基于LED光源的植物生長動態補光控制系統設計

基于熒光檢測的動態補光系統是利用MINI-PAM監測番茄實際光合效率和LED組合光源補光相結合指導溫室番茄種植，定量的分析熒光參數并解決了科學適量補光問題。該系統由上位機總控制中心，自主開發設計的STM32單片機的溫室信息監控系統，提供穩定電流的可編程恒流源，大功率紅、藍光LED組合光源和MINI-PAM便攜調制式熒光檢測儀組成。STM32單片機溫室環境因子監控系統和便攜式調制熒光檢測儀分別測量記錄環境信息和熒光參數信息，從這些信息分析計算出LED組合光源的亮度和最佳紅藍光比例，最后上位機控制可編程恒流源驅動LED組合光源，最后達到動態補光的目的。

0 引言

光合作用是是生物界所有物質代謝和能量的物質基礎，植物在光合作用的原初反映，將吸收光能是以較大的熒光方式釋放的，因此葉綠素熒光與光合作用有著十分密切的關系。近30年來，LED人工光源在設施園藝、植物設施栽培、太空農業中的研究已經在全世界范圍內引起廣泛關注。通過不同光質對草莓、蘭花等植物的研究結果表明，紅光對植物形態、調節株高具有重要的影響，對葉片的生長過程會有促進作用，植物的葉、莖與葉柄會伸長，但葉綠素含量較低，生長指標和干物質積累也會降低。藍光對光合作用的調控作用主要集中在氣孔的開啟、葉綠體的分化以及調節光合作用酶的活性等。POSPA等研究發現在單色藍光LED作用下，葉綠素含量最高，葉片氣孔數最多。目前，在復合光譜對植物光合生理特性的研究中，紅藍光LED組合對植物的生長發育過程能產生積極影響，由于單色光處理，因此該系統以紅藍光組合作為番茄生長的輔助光源。通過軟件對上位機、可編程電源控制的LED陣列以及MINIPAM調制熒光儀進行閉環控制，分析在何種光照條件下最有利于番茄的生長。

1.系統的總體結構

動態補光控制系統是利用MINI-PAM監測番茄實際光合效率和LED組合光源補光相結合指導溫室番茄補光生產，該系統由五大模塊構成，上位機決策模塊是一臺工業級服務器，自主開發設計的STM32單片機的溫室環境因子監控系統，為補光光源提供穩定電流的JBP-7510型可編程控制恒流源，大功率紅、藍光L E D組合光源和MINI-PAM調制式熒光檢測儀組成。以熒光參數為目標，在溫室環境中不斷調節可編程恒流源的輸出電流來改變LED組合光源的光照強度，進而改變番茄的熒光參數ΦPSⅡ到期望值，達到對番茄光合作用人工調控的效果。系統的基本原理圖如圖1所示。

2.監控系統硬件設計

2.1 LED組合光源的供電模塊JBP-7510型可編程控制恒流電源為電流電源，額定工作狀態下，能輸出穩定的期望電流，為了精準的控制LED組合光源驅動電流，達到控制光源光照條件的目的，選擇一款穩定性很高的電流源是非常重要的。可編程恒流源恒定輸出電流，所以電流不受負載的影響，驅動電流值的大小直接控制著LED燈珠亮度，所以電流源能準確的控制LED組合光源的光強?？删幊毯懔髟措妷狠敵鲎畲鬄?5V,電壓精度為0.05%+37.5mV,電流輸出最大為10A,電流精度為0.1%+10mA.根據熒光參數上位機計算出合適的補光電流值，通過串行通信發送指令給電源，最后可編程恒流源提供的穩定的輸出電流來驅動LED組合光源。

JBP-7510型可編程控制恒流電源在室溫25攝氏度下，驅動LED補光光源的情況下，測試控制電流和實際電流，測試結果中的12個數據如表1所示。從數據結果分析得到，電流精度均優于±0.2%,所以說JBP-7510型可編程控制恒流電源電流精確度可以滿足系統補光電流的輸出精度。

2.2 LED陣列設計

利用LED光線集中、方向固定特點，要想做到紅藍LED在照射區域的均勻必須進行合理的規劃和優化改進。番茄的補光主要用到紅藍光LED,設計的組合光源要保證番茄接收到的光線中紅藍光的均勻，兩種設計方案紅、藍LED個數比為1:1和4:1.陣列一：紅、藍LED個數比為1:1,LED間隔均勻排列，相鄰LED間距為10mm,陣列情況如圖2(a)所示。陣列二：紅、藍LED個數比為4:1,紅光LED和藍光LED組成一個區域，藍光LED在中心，陣列情況如圖2(b)所示。

2.3 MINIPAM調制熒光檢測儀

MINIPAM型脈沖調制葉綠素熒光儀由WALZ公司制造，本系統利用其對植物光適應下的穩態熒光產量Fs、光適應下最大熒光產量Fm等相關熒光參數值進行測量。通過RS-232接口與上位機進行雙向通信，實現上位機閉環控制MINIPAM和LED發光陣列。

3.番茄生長動態補光控制系統的軟件設計

動態補光是基于上位機的信息收集與存儲，數據分析，下發命令來實現的，動態循環過程由環境因子監控系統，便攜式調制熒光儀和可編程恒流源協同完成，具體流程見圖3.

利用基于STM32F103VCT6單片機的環境因子監控模塊實時監測番茄生長環境，把傳感器得到的環境因子傳送給上位機，當溫室內光照不足時，上位機啟動MINIPAM并得到熒光參數(ΦPSⅡ值)返回值，計算需要補光的光強和合適的紅、藍LED組合比例，分別下達LED組合光源工作電流值命令給與COM1通信的JBP-7510型可編程恒流源， 下達紅、藍L E D 比例命令給STM32F103VCT6單片機。紅、藍LED組合光源通過驅動電流調節自己的亮度，STM32F103VCT6單片機控制每個LED的電流來達到控制比例。單片機繼續監測光照條件，循環對比動態補光，直到熒光參數維持在預定值。MINI-PAM定時將采集到的番茄熒光參數通過上位機的COM2口傳送并存儲在上位機上，上位機判定熒光參數是否高于或低于預定值，進而決策控制單片機及執行機構和可編程控制電流源，實時調整溫室環境，保證最佳LED組合光源紅、藍光組合比例和亮度，使溫室環境因子控制模型成為最佳的番茄生長模型。

4.結論

目前已初步構建動態補光系統，并利用該系統完成了24小時熒光參數的監控。根據實際需要，以LED光源為基礎，根據單色LED及組合LED光源對植物的作用過程，設計適宜植物不同生長階段的LED組合配比參數，并通過最佳LED光源的設計，利用LED輸出光強與熒光參數之間的關系，實時將最佳匹配的光源信息及光照周期輸入到計算機系統，計算機根據所有采集上來的熒光參數和環境因子信息指導動態輸出，實現動態補光系統，本系統主要針對北方溫室低溫弱光的特點，以番茄為研究對象，在低溫弱光下的補光方式，并確立在最佳光源下、不同生長時期、不同環境參數(水分、溫度)影響下的番茄生長控制模型。