哚乙酸，一种生长素，用以促进植物生长）氧化酶的活性，或者将两者相融合，能降低IAA的含量，从而抑制植物茎的生长。

光质也会影响植物对微量元素的吸收，甚至会影响植物的生理代谢。暗呼吸是植物在没有光的情况下进行的有氧呼吸，一般在线粒体进行，而蓝光可以促进暗呼吸的进行。经过一系列反应，可以进一步促进蛋白质的合成，而红光可以促进植物中碳水化合物的增加。

叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光，因此，在红光和蓝紫光的照射下，光合作用最强，而叶绿体中的色素吸收的绿光最少，光合作用最弱。根据上述事实以及相关研究结论表明，在植物的生长过程中，若是想要促进植物健康发育，单一地使用红光或者蓝光的效果有限，而LED灯可以解决此问题。例如可以运用红蓝光的组合光谱，对植物的生理代谢等进行调节。前人的实验结果表明，引进LED照明后，植物的生长周期缩短，有效减少了能耗，并且降低了成本。

3.1.2 光强对植物生长及品质的影响

光强即日常所说的光照强度，高中生物课学过，光照强度会影响光合作用的效率。虽然在一定范围内，光照强度越大，光合作用效率越高，但是，植物对于光照强度的反应有一个饱和状态，即光饱和点，过犹不及，光强超过光饱和点时，光合效率不仅不会增加，还很容易引起叶绿素的分解，导致植物产生生理障碍。另外，不同植物因为自身因素，对光照强度的要求不同，光饱和点、光补偿点也各不相同。引进物联网之后，可以针对不同的植物进行计算，针对植物生长特性的不同，指定不同的光照条件，让植物在更好的条件下生长。

如图1所示，不同温度、光强下，植物对于有机物的积累和消耗速率都不同。不同光强下，植物的净光合速率不同，引进物联网后，农业生产的目标就是实现最大净光合速率。适当地增加光强，可以提升植物光合作用的速率，提高有机物的生产速率，进而促进生长。但是，过高的光照强度会对植物造成反作用，影响叶绿素的合成，从而降低光合作用的速率，降低有机物的积累速率，减缓生长速率。相关研究表明，随着光强的减小，叶绿素的相关光谱参数在总体上呈现升高趋势；三叶青的叶片中可溶性蛋白含量呈现先降后升的趋势。某学者研究发现，高光强能够促进菊花苗中水分和养分的吸收，有利于菊花苗生长发育；增加光强能让菊花气孔导度提高，从而提高光合速率。

图1 有机物积累和消耗速率

3.2 数据传输

引进物联网技术之后，可以对植物的生长数据进行实时监测，然后设置不同的光照系统，根据所得的数据以及植物的生理特征，对光照模式、光照时间进行自动化调控。可以利用相关的计算机程序对植物的生长进行实时监测，还可以进行自动化控制，对植物环境因子进行调配。例如，用何种LED光源对植物进行照射、光强是多少、室内所需的二氧化碳浓度是多少、何时需要进行浇水施肥等，使植物保持最适宜的生长状态，大幅度提高果实产量品质和药用有效成分的极大累积，以满足不同经济作物产业各不相同的个性化需求，如花卉、叶菜、烟草、药材等。另外，由于植物在生长期间需要对其使用生长素，不同的生长素对植物的作用也不尽相同，有的植物生长调节剂可提高植物的蛋白质、糖的含量，有的能改变植物形态，有的能增强抗盐碱、抗寒、抗旱和抗病虫害能力。所以，需要根据不同时期植物的不同状态，合理地使用生长素。

数据传输不仅可以对植物的生长状况进行监测，还可以对植物生长地区进行安全检测。若是出现机器故障等问题，可以及时进行修理；若是遇上突发意外，还可以进行报警，保障相关工作人员的安全。