基于LED光源的植物生长动态补光控制系统设计

在番茄的各个生长期，弱光环境都会对番茄的生长造成很大影响，所以需要对番茄的各个生长期进行补光，至于怎么补更科学和补多少最适宜是学者们一直在研究的问题。

基于荧光检测的动态补光系统是利用MINI-PAM监测番茄实际光合效率和LED组合光源补光相结合指导温室番茄种植，定量的分析荧光参数并解决了科学适量补光问题。该系统由上位机总控制中心，自主开发设计的STM32单片机的温室信息监控系统，提供稳定电流的可编程恒流源，大功率红、蓝光LED组合光源和MINI-PAM便携调制式荧光检测仪组成。STM32单片机温室环境因子监控系统和便携式调制荧光检测仪分别测量记录环境信息和荧光参数信息，从这些信息分析计算出LED组合光源的亮度和最佳红蓝光比例，最后上位机控制可编程恒流源驱动LED组合光源，最后达到动态补光的目的。

0引言

光合作用是是生物界所有物质代谢和能量的物质基础，植物在光合作用的原初反映，将吸收光能是以较大的荧光方式释放的，因此叶绿素荧光与光合作用有着十分密切的关系。近30年来，LED人工光源在设施园艺、植物设施栽培、太空农业中的研究已经在全世界范围内引起广泛关注。通过不同光质对草莓、兰花等植物的研究结果表明，红光对植物形态、调节株高具有重要的影响，对叶片的生长过程会有促进作用，植物的叶、茎与叶柄会伸长，但叶绿素含量较低，生长指标和干物质积累也会降低。蓝光对光合作用的调控作用主要集中在气孔的开启、叶绿体的分化以及调节光合作用酶的活性等。POSPA等研究发现在单色蓝光LED作用下，叶绿素含量最高，叶片气孔数最多。目前，在复合光谱对植物光合生理特性的研究中，红蓝光LED组合对植物的生长发育过程能产生积极影响，由于单色光处理，因此该系统以红蓝光组合作为番茄生长的辅助光源。通过软件对上位机、可编程电源控制的LED阵列以及MINIPAM调制荧光仪进行闭环控制，分析在何种光照条件下最有利于番茄的生长。

1.系统的总体结构

动态补光控制系统是利用MINI-PAM监测番茄实际光合效率和LED组合光源补光相结合指导温室番茄补光生产，该系统由五大模块构成，上位机决策模块是一台工业级服务器，自主开发设计的STM32单片机的温室环境因子监控系统，为补光光源提供稳定电流的JBP-7510型可编程控制恒流源，大功率红、蓝光L E D组合光源和MINI-PAM调制式荧光检测仪组成。以荧光参数为目标，在温室环境中不断调节可编程恒流源的输出电流来改变LED组合光源的光照强度，进而改变番茄的荧光参数ΦPSⅡ到期望值，达到对番茄光合作用人工调控的效果。系统的基本原理图如图1所示。


图1 系统整体原理结构图

2.监控系统硬件设计

2.1 LED组合光源的供电模块JBP-7510型可编程控制恒流电源为电流电源，额定工作状态下，能输出稳定的期望电流，为了精准的控制LED组合光源驱动电流，达到控制光源光照条件的目的，选择一款稳定性很高的电流源是非常重要的。可编程恒流源恒定输出电流，所以电流不受负载的影响，驱动电流值的大小直接控制着LED灯珠亮度，所以电流源能准确的控制LED组合光源的光强。可编程恒流源电压输出最大为75V，电压精度为0.05%+37.5mV，电流输出最大为10A，电流精度为0.1%+10mA.根据荧光参数上位机计算出合适的补光电流值，通过串行通信发送指令给电源，最后可编程恒流源提供的稳定的输出电流来驱动LED组合光源。

JBP-7510型可编程控制恒流电源在室温25摄氏度下，驱动LED补光光源的情况下，测试控制电流和实际电流，测试结果中的12个数据如表1所示。从数据结果分析得到，电流精度均优于±0.2%，所以说JBP-7510型可编程控制恒流电源电流精确度可以满足系统补光电流的输出精度。



2.2 LED阵列设计

利用LED光线集中、方向固定特点，要想做到红蓝LED在照射区域的均匀必须进行合理的规划和优化改进。番茄的补光主要用到红蓝光LED，设计的组合光源要保证番茄接收到的光线中红蓝光的均匀，两种设计方案红、蓝LED个数比为1：1和4：1.阵列一：红、蓝LED个数比为1：1，LED间隔均匀排列，相邻LED间距为10mm，阵列情况如图2（a）所示。阵列二：红、蓝LED个数比为4：1，红光LED和蓝光LED组成一个区域，蓝光LED在中心，阵列情况如图2（b）所示。


图2 LED阵列示意图

2.3 MINIPAM调制荧光检测仪

MINIPAM型脉冲调制叶绿素荧光仪由WALZ公司制造，本系统利用其对植物光适应下的稳态荧光产量Fs、光适应下最大荧光产量Fm等相关荧光参数值进行测量。通过RS-232接口与上位机进行双向通信，实现上位机闭环控制MINIPAM和LED发光阵列。

3.番茄生长动态补光控制系统的软件设计

动态补光是基于上位机的信息收集与存储，数据分析，下发命令来实现的，动态循环过程由环境因子监控系统，便携式调制荧光仪和可编程恒流源协同完成，具体流程见图3.


图3 系统工作流程图

利用基于STM32F103VCT6单片机的环境因子监控模块实时监测番茄生长环境，把传感器得到的环境因子传送给上位机，当温室内光照不足时，上位机启动MINIPAM并得到荧光参数（ΦPSⅡ值）返回值，计算需要补光的光强和合适的红、蓝LED组合比例，分别下达LED组合光源工作电流值命令给与COM1通信的JBP-7510型可编程恒流源，下达红、蓝L E D比例命令给STM32F103VCT6单片机。红、蓝LED组合光源通过驱动电流调节自己的亮度，STM32F103VCT6单片机控制每个LED的电流来达到控制比例。单片机继续监测光照条件，循环对比动态补光，直到荧光参数维持在预定值。MINI-PAM定时将采集到的番茄荧光参数通过上位机的COM2口传送并存储在上位机上，上位机判定荧光参数是否高于或低于预定值，进而决策控制单片机及执行机构和可编程控制电流源，实时调整温室环境，保证最佳LED组合光源红、蓝光组合比例和亮度，使温室环境因子控制模型成为最佳的番茄生长模型。

4.结论

目前已初步构建动态补光系统，并利用该系统完成了24小时荧光参数的监控。根据实际需要，以LED光源为基础，根据单色LED及组合LED光源对植物的作用过程，设计适宜植物不同生长阶段的LED组合配比参数，并通过最佳LED光源的设计，利用LED输出光强与荧光参数之间的关系，实时将最佳匹配的光源信息及光照周期输入到计算机系统，计算机根据所有采集上来的荧光参数和环境因子信息指导动态输出，实现动态补光系统，本系统主要针对北方温室低温弱光的特点，以番茄为研究对象，在低温弱光下的补光方式，并确立在最佳光源下、不同生长时期、不同环境参数（水分、温度）影响下的番茄生长控制模型。