基于植物專家系統(tǒng)的智能LED光照控制系統(tǒng)設計

范　瑋，程予任，孟昭閣，劉　濟

(華東理工大學信息科學與工程學院，上海 201424)

0　引言

光照是植物生長至關(guān)重要的條件。光環(huán)境不僅影響植物的光合速率，還參與調(diào)節(jié)植物每個生長階段的生理過程。因此，光照控制系統(tǒng)的創(chuàng)新尤為重要。

當前，國內(nèi)的植物工廠普遍通過遮蓋或開關(guān)光源來調(diào)控光環(huán)境。這些方法不僅無法調(diào)控各波長光的發(fā)光強度和比例，還存在部分光譜被浪費、光譜匹配不理想、光能利用率低等缺點。此外，工廠大多使用的是高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源，屬于熱光源。其大量產(chǎn)熱使環(huán)境溫度升高，降低了實際經(jīng)濟效益。LED光源波長范圍窄、光譜可調(diào)性好，可以組合出更適宜植物生長吸收的波長。同時，冷光源LED體積小，可以實時使用不同波長組合的光，分別對不同位置進行多種方式的照射，如點照射、面照射、大面積補光等，對植物生長發(fā)育有顯著的促進作用。

目前，僅少數(shù)國家研發(fā)成功先進的光照控制系統(tǒng)，例如基于嵌入式CPU改變輸出脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)占空比來調(diào)節(jié)補光燈的亮度、采用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)進行遠程監(jiān)控等[1]。日本第一座自動控制植物工廠于1974年問世，至1998年其已有該類型的植物工廠近40個。美國以垂直農(nóng)業(yè)模式和LED創(chuàng)新應用推動該技術(shù)[2]。歐洲則主要由飛利浦、PlantLab等大公司以及Greenhouse Horticulture Team科研所等合作開展LED立體栽培和溫室補光的示范試驗。

如何有效進行光環(huán)境調(diào)控的問題引起了許多學者和企業(yè)家的高度重視，已成為研究熱點?，F(xiàn)有研究大多集中于溫濕度環(huán)境參數(shù)調(diào)控和周期補光[3]，如：集裝箱植物工廠自動控制系統(tǒng)采用順序控制進行營養(yǎng)液循環(huán)和LED定周期補光[4]；基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能生態(tài)保障系統(tǒng)可以調(diào)控植物生長的水環(huán)境[5]；植物園無線網(wǎng)絡智能管理監(jiān)測系統(tǒng)可以智能控制園內(nèi)照明[6]。當前，該領(lǐng)域大部分光環(huán)境調(diào)控研發(fā)方案和產(chǎn)品仍采用定光強、定光波長比的光照方式[7]，很容易造成光照不足和光照過度的現(xiàn)象。國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能LED光照自動控制系統(tǒng)的研發(fā)基本還是空白。

1　植物光照控制專家知識

光是植物生長發(fā)育所需要的主要環(huán)境因素，其主要通過3個參數(shù)影響植物生長，即光質(zhì)、光照度和光周期[8]。

1.1　光質(zhì)對植物生長的影響

光質(zhì)即光的波長，它既能作為一種能源控制光合作用，又能作為一種觸發(fā)信號影響植物的生長。葉綠素是影響植物光合作用的重要色素，植物的葉綠素a、b在紅橙光和藍紫光波段有兩個吸收峰。

不同波長的光對植物的生長發(fā)育、種子萌芽、開花結(jié)果及形態(tài)建成等方面的影響各不相同。光譜范圍對植物生長的影響如表1所示[9]。

表1　光譜范圍對植物生長的影響Tab.1　The effects of spectral range on plant growth

自然光輻射的光譜不能被植物全部吸收。植物主要吸收波長為595～700 nm的紅橙光和370～435 nm的藍紫光[10]。研究表明，紅橙光對葉綠素的形成及碳水化合物的合成起重要作用；藍紫光則對蛋白質(zhì)合成有重要作用，且紫外線有利于維生素C的合成。合適的紅光與藍光的光通量之比(即R/B)是確保培育出形態(tài)健全植株的必要條件。

根據(jù)不同植物的生長特性及其生長發(fā)育的需求，可以選擇不同的B/R。2007年，魏靈玲等進行了黃瓜育苗試驗，發(fā)現(xiàn)在B/R為7∶1時，黃瓜苗的各項生理指標最優(yōu)[11]。2015年，楊維杰等進行了鐵皮石斛培育試驗，發(fā)現(xiàn)在紅藍比為1∶1時，可以有效縮短鐵皮石斛播種階段的生長時間；而在紅藍比為4∶1時，鐵皮石斛多糖含量較高，可以有效提升鐵皮石斛的品質(zhì)[12]。

紅藍光質(zhì)比的選擇要依據(jù)具體植物所需的生長條件，如生菜要選擇刺激提高莖葉質(zhì)量及產(chǎn)量的補光方案，可以適當增加藍光比例；西紅柿要選擇刺激其開花結(jié)果的補光方案，可以適當增加紅光比例。植物生長發(fā)育中對不同波長光配比的需求可以由不同顏色的LED組合滿足。

1.2　光照度對植物生長的影響

光照度對植物生長發(fā)育的影響程度，因植物的種類特性而各不相同。植物可根據(jù)光照度影響效果分為陽生植物、陰生植物及中生植物。植物的光響應曲線如圖1所示。

圖1　植物光響應曲線Fig.1　Light response curve of plant

由圖1可知，光合速率隨著光照度的增大將不斷上升，直至光飽和點。A點為光補償點，表示當植物光合速率隨光照度的下降而降低時，植物光合作用制造和呼吸作用吸收的有機物達到平衡狀態(tài)的光照度。B點為光飽和點，表示光合速率不再隨光照度上升而提高時的光照度。通常，陽生植物的光補償點較高，陰生植物光補償點較低。光照度會影響植物的生長發(fā)育、結(jié)構(gòu)特征、花芽分化以及果實產(chǎn)量。不同植物對光照度的需求不同，只有選擇合適的光照度，才能促進植物良好生長。

1.3　光周期對植物生長的影響

植物對光照時間的需求各不相同，可以分為短日照、長日照和中日照這3類。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，光周期對長日照植物影響顯著。若光照時間不足，植株花芽的形成會受到抑制；而長日照條件，則能使植株持續(xù)健康生長。不同植物對光照時間的不同需求可以通過LED光照控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。

2　控制系統(tǒng)總體設計

目前，國內(nèi)大部分研發(fā)方案和產(chǎn)品未考慮到一個重要因素，即不同植物在不同生長階段的需光量及光輻射波長存在差異。因此，這些研發(fā)方案和產(chǎn)品沒有真正意義上解決核心問題，即采用自動控制技術(shù)來實現(xiàn)低能耗、精準化的補光問題。故本文設計的光照控制系統(tǒng)引入植物專家系統(tǒng)，根據(jù)植物專家已有的研究結(jié)果，獲取不同階段的最適光照經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并通過調(diào)節(jié)LED光源的三色光波長配比、光照度和光照周期，實現(xiàn)植物的最適光環(huán)境調(diào)控，從而保證植物一直處于最佳生長狀態(tài)。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于調(diào)節(jié)精度高，適應性強，便于用戶操作。當栽培植物的品種發(fā)生變化時，系統(tǒng)可以通過人機界面或控制器按鍵靈活地改變系統(tǒng)參數(shù)，將植物生長環(huán)境調(diào)節(jié)到最適光環(huán)境，減少了控制設備變更的投入，節(jié)省時間，提高了生產(chǎn)效率?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2　The overall structure of control system

控制系統(tǒng)采用模塊化設計，包括主控制器單片機、人機交互模塊、檢測模塊、異步串行通信模塊、報警模塊、LED發(fā)光模塊以及電源模塊。其中，檢測模塊包括光照度測量電路和溫濕度測量電路。異步串行通信模塊包括RS-232/485通信光電隔離模塊、MAX232串口通信模塊以及在線編程程序下載電路。LED發(fā)光模塊包括光耦合PWM輸出隔離電路、PWM驅(qū)動電路以及LED發(fā)光模塊?？刂葡到y(tǒng)軟件包括單片機系統(tǒng)軟件和上位機系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)具備上位機、主控制器聯(lián)機控制和下位機自動控制這2種控制模式。此外，僅LED光源通過PWM控制的方式實現(xiàn)連續(xù)控制，其他設備均通過電磁繼電器實現(xiàn)開關(guān)控制。

2.1　人機交互模塊

上位機實現(xiàn)基于植物專家系統(tǒng)的光照度和各色光波長配比的設置，并顯示監(jiān)測結(jié)果，采用鍵盤輔助設備進行參數(shù)調(diào)整。

植物專家系統(tǒng)由知識庫、推理機、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取這4個部分構(gòu)成。首先，將植物專家試驗分析得到的、關(guān)于植物生長最適光照度的知識存儲在知識庫。然后，推理機針對當前不同植株的不同生長時期，利用系統(tǒng)已有的專業(yè)知識獲取相應數(shù)據(jù)，并采用逆向推理反復匹配知識庫中的規(guī)則，得到光照的最適值。推理過程中所需的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)論，暫時存儲于綜合數(shù)據(jù)庫。此外，通過知識獲取擴充、修改知識庫中的內(nèi)容。

2.2　檢測模塊

檢測模塊實時檢測紅、藍和紅外光的光照度及環(huán)境溫濕度，對檢測信號進行處理后將其傳入單片機，實現(xiàn)對溫濕度、光照數(shù)據(jù)的采集。

光照度檢測要求光照度傳感器瞬時檢測3種光單色的光照度，可采用兩種檢測方案：①在普通光照傳感器基礎上加濾鏡，分別用3個傳感器檢測3種光的光照度，共同組成系統(tǒng)所需光傳感器；②采用1個傳感器，通過單片機控制不同LED的關(guān)閉，檢測當前單色光光照度。此外，植物生長光照模塊包含了可見光和紅外波段光的測量模塊。在紅外頻段測量時，要求檢測紅外波長的傳感器能夠檢測450～700 nm波段的光譜，從而保證檢測模塊測量值的準確性。溫濕度檢測采用可以同時檢測溫度和濕度的數(shù)字傳感器，要求可檢測溫度范圍為0～50 ℃(精確度為±1 ℃)、濕度范圍為20%～90%(精確度為±4%)。為了避免數(shù)據(jù)傳送時出現(xiàn)沖突，在數(shù)據(jù)輸出端接上拉電阻。

2.3　報警模塊

報警模塊包括聲音報警和LED燈光報警。當系統(tǒng)檢測到溫度、濕度等參數(shù)超過警戒值或發(fā)生錯誤時，系統(tǒng)發(fā)出控制信號驅(qū)動LED燈光報警和聲音報警，提醒操作者進行相關(guān)處理，直到系統(tǒng)復位鍵被按下，停止報警。在打開LED 紫外線燈進行滅菌操作時，聲光報警提醒人員離開。

2.4　LED發(fā)光模塊

LED發(fā)光模塊采用三路恒流驅(qū)動電路。該模塊利用PWM控制技術(shù)，分別控制紅、藍、紅外三色LED光源的發(fā)光亮度，得到與植物專家系統(tǒng)匹配的、最適宜植物生長的3種光的單色光照度，以及最適配比的光環(huán)境。

本光照控制系統(tǒng)的軟件包括單片機系統(tǒng)軟件和上位機系統(tǒng)軟件。單片機軟件采用循環(huán)掃描的方法讀取各光照和溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進行運算。在聯(lián)機模式下，單片機與上位機之間通過串口中斷程序?qū)崿F(xiàn)通信，單片機打包傳感器數(shù)據(jù)上傳至上位機，并接收上位機發(fā)送的控制信號，輸出給光照驅(qū)動模塊和溫濕度控制設備。在單機模式下，單片機根據(jù)傳感器檢測數(shù)據(jù)和內(nèi)置設定值的偏差，進行控制運算，并自動向各控制設備輸出控制信號。上位機軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)植物專家系統(tǒng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理、人機交互操作、串口通信和全系統(tǒng)控制等功能。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理功能是將環(huán)境參數(shù)以動態(tài)數(shù)據(jù)、曲線、表格等各種方式實時顯示并存儲，而且可自動超限報警。

3　光環(huán)境和溫濕度控制方案

3.1　光環(huán)境控制方案

光環(huán)境控制方案采用閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是植物專家系統(tǒng)所得控制信號的正向通路，另一部分是光照傳感器所得檢測信號的反饋通路。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對3種光單色光照度及配比的實時檢測和控制。以紅光光照度控制為例，光照度控制方案如圖3所示。藍光及遠紅外光的控制方案類同。

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

在主控制器自動控制模式下，植物專家系統(tǒng)需預先設定該時期植物生長最適合的3種光的單色光光照度值以及比例。單色光傳感器實時檢測紅、藍和紅外光的單色光光照度，由單片機采集到光照度的數(shù)字信號后，將當前的采樣值通過串行通信傳送給上位機。當光照度高于或低于其設定值時，根據(jù)設定值與實際值偏差，計算出控制量并下傳到單片機，由單片機分別產(chǎn)生對應的PWM控制信號，計算對應PWM控制信號的占空比；通過三路LED控制電路，調(diào)整LED發(fā)光模塊中各單色光輸出的光照度及三色光比例。該方案可根據(jù)植物的需求，調(diào)節(jié)光波長配比，滿足單位面積上光合作用所需的照度值。

3.2　溫濕度控制方案

單片機通過溫度傳感器實時對溫度進行檢測，根據(jù)控制要求打開或關(guān)閉加熱源。若溫度過高，還要考慮開啟冷風機，從而實現(xiàn)溫度自動控制，使植物溫室保持在最適宜的溫度。溫度控制方案如圖4所示。濕度控制方案與溫度控制方案相似，但執(zhí)行器為電加濕器與除濕機。

圖4　溫度控制方案Fig.4　Control scheme of temperature

4　結(jié)束語

光環(huán)境對植物生長有重要的影響。由于目前國內(nèi)的光環(huán)境控制系統(tǒng)較為落后，所以在LED飛速發(fā)展的背景下研究光環(huán)境控制系統(tǒng)有著重要的意義。本文設計的、基于植物專家系統(tǒng)的智能LED光照控制系統(tǒng)，選擇紅、藍和紅外光三色LED組成發(fā)光模塊控制植物的光照環(huán)境；基于單片機，運用植物專家系統(tǒng)實時設定最適宜的各色光照度配比，采用閉環(huán)自動控制的方法，可實現(xiàn)光環(huán)境的低能耗、高精準自動調(diào)節(jié)以及環(huán)境溫濕度的自動控制，從而達到在惡劣條件下自動控制植株形態(tài)建成和生長發(fā)育的目的，帶來了良好的經(jīng)濟效益。經(jīng)軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，該控制系統(tǒng)運行良好。

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