基于作物生长的智能补光系统的研发和应用

闫嵩　杜彦芳　田海涛　腰彩红　王建春　李扬

摘    要：补光灯可以有效解决我国北方冬季设施温室中普遍存在寡照、连阴，无法满足植物日常生长需要，影响产量和品质的问题。本文研发了一种基于作物生长的智能补光控制系统，包括本地硬件控制设备和云端服务软件系统两部分，硬件与软件之间通过4G连接，在确保硬件安全性基础上充分考虑用户使用习惯，实现了LED补光灯的本地面板、本地智能、远程APP和远程智能控制，并结合作物生长情况制定了科学合理的补光策略。在草莓温室开展对比试验，证实该控制设备能够持续、稳定的对补光灯进行启停操作，数据传输稳定，平均响应时长1.28 s，能够满足日常生产实际使用需要。通过补光灯的引入，相比于对照区域，使用补光灯种植的温室草莓单果质量提升不少于7%，成熟果个数增加超过15%。本文提出的设备、系统和方法，可以有效辅助生产，借助补光灯达到提前上市，增产增收的效果。

关键词：补光系统；设施温室；智能控制；调控策略

中图分类号：S224; S667.9           文献标识码：A         DOI 编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.09.013

Development and Application of Intelligent Fill Light System Based on Crop Growth

YAN Song DU Yanfang TIAN Haitao YAO Caihong WANG Jianchun LI Yang

（1. Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China; 2. School of Electronic and Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In northern China， insufficient light is common in facility greenhouses， which cannot meet the daily production needs of plants， affecting the yield and quality. This paper had developed an intelligent light fill control system according to crop growth， including local hardware control equipment and cloud service software system. Through 4G connection between hardware and software， it supported a variety of control modes of LED fill light， and fully considers hardware security and ease of use. A scientific and reasonable light-filling strategy was developed according to the crop growth. The experiment in the strawberryproved that the device could continuously and stably control the fill light， the data transmission was stable， and the average response time was 1.28 seconds， which can meet the practical needs of production.Through the introduction of fill light， compared with the CK area， the weight of single fruit increased by no less than 7%， and the number of ripe fruits increased by more than 15%. The devices， systems， and methods proposed in this article can effectively assist in production， achieving the effects of early market entry， increased production， and increased income with the help of supplementary lighting.

Key words： fill light system; facility greenhouse; intelligent control system; regulation strategy

光是影響植物生长的重要元素之一[1]，充分的光合作用可以有效促进作物生长[2-4]。北方设施温室中，相比于春秋季，冬季的光照时长更短，早晚的光照强度更弱，经常存在寡照情况，造成植物生长所需的光照不足，影响果实的成熟度和色素、营养元素、可溶性固形物、糖分的累积[5]。研究表明，使用植物补光灯可以有效改善北方日光温室冬季种植过程中光照不足的情况，延长植物光合作用时长，促进生长，提升作物的产量和品质[6-8]。现阶段温室补光主要使用LED灯。相比传统的高压钠灯、荧光灯，LED灯具有能耗低、体积小、寿命长、冷光源不伤植物的特点，已经逐渐被农户接受[9-11]。

现阶段的研究主要集中于光环境与作物生长发育之间的相关性，大多分析了光质、光周期、光照强度、冠层光利用率等对作物生长速率、生物量、色素、品质、产量、代谢产物等的影响。部分研究探讨了作物不同生长阶段、不同叶位的需光差异性，建立了相应的光环境优化调控模型。岳高峰等[12]通过试验，验证了不同补光时长对草莓开花及产量品质的影响，证实补光时长为6 h时，草莓植株生长发育状况、花期、叶片叶绿素含量、果实产量和果实品质等指标均达到最佳，产生的社会效益和经济效益最明显。李玟等[13]研究了一种新型UV-B補光灯对茄子幼苗生长、抗性生理及抗病性的影响，证实在大棚内适当进行紫外补光能够有效抑制植株徒长、增大叶片面积、提高壮苗指数、增强叶片抗氧化酶活性、提高植株抗病性。王昊等[14]以草莓为试验材料，激光植物生长灯为光源，研究了日光温室顶端补光、水平补光位置对光合特性、光能利用效率和电能利用效率的影响，确认顶部补光下植株的根部发育更好，水平补光下植株的茎粗更粗，2种方式的果实所需光量子数和所消耗电能差异不显著的情况下，两者草莓果实的产量和品质差异不显著，但显著高于不补光情况。

目前补光灯设备主要通过定时开关控制，冬季每日早晚揭盖棉被前后分别进行补光，但实际上作物生长不同阶段对补光的需求不同，需要根据作物生长阶段、环境等因素使用不同的补光策略，这就需要根据实际情况定期调整补光设置。同时北方冬季日照时长短，连阴天气情况较多，为了保证植物生长需要，阴天情况下需整日补光，这就要求工作人员必须到各个温室手工启动补光灯，费时费力，容易遗漏。

针对以上问题，本文设计了一种基于作物生长情况的智能补光设备，对补光灯进行远程开关，并结合作物生长阶段和外界环境情况，构建基于物联网和大数据的统智能补光策略模型，确保植物每日光合作用充足，实现对北方冬季日光温室智能、定量补光，完成日光温室补光灯精确、智能化控制。

1 材料与方法

1.1 系统架构

系统主要包括硬件设备和软件系统两部分。其中硬件设备以主控模块为核心，连接补光灯设备、环境传感器、通信模块，外部通过电气接线集成入控制箱。软件系统包括硬件设备控制模块、云端数据交互模块、应用服务接口模块和APP前端展现模块4部分，其中云端数据交互模块和应用服务接口模块通过数据库实现信息的传输。整体系统架构如图1所示。

1.2 硬件设计

1.2.1 主控模块 主控模块使用意法半导体的STM32F103系列芯片为微控制器，具有低功耗、高性能、丰富的外设和低成本等优点[15]。通过自制电路板实现与各个外围接口的连接，包括通过RS485与传感器进行通信，通过串口连接继电器完成补光灯控制，通过4G模组与服务器通信，借助EEPROM存储智能控制规则完成设备自控。主控模块电路图如图2所示。

1.2.2 补光灯设备 本文使用的补光灯为贴片型LED植物生长灯，由天津德致伦电子有限公司提供，红蓝比为6∶1，红光660 nm，蓝光450 nm[16]，辐射半径3～4 m，灯点间距为3.5 m，功率为100 W，电压220V AC。实验温室种植区域规格约为长80 m、宽8 m、高3.5 m，采用顶部补光方式[14]，按照补光灯辐射半径估算需要分2排部署补光灯44盏。补光灯及部署位置示意图如图3、图4所示。

1.2.3 环境传感器 本文选用赛通科技温度、湿度、光照度三合一传感器，温度精度±0.5 ℃，测量范围-40～80 ℃，分辨率0.1 ℃；湿度测量精度±3%RH，测量范围0～100%RH，分辨率0.1%RH；光照度精度±5%，测量范围0～200 000 lx，分辨率1 lx。传感器通过RS485接口与主控模块连接，使用Modbus协议完成数据通信，获取温室内的环境情况，为用户依据光照度进行补光灯启动提供数据依据。

1.2.4 通信模块 通信模块主要负责本地设备和服务器端的数据交互，本文选择有人物联网4G模组（WH-LTE-7S4 V2），通过串口与主控芯片连接，使用TCP/IP协议实现本地与服务器端的通信。模块支持心跳包、注册包、断线重连等功能，保证了设备通信稳定性。

1.2.5 电气设计 控制器电源采用220 V电进行直接供电，在引入电源处加NXB-63的2P空气开关进行电路保护，避免电压波动导致设备烧毁、损坏。接入的220 V电压一部分为补光灯供电，一部分通过开关电源转换为24 V直流电压为中心控制单元供电。44个220 V/100 W补光灯分为2组，由8个继电器CZY14A直接控制通断。继电器根据主控模块以及箱体表面按钮信号动作控制补光灯的开关。电气控制箱原理图如图5所示。

1.3 软件系统

1.3.1 硬件设备控制模块 硬件设备控制模块通过Keil v5平台使用C语言开发，程序烧录在主控芯片中。负责完成与传感器、继电器、4G模组的通信，并对保存在EEPROM中的自控策略判断执行。硬件设备控制模块程序逻辑如图6所示。

1.3.2 云端数据交互模块 云端数据交互模块采用多线程模式运行，主要功能包括：使用TCP/IP协议与硬件设备控制模块通信，管理各个硬件设备的接入；对于设备上传的数据进行解析、处理，并存入数据库；从数据库获取用户控制指令，并下发给硬件设备；根据数据库中的策略进行判断，对需要执行的控制指令插入数据库中，触发执行。程序使用Visual Studio 2013平台C++语言开发，与MySQL数据库交互，与应用服务接口模块和APP前端展现模块隔离，保证了本部分功能的独立，便于后续升级。云端数据交互模块流程图如图7所示。

1.3.3 应用服务接口模块 使用MyEclipse平台Java语言开发，Tomcat8.0部署，负责接收前端指令，与MySQL数据库连接，完成数据交互。主要功能如图8所示。

1.3.4 APP前端展现模块 APP前端使用Android Studio平台，HTML、JavaScript语言开发，通过应用服务接口模块完成与系统对接。整体功能包括环境数据展现、历史数据查询、手动控制、智能控制设置等。其中环境数据展现直接展示最近采集到的温度、湿度和光照度数值；历史数据查询界面支持按照传感器和时间端筛选，能够按表格和按曲线2种方式展现，支持数据导出至Excel；手动控制界面可以根据需要手动触发补光灯开、关，也可根据需要手动设置补光时长，避免人工开关时遗忘情况；智能控制设置支持按照时间段设置补光燈定时、定量启动，也支持在时间段内通过判断光照度自动启动补光灯，满足园区根据作物不同生长阶段的个性化补光控制需求。部分页面如图9所示。

2 结果与分析

2.1 设备部署

为检验智能补光灯控制设备的应用效果，于2022年11月在天津市北辰区鼎牛合作社部署相关设备，并开展设备性能测试。补光灯部署效果如图10所示。

2.2 设备响应时长实验

智能补光控制设备可通过本地面板、本地智能策略、远程APP和远程策略4种模式控制。所有的补光灯启动和停止操作均可通过网络上传至服务器，但通过本地面板和本地智能策略启动的过程服务器端只记录设备反馈开、关结果的时间，因此没有启动时间，只能通过人工现场计时判断。而通过远程APP和远程策略启动的记录，服务器会记录数据处理的启动时间和设备执行完成后的反馈时间，可以通过两者的时间差计算相应时长。具体4种控制模式的响应过程如图11所示。4种测试过程现场均通过人工验证补光灯的实际启动和停止。于2022年11月29日分2组补光灯，每组开展4次试验，统计结果如表1所示。

试验表明，补光灯设备100%按照操作内容启动或关闭，平均响应时长1.28 s，响应时效及执行准确度均达到实际使用需要。同时对2022年12月整月观测设备执行结果，结果发现100%执行到位，证明设备稳定性较好，能够满足园区长期补光使用。

2.3 补光应用效果试验

为验证补光灯对作物生长效果影响，于2022年12月—2023年2月开展试验。温室种植草莓，品种为红颜，种植周期为2022年9月—2023年5月。温室种植区域长80 m，宽8 m，高3.5 m，通道宽1.1 m，畦宽0.5 m，畦间距0.6 m，共种植草莓70畦，每畦2行，行距0.3 m，每行40株，株距0.2 m。选取2栋相邻温室，一棚补光，一棚对照，补光温室分2组采用2组不同策略补光（图12）。其中策略1为从早晚各开2 h，并根据作物生长阶段不同逐步延长至早晚各开3 h；策略2为早晚各开2 h，并根据作物生长阶段不同逐步将晚间补光时长延长至4 h。同时设置阴天叠加补光策略，即当室内光照度在9：00—15：00期间，当光照度持续半个小时以上小于10 000 Lx发送提示，由园区管理员判断是否启动补光灯。此外，除补光灯的其他操作全部一致，对比种植效果。

本文在草莓成熟初期开展2次试验，每次随机选择补光灯区2畦、对照区2畦，分别统计成熟果个数和质量。统计结果如表2所示。从表2可以看出，补光区成熟果个数多于对照区，其中采用策略1和采用策略2的成熟果个数分别超出对照区18%和15%，而总质量方面则分别超出对照区26%和27%，单果质量分别超出对照区7%和10%。这说明补光灯对于作物增产，早上市具有明显的效果，同时采用策略2的补光模式虽然成熟果个数不如策略1，但在单果质量方面更胜一筹，但整体2种策略差别并不明显。因此园区可以根据实际需要采用合适的补光策略，达到增产增收的效果。

3 讨论与结论

人工补光是冬季北方日光温室种植作物提高产量和品质的重要手段。近年来国内外学者在补光灯对植物生长的效果、布放位置、补光时长等方面开展了大量的研究，为补光灯在实际应用中提供了较好的理论依据和数据基础。本文在前人工作基础上，研发的智能补光控制系统实现了补光灯的远程控制，并将补光策略融入了系统，解决了补光灯在应用过程中需要人工现场启动，管理复杂的问题，极大地降低了补光灯推向市场的难度。系统使用自主研发的电路板对补光灯设备的开关进行控制。控制箱体从安全性、操控便利性方面综合考虑，配备了本地面板控制按钮，满足本地控制需求。同时，设备通过4G与服务器端连接，借助APP实现远程及智能控制，支持根据时长和阈值对设备进行启停，满足用户个性化控制需求。通过设备响应时长试验和稳定性观测，确认设备能够满足长期、便捷使用需要。开展了2种基于作物生长期的补光策略试验，试验结果表明，与对照区相比，单果质量提升超过7%，同期成熟果个数增加15%，通过补光灯可以有效的提升草莓的产量和上市时间。农户可以在实际生产中，根据需要采用合适的补光策略，达到增产、增收目标。

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