作者：林魁 徐永
【摘要】影响植物生长发育的光环境主要包括光质、光强、光周期3个因素，为了更加深入研究植物实际生长周期所需要的光照总量及其对光谱的响应，设计了一种基于LED不同光照模式的植物培养系统，该系统主要包括LED灯具设计及光温检测控制系统和植物水培生长装置。结果表明，该系统不仅光照分布均匀，且光环境因子和温度参数简易可控：既可对植物生长所需光环境因子和温度进行灵活设置，又能为探索植物在不同生长阶段的最优光照模式的设定方式及调控策略提供依据。
前言
21世纪的全球性课题主要集中在粮食、资源环境等方面，而植物是解决上述问题的物质基础它不仅可以作为粮食及能源植物被人类使用，而且还兼具净化空气、缓解气候变化等效果”。对于绿色植物而言，光是其生长发育过程中最重要的环境因素之一。自然界中对植物光合作用最为有效的波段是380~760nm的可见光，称之为光合有效辐射！(Photosyntheticactiveradiation,PAR)。
设施农业作为一种全天候周年可种植的生产方式，无毒害、安全可控技术的引入，在很大程度上降低了多种自然灾害的风险，成为现代农业生产过程中不可或缺的因素。以影响作物生长的光环境为例，传统农业生产一般采用棚膜、遮阳网等覆盖材料对光环境加以调控，不仅无法依据作物实际生长的光需求特性进行有效调控，而且未能满足现代农业优质高产的种植需求。在人工可控环境条件下，比如在植物工厂中，种植产业的高度自动化不仅使多种作物生长所需的光照条件得到有效控制，还延伸了对光维度的一般定义，即由原来所认识的光环境三要素(光强、光质、光周期)，扩展到光的多个维度特性(如光照模式、均匀性等)。不但丰富了人工控制植物生长发育的途径，而且对于深入探究不同维度或多种途径的综合效益同样具有重要意义(。对于现代设施农业而言，仅针对植物的生长或全人工光种植的植物进行补光的栽培管理方式，不仅会消耗大量的电能，也会因光照太强或是有些光谱成分无法被植物真正吸收利用而造成能源的浪费切，因此提高光照效率尤为重要。
光照模式有别于传统定义的光的周期性照射(包括间歇光照、即刻光照、延迟光照和无光照等)，它是光强、光质与光照时间三者的有机结合，拥有更为复杂的模式组合。此外，以特定植物的吸收光谱响应曲线为基础，结合植物实际生长周期所需光照总量”的光照模式不仅在减少能耗方面有着更为突出的优势，对于植物的生长及其体内有效物质的积累等方面更具显著的影响。光照模式可以表征单位时间内，植物在不同照射模式中所接收到的总的光能量密度，单位为(molm2)。1天内植物所能接收到的光总量称为日光积分(DayLightIntegral)。刘文科等中1指出日光积分不足是限制许多园艺作物生长的因素(一般DLI最小平均值应为10~12mol(m2·天)。其课题组曾就1天内用多个不同的光照模式在相同的光能量密度下对生菜进行照射实验后发现，不同的光照模式对生菜生长发育的影响有显著差异，研究光照模式对于在生产过程中选取最优的节能光照方案具有重要的意义。
然而，前人研究多关注光环境三因子中的单一因素或双因素组合对植物生长的影响，由于光环境调控的复杂性而鲜见对三因素的综合研究分析。此外，若要真正研究对植物实际生长周期所需要的光照总量及其对光谱的响应，就必须具备能够同时调控光环境三因子(光强、光质和光照时间)的光控实验装置。另一方面，对植物的光照必然引起环境温度的变化，导致间接引入除对光环境条件研究以外的环境制约因素。基于上述分析，课题组研制了基于LED不同光照模式的植物培养系统平台，主要包括实验光照控制系统(实验灯具设计及光照检测控制系统)、温度控制系统适于植物在光环境下水培生长装置。该实验平台可以对植物生长所需光环境因子和温度环境进行灵活设置，同时可为探索植物在不同生长阶段的最优光照模式的设定方式及调控策略提供依据。
LED光温控制平台总体设计方案)
图1为智能植物生长LED光温控制系统总框图。该系统是集光照控制系统和温度控制系统为一体的控制装置，不仅具备友好的人机操作界面，还能对受控对象的环境参数进行实时检测控制、实时反馈和实时调节。
该系统共设计了12组独立受控的灯箱。其中，1~9号为LED灯箱，以及3组由荧光灯构成的对照组灯箱，分别表示为FL1、FL2、FL3。
系统硬件设计
智能植物生长LED光温控制系统硬件框图采用模块化设计，主要由PLC控制器、温控模块、图2智能植物生长LED光温控制系统硬件框图光控模块和人机操作模块及报警模块组成，其组成框图如图2所示。
其中，系统控制核心为PLC(ProgrammableLogicalController)控制器，型号为西门子SIMATICS7-1200，该控制器的处理速度快，多个通讯模块可以执行高速的串行通讯，且存储容量大，具有多个IO接口，能够同时控制多个对象满足本设计的要求。
系统工作时，首先检测受控对象的光温参数，并在控制系统的LCD显示屏上实时显示。实验人员通过键盘输入所需参数，PLC读取参数后，对受控对象进行光温调节与检测。当灯箱内的环境参数(光环境参数和温度参数)超过设定值时系统会发出警报，并将采集到的参数反馈到控制系统中，系统自动进行调节。
温控模块
智能植物生长温度控制模块框图如图3所示PLC通过比较设定温度与测量反馈的温度差值，然后将控制方案送给变频器。在生长箱外部环境温度可控的情况下，通过变频器控制风扇的转速，从而实现灯箱内部温度的调节。
温控系统中的散热装置采用异步电动机驱动，与传统的直流电动机相比，异步电动机结构简单、运行可靠。变频器采用压频(V/F)控制，不仅节约电能，还能够对受控对象进行高效控制。采用变频器与异步电动机协同工作的设计方式，不仅提升了风扇调速性能，还能有效降低电机性能的不足，提高异步电动机的效率，更适宜中小型系统平台的搭建。
图4 变频调速控制原理框图
温控模块的变频器采用如图4所示的变频调速原理。温度检测装置(如热电阻)将温度信号转成电信号传给PLC控制器，PLC控制器将数据传给CPU，然后通过PWM脉宽调制驱动电路(DRIVER)对逆变模块所输出的电流频率和大小进行调节，从而达到控制异步电动机(M)启动和转速的目的。
整流模块选用三相桥式整流电路，可以保证整流桥在工作时或换流瞬间具有可靠的电流通路。采用电容滤波，能滤除某一频率的谐波电压，而对直流电压只有很小衰减。
光控模块
智能植物生长LED光照控制模块框图如图5所示。
PLC通过采样实际的光照参数，并与用户设定的光照参数进行计算，然后将控制策略传给智能电源。通过智能电源控制输出电流的大小来控制LED的开关与强弱，从而实现对植物生长光照环境的调节。
LED的工作原理是当电压大于LED灯本身的阀值电压即可点亮，灯的亮度又由电流大小决定。该系统的智能电源本质为电流源，所输出的电流大小不会随负载大小的变化而变化。它可以由用户通过上位机编程设定并输出相应电流值，从而实现植物生长所需的光照模式的控制策略。
光控模块的智能电源采用图6所示的电流控制原理。智能电源是以可控电流为输出模式的电源，该系统能够有效控制灯箱内部LED的电流大小，为植物生长提供所需光照条件。光度计通过检测受控对象的光照条件，将光信号转化为电信号传给PLC上位机，从而实现PLC的实时监控，当光照条件满足设定要求时，PLC发出控制电流大小的指令。智能电源通过串口与PLC进行通讯，实现上下位机的实时监控。
图6 智能电源控制原理框图
LED 不同光照模式实验控制系统的软件设计
智能植物生长LED光温控制系统所采用的程序语言为PLC编程语言，具有编程方式简单、功能适应性强、可靠性高、抗干扰能力强等优点与传统PC相比，当用户需要对控制方案进行调整修改时，只需要修改PLC的内部控制程序。PLC的程序常用直观易懂的梯形图语言编程进行控制，其通用性体现在PLC可以实现对开关量、过程量以及对闭环控制等过程进行处理上。
软件图7 智能植物生长LED 光温控制系统软件控制流程图
流程如图7所示，系统工作时，首先进入初始化界面，然后显示受控对象当前环境参数(光照参数和温度参数)，并提示用户是否执行前一次的参数设置。用户可以对参数进行重新设定，待系统读取参数后，开始对受控对象内部的光、温度参数进行检测，并将其进行实时显示。同时，系统通过内部的逻辑来判断当前参数是否符合用户设定要求，若参数超过设定值，系统自动执行光温控制程序，光、温控制装置就会开启。
图8分别表示智能控制系统内部的温度控制子程序(图左)和光照控制子程序(图右)。以1号LED灯箱为例，智能控制系统首先检测LED灯箱内部的温度参数 T1，然后比较用户设定的温度参数T2和T1的差值AT，通过PLC内部算法计算后对风扇的转速进行调节，使灯箱内的温度达到用户需求。
同样，对于光环境控制系统而言，系统检测灯箱内部的光照参数L1后，并与用户设定的光照参数L2进行比较，通过系统内部的运算后，对LED的电流进行调节至符合植物生长所需的光照条件。照射光源设计方案
照射光源采用LED作为主要供试光源。前人有关的实验中将LED作为研究对象，光源常以线型硬条灯形式出现，但通常存在光质分布不均的情况(图9)。
因此，该系统采用铝基板式LED点阵面板(46cmx46cm)为供试光源(图10)，贴片式LED灯珠进行表面封装，不仅重量小、寿命长、散热效率高，而且一致可靠、均匀性高，光源无论在亮度还是发光视角角度方面都比线性灯条都具有很大的优势。
点阵面板上布控24行24列共576个贴片式LED灯珠以填充整个铝基板，贴片灯珠采用有序间隔布控的方式。具体地，LED1和LED2中心距离为1.8cm，LED5在LED1和LED2中垂线上且距离两者等分点的距离也为1.8cm，其他灯源的布控以此类推。面板四周均预留约2cm的空隙。每个贴片灯由红、绿、蓝三种LED颜色构成：每种颜色经PCB布线，只留电源进线公共端和三种颜色独立控制的公共端。
LED 光温可控植物培养系统
LED光温可控植物培养系统如图11所示。PLC光温控制系统连接自制植物培养架，整个架子高度2.1m,长度1.8m,宽55cm,共分为4层。每层净高50cm，留底10cm，架子底部设置可控滑轮，方便架子的移动和固定。每层架子又被隔板分为3个隔层，隔板由KT板和反光膜制成，不仅简单，而且节约成本。
其中，LED点阵面板的中间和四周留有钻孔，方便将面板固定于隔层顶部。架子上三层布控LED面板，最底层安装3组荧光灯对照。每层采用1cm厚度的三合板来用于固定LED面板和荧光灯，三合板采用保鲜薄膜和塑料加以密封：不仅方便钻孔，而且也不易受潮适于生菜生长的水培装置的设计
水培蔬菜是指根系大部分生长在营养液液层，仅通过营养液为其提供生长所需的水分、养分等有别于传统土壤栽培形式的蔬菜。水培蔬菜生长周期短，富含多种人体所必需的维生素和矿物质”。然而传统水培方式不仅步骤繁杂，而且成本较高，不利于实验研究。同时，中小型实验盆的使用不仅增加了清洗的步骤，而且所排弃的废液容易造成环境污染。因此，课题组设计了一种适于生菜生长的简易水培装置(图12)，以解决上述问题可能带来的对实验的不利影响。
将黑色KT板裁成长33cm、宽度24cm的矩形，然后在板上等分裁剪出4×3共12个直径32mm的定植孔;采用内径长31.2cm，宽22.3cm，高7.2cm的长方形塑料自盆作为盛装营养液的容器;生菜定植前，用大号黑色塑料袋套在白色塑料盆内部，可以有效避免因光照进入营养液而导致苔藓和浮游生物的滋生。然后将营养液注满白盆;在所裁剪的KT板的定植孔上，用上口内径为32 mm，外延直径为45mm，高度为1.4cm的定植篮作为固定生菜茎部的容器，将直径为32mm，厚度为2.8cm的圆形定植绵对半裁剪至高度为1.4cm的定植棉，将生菜茎部卡入定植棉中心用于卡入生菜茎部的通孔，然后将定植棉将其嵌入至定植篮，最后将其移至KT板的圆孔上。
系统光照均匀性的分析
通过测试LED光温可控植物培养系统内部的三维均光特性(图13)，结果表明，所研制的LED不同光照模式植物培养系统较传统实验平台(图9)不仅光照分布更为均匀，而且光环境因子(光强、光质、光周期)和温度参数简易可控。能够有效解决植物在实际实验中对光照模式和温度的不同需求，同时也能将其运用于如植物组培苗或实生苗的栽培实验。
小结与展望
该设计主要研制了基于LED不同光照模式的光照控制系统(实验灯具设计及光照检测控制系统)、温度控制系统、适于植物在光环境下水培生长装置。结果表明，植物培养系统平台不仅光照分布更为均匀，且光环境因子和温度参数简易可控。既可对植物生长所需光环境因子和温度环境进行灵活设置，又能为探索植物在不同生长阶段的最优光照模式的设定方式及调控策略提供依据。但笔者同样发现，该设计中还有一些地方值得后续进一步进行优化设计，主要包括：
①不同植物生长对湿度、CO2浓度都有特定的需求，因此可以在本控制系统的基础上，通过外接多个其他环境因素的控制模块，以实现多因素可控的智能培养方式。②本设计采用智能电源对LED进行控制，从控制效率的角度来说，智能电源采用线性电源结构，效率较低。如果采用PWM(脉宽调制)的方式则效率更高。但这种脉宽调制方式会使得照射出的光产生高频的闪动变化，而这种模式涉及植物对光频率响应的变化，也会是个很有趣的研究课题。③由于该系统采用模块化设计，因此从美观角度来说，略显凌乱。后续设计可以采用集成化设计理念，将所有的控制模块都集成于一块PCB板上(如将控制电机的变频器也合在一块板上)。人机操作模块也可以搭建多个APP，通过数据库传到远方，实现远程控制。④从均光三维图可知，仍存在局部灯源电流控制的不稳定性，可采用多模块独立控制，不仅可有效避免各灯源间因电流不平衡造成的干扰，也可以达到同一时间内各灯源的均一性，防止电网电压造成的冲击。⑤水培装置可以进一步改进为可简易升降或简易加液式的类型。
