基于作物生長的智能補(bǔ)光系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用

閆嵩　杜彥芳　田海濤　腰彩紅　王建春　李揚(yáng)

摘? ? 要：補(bǔ)光燈可以有效解決我國北方冬季設(shè)施溫室中普遍存在寡照、連陰，無法滿足植物日常生長需要，影響產(chǎn)量和品質(zhì)的問題。本文研發(fā)了一種基于作物生長的智能補(bǔ)光控制系統(tǒng)，包括本地硬件控制設(shè)備和云端服務(wù)軟件系統(tǒng)兩部分，硬件與軟件之間通過4G連接，在確保硬件安全性基礎(chǔ)上充分考慮用戶使用習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)了LED補(bǔ)光燈的本地面板、本地智能、遠(yuǎn)程APP和遠(yuǎn)程智能控制，并結(jié)合作物生長情況制定了科學(xué)合理的補(bǔ)光策略。在草莓溫室開展對(duì)比試驗(yàn)，證實(shí)該控制設(shè)備能夠持續(xù)、穩(wěn)定的對(duì)補(bǔ)光燈進(jìn)行啟停操作，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，平均響應(yīng)時(shí)長1.28 s，能夠滿足日常生產(chǎn)實(shí)際使用需要。通過補(bǔ)光燈的引入，相比于對(duì)照區(qū)域，使用補(bǔ)光燈種植的溫室草莓單果質(zhì)量提升不少于7%，成熟果個(gè)數(shù)增加超過15%。本文提出的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，可以有效輔助生產(chǎn)，借助補(bǔ)光燈達(dá)到提前上市，增產(chǎn)增收的效果。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)光系統(tǒng)；設(shè)施溫室；智能控制；調(diào)控策略

中圖分類號(hào)：S224; S667.9? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：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

光是影響植物生長的重要元素之一[1]，充分的光合作用可以有效促進(jìn)作物生長[2-4]。北方設(shè)施溫室中，相比于春秋季，冬季的光照時(shí)長更短，早晚的光照強(qiáng)度更弱，經(jīng)常存在寡照情況，造成植物生長所需的光照不足，影響果實(shí)的成熟度和色素、營養(yǎng)元素、可溶性固形物、糖分的累積[5]。研究表明，使用植物補(bǔ)光燈可以有效改善北方日光溫室冬季種植過程中光照不足的情況，延長植物光合作用時(shí)長，促進(jìn)生長，提升作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[6-8]?，F(xiàn)階段溫室補(bǔ)光主要使用LED燈。相比傳統(tǒng)的高壓鈉燈、熒光燈，LED燈具有能耗低、體積小、壽命長、冷光源不傷植物的特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被農(nóng)戶接受[9-11]。

現(xiàn)階段的研究主要集中于光環(huán)境與作物生長發(fā)育之間的相關(guān)性，大多分析了光質(zhì)、光周期、光照強(qiáng)度、冠層光利用率等對(duì)作物生長速率、生物量、色素、品質(zhì)、產(chǎn)量、代謝產(chǎn)物等的影響。部分研究探討了作物不同生長階段、不同葉位的需光差異性，建立了相應(yīng)的光環(huán)境優(yōu)化調(diào)控模型。岳高峰等[12]通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了不同補(bǔ)光時(shí)長對(duì)草莓開花及產(chǎn)量品質(zhì)的影響，證實(shí)補(bǔ)光時(shí)長為6 h時(shí)，草莓植株生長發(fā)育狀況、花期、葉片葉綠素含量、果實(shí)產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)等指標(biāo)均達(dá)到最佳，產(chǎn)生的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益最明顯。李玟等[13]研究了一種新型UV-B補(bǔ)光燈對(duì)茄子幼苗生長、抗性生理及抗病性的影響，證實(shí)在大棚內(nèi)適當(dāng)進(jìn)行紫外補(bǔ)光能夠有效抑制植株徒長、增大葉片面積、提高壯苗指數(shù)、增強(qiáng)葉片抗氧化酶活性、提高植株抗病性。王昊等[14]以草莓為試驗(yàn)材料，激光植物生長燈為光源，研究了日光溫室頂端補(bǔ)光、水平補(bǔ)光位置對(duì)光合特性、光能利用效率和電能利用效率的影響，確認(rèn)頂部補(bǔ)光下植株的根部發(fā)育更好，水平補(bǔ)光下植株的莖粗更粗，2種方式的果實(shí)所需光量子數(shù)和所消耗電能差異不顯著的情況下，兩者草莓果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)差異不顯著，但顯著高于不補(bǔ)光情況。

目前補(bǔ)光燈設(shè)備主要通過定時(shí)開關(guān)控制，冬季每日早晚揭蓋棉被前后分別進(jìn)行補(bǔ)光，但實(shí)際上作物生長不同階段對(duì)補(bǔ)光的需求不同，需要根據(jù)作物生長階段、環(huán)境等因素使用不同的補(bǔ)光策略，這就需要根據(jù)實(shí)際情況定期調(diào)整補(bǔ)光設(shè)置。同時(shí)北方冬季日照時(shí)長短，連陰天氣情況較多，為了保證植物生長需要，陰天情況下需整日補(bǔ)光，這就要求工作人員必須到各個(gè)溫室手工啟動(dòng)補(bǔ)光燈，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易遺漏。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于作物生長情況的智能補(bǔ)光設(shè)備，對(duì)補(bǔ)光燈進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)，并結(jié)合作物生長階段和外界環(huán)境情況，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的統(tǒng)智能補(bǔ)光策略模型，確保植物每日光合作用充足，實(shí)現(xiàn)對(duì)北方冬季日光溫室智能、定量補(bǔ)光，完成日光溫室補(bǔ)光燈精確、智能化控制。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)兩部分。其中硬件設(shè)備以主控模塊為核心，連接補(bǔ)光燈設(shè)備、環(huán)境傳感器、通信模塊，外部通過電氣接線集成入控制箱。軟件系統(tǒng)包括硬件設(shè)備控制模塊、云端數(shù)據(jù)交互模塊、應(yīng)用服務(wù)接口模塊和APP前端展現(xiàn)模塊4部分，其中云端數(shù)據(jù)交互模塊和應(yīng)用服務(wù)接口模塊通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 主控模塊 主控模塊使用意法半導(dǎo)體的STM32F103系列芯片為微控制器，具有低功耗、高性能、豐富的外設(shè)和低成本等優(yōu)點(diǎn)[15]。通過自制電路板實(shí)現(xiàn)與各個(gè)外圍接口的連接，包括通過RS485與傳感器進(jìn)行通信，通過串口連接繼電器完成補(bǔ)光燈控制，通過4G模組與服務(wù)器通信，借助EEPROM存儲(chǔ)智能控制規(guī)則完成設(shè)備自控。主控模塊電路圖如圖2所示。

1.2.2 補(bǔ)光燈設(shè)備 本文使用的補(bǔ)光燈為貼片型LED植物生長燈，由天津德致倫電子有限公司提供，紅藍(lán)比為6∶1，紅光660 nm，藍(lán)光450 nm[16]，輻射半徑3～4 m，燈點(diǎn)間距為3.5 m，功率為100 W，電壓220V AC。實(shí)驗(yàn)溫室種植區(qū)域規(guī)格約為長80 m、寬8 m、高3.5 m，采用頂部補(bǔ)光方式[14]，按照補(bǔ)光燈輻射半徑估算需要分2排部署補(bǔ)光燈44盞。補(bǔ)光燈及部署位置示意圖如圖3、圖4所示。

1.2.3 環(huán)境傳感器 本文選用賽通科技溫度、濕度、光照度三合一傳感器，溫度精度±0.5 ℃，測(cè)量范圍-40～80 ℃，分辨率0.1 ℃；濕度測(cè)量精度±3%RH，測(cè)量范圍0～100%RH，分辨率0.1%RH；光照度精度±5%，測(cè)量范圍0～200 000 lx，分辨率1 lx。傳感器通過RS485接口與主控模塊連接，使用Modbus協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信，獲取溫室內(nèi)的環(huán)境情況，為用戶依據(jù)光照度進(jìn)行補(bǔ)光燈啟動(dòng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2.4 通信模塊 通信模塊主要負(fù)責(zé)本地設(shè)備和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互，本文選擇有人物聯(lián)網(wǎng)4G模組（WH-LTE-7S4 V2），通過串口與主控芯片連接，使用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)本地與服務(wù)器端的通信。模塊支持心跳包、注冊(cè)包、斷線重連等功能，保證了設(shè)備通信穩(wěn)定性。

1.2.5 電氣設(shè)計(jì) 控制器電源采用220 V電進(jìn)行直接供電，在引入電源處加NXB-63的2P空氣開關(guān)進(jìn)行電路保護(hù)，避免電壓波動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備燒毀、損壞。接入的220 V電壓一部分為補(bǔ)光燈供電，一部分通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為24 V直流電壓為中心控制單元供電。44個(gè)220 V/100 W補(bǔ)光燈分為2組，由8個(gè)繼電器CZY14A直接控制通斷。繼電器根據(jù)主控模塊以及箱體表面按鈕信號(hào)動(dòng)作控制補(bǔ)光燈的開關(guān)。電氣控制箱原理圖如圖5所示。

1.3 軟件系統(tǒng)

1.3.1 硬件設(shè)備控制模塊 硬件設(shè)備控制模塊通過Keil v5平臺(tái)使用C語言開發(fā)，程序燒錄在主控芯片中。負(fù)責(zé)完成與傳感器、繼電器、4G模組的通信，并對(duì)保存在EEPROM中的自控策略判斷執(zhí)行。硬件設(shè)備控制模塊程序邏輯如圖6所示。

1.3.2 云端數(shù)據(jù)交互模塊 云端數(shù)據(jù)交互模塊采用多線程模式運(yùn)行，主要功能包括：使用TCP/IP協(xié)議與硬件設(shè)備控制模塊通信，管理各個(gè)硬件設(shè)備的接入；對(duì)于設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理，并存入數(shù)據(jù)庫；從數(shù)據(jù)庫獲取用戶控制指令，并下發(fā)給硬件設(shè)備；根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的策略進(jìn)行判斷，對(duì)需要執(zhí)行的控制指令插入數(shù)據(jù)庫中，觸發(fā)執(zhí)行。程序使用Visual Studio 2013平臺(tái)C++語言開發(fā)，與MySQL數(shù)據(jù)庫交互，與應(yīng)用服務(wù)接口模塊和APP前端展現(xiàn)模塊隔離，保證了本部分功能的獨(dú)立，便于后續(xù)升級(jí)。云端數(shù)據(jù)交互模塊流程圖如圖7所示。

1.3.3 應(yīng)用服務(wù)接口模塊 使用MyEclipse平臺(tái)Java語言開發(fā)，Tomcat8.0部署，負(fù)責(zé)接收前端指令，與MySQL數(shù)據(jù)庫連接，完成數(shù)據(jù)交互。主要功能如圖8所示。

1.3.4 APP前端展現(xiàn)模塊 APP前端使用Android Studio平臺(tái)，HTML、JavaScript語言開發(fā)，通過應(yīng)用服務(wù)接口模塊完成與系統(tǒng)對(duì)接。整體功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)展現(xiàn)、歷史數(shù)據(jù)查詢、手動(dòng)控制、智能控制設(shè)置等。其中環(huán)境數(shù)據(jù)展現(xiàn)直接展示最近采集到的溫度、濕度和光照度數(shù)值；歷史數(shù)據(jù)查詢界面支持按照傳感器和時(shí)間端篩選，能夠按表格和按曲線2種方式展現(xiàn)，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel；手動(dòng)控制界面可以根據(jù)需要手動(dòng)觸發(fā)補(bǔ)光燈開、關(guān)，也可根據(jù)需要手動(dòng)設(shè)置補(bǔ)光時(shí)長，避免人工開關(guān)時(shí)遺忘情況；智能控制設(shè)置支持按照時(shí)間段設(shè)置補(bǔ)光燈定時(shí)、定量啟動(dòng)，也支持在時(shí)間段內(nèi)通過判斷光照度自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)光燈，滿足園區(qū)根據(jù)作物不同生長階段的個(gè)性化補(bǔ)光控制需求。部分頁面如圖9所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)備部署

為檢驗(yàn)智能補(bǔ)光燈控制設(shè)備的應(yīng)用效果，于2022年11月在天津市北辰區(qū)鼎牛合作社部署相關(guān)設(shè)備，并開展設(shè)備性能測(cè)試。補(bǔ)光燈部署效果如圖10所示。

2.2 設(shè)備響應(yīng)時(shí)長實(shí)驗(yàn)

智能補(bǔ)光控制設(shè)備可通過本地面板、本地智能策略、遠(yuǎn)程APP和遠(yuǎn)程策略4種模式控制。所有的補(bǔ)光燈啟動(dòng)和停止操作均可通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，但通過本地面板和本地智能策略啟動(dòng)的過程服務(wù)器端只記錄設(shè)備反饋開、關(guān)結(jié)果的時(shí)間，因此沒有啟動(dòng)時(shí)間，只能通過人工現(xiàn)場(chǎng)計(jì)時(shí)判斷。而通過遠(yuǎn)程APP和遠(yuǎn)程策略啟動(dòng)的記錄，服務(wù)器會(huì)記錄數(shù)據(jù)處理的啟動(dòng)時(shí)間和設(shè)備執(zhí)行完成后的反饋時(shí)間，可以通過兩者的時(shí)間差計(jì)算相應(yīng)時(shí)長。具體4種控制模式的響應(yīng)過程如圖11所示。4種測(cè)試過程現(xiàn)場(chǎng)均通過人工驗(yàn)證補(bǔ)光燈的實(shí)際啟動(dòng)和停止。于2022年11月29日分2組補(bǔ)光燈，每組開展4次試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)表明，補(bǔ)光燈設(shè)備100%按照操作內(nèi)容啟動(dòng)或關(guān)閉，平均響應(yīng)時(shí)長1.28 s，響應(yīng)時(shí)效及執(zhí)行準(zhǔn)確度均達(dá)到實(shí)際使用需要。同時(shí)對(duì)2022年12月整月觀測(cè)設(shè)備執(zhí)行結(jié)果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)100%執(zhí)行到位，證明設(shè)備穩(wěn)定性較好，能夠滿足園區(qū)長期補(bǔ)光使用。

2.3 補(bǔ)光應(yīng)用效果試驗(yàn)

為驗(yàn)證補(bǔ)光燈對(duì)作物生長效果影響，于2022年12月—2023年2月開展試驗(yàn)。溫室種植草莓，品種為紅顏，種植周期為2022年9月—2023年5月。溫室種植區(qū)域長80 m，寬8 m，高3.5 m，通道寬1.1 m，畦寬0.5 m，畦間距0.6 m，共種植草莓70畦，每畦2行，行距0.3 m，每行40株，株距0.2 m。選取2棟相鄰溫室，一棚補(bǔ)光，一棚對(duì)照，補(bǔ)光溫室分2組采用2組不同策略補(bǔ)光（圖12）。其中策略1為從早晚各開2 h，并根據(jù)作物生長階段不同逐步延長至早晚各開3 h；策略2為早晚各開2 h，并根據(jù)作物生長階段不同逐步將晚間補(bǔ)光時(shí)長延長至4 h。同時(shí)設(shè)置陰天疊加補(bǔ)光策略，即當(dāng)室內(nèi)光照度在9：00—15：00期間，當(dāng)光照度持續(xù)半個(gè)小時(shí)以上小于10 000 Lx發(fā)送提示，由園區(qū)管理員判斷是否啟動(dòng)補(bǔ)光燈。此外，除補(bǔ)光燈的其他操作全部一致，對(duì)比種植效果。

本文在草莓成熟初期開展2次試驗(yàn)，每次隨機(jī)選擇補(bǔ)光燈區(qū)2畦、對(duì)照區(qū)2畦，分別統(tǒng)計(jì)成熟果個(gè)數(shù)和質(zhì)量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，補(bǔ)光區(qū)成熟果個(gè)數(shù)多于對(duì)照區(qū)，其中采用策略1和采用策略2的成熟果個(gè)數(shù)分別超出對(duì)照區(qū)18%和15%，而總質(zhì)量方面則分別超出對(duì)照區(qū)26%和27%，單果質(zhì)量分別超出對(duì)照區(qū)7%和10%。這說明補(bǔ)光燈對(duì)于作物增產(chǎn)，早上市具有明顯的效果，同時(shí)采用策略2的補(bǔ)光模式雖然成熟果個(gè)數(shù)不如策略1，但在單果質(zhì)量方面更勝一籌，但整體2種策略差別并不明顯。因此園區(qū)可以根據(jù)實(shí)際需要采用合適的補(bǔ)光策略，達(dá)到增產(chǎn)增收的效果。

3 討論與結(jié)論

人工補(bǔ)光是冬季北方日光溫室種植作物提高產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段。近年來國內(nèi)外學(xué)者在補(bǔ)光燈對(duì)植物生長的效果、布放位置、補(bǔ)光時(shí)長等方面開展了大量的研究，為補(bǔ)光燈在實(shí)際應(yīng)用中提供了較好的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文在前人工作基礎(chǔ)上，研發(fā)的智能補(bǔ)光控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)光燈的遠(yuǎn)程控制，并將補(bǔ)光策略融入了系統(tǒng)，解決了補(bǔ)光燈在應(yīng)用過程中需要人工現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)，管理復(fù)雜的問題，極大地降低了補(bǔ)光燈推向市場(chǎng)的難度。系統(tǒng)使用自主研發(fā)的電路板對(duì)補(bǔ)光燈設(shè)備的開關(guān)進(jìn)行控制?？刂葡潴w從安全性、操控便利性方面綜合考慮，配備了本地面板控制按鈕，滿足本地控制需求。同時(shí)，設(shè)備通過4G與服務(wù)器端連接，借助APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及智能控制，支持根據(jù)時(shí)長和閾值對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停，滿足用戶個(gè)性化控制需求。通過設(shè)備響應(yīng)時(shí)長試驗(yàn)和穩(wěn)定性觀測(cè)，確認(rèn)設(shè)備能夠滿足長期、便捷使用需要。開展了2種基于作物生長期的補(bǔ)光策略試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照區(qū)相比，單果質(zhì)量提升超過7%，同期成熟果個(gè)數(shù)增加15%，通過補(bǔ)光燈可以有效的提升草莓的產(chǎn)量和上市時(shí)間。農(nóng)戶可以在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)需要采用合適的補(bǔ)光策略，達(dá)到增產(chǎn)、增收目標(biāo)。

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