基于葉綠素?zé)晒鈪?shù)的紅色、藍(lán)色LED補(bǔ)光方法,農(nóng)業(yè)工程論文

基于葉綠素?zé)晒鈪?shù)的紅色、藍(lán)色LED補(bǔ)光方法,農(nóng)業(yè)工程論文光照條件在各個(gè)生長(zhǎng)期都是影響作物的生長(zhǎng)的主要因素,當(dāng)光照不能到達(dá)作物生長(zhǎng)的最佳的光照要求時(shí),就需要對(duì)作物的各個(gè)生長(zhǎng)期進(jìn)行補(bǔ)光。國(guó)際上補(bǔ)光光源通常選擇紅色和藍(lán)色LED光源,能夠做到高效節(jié)能,有些地區(qū)甚至完全用人工光源代替自然光源培養(yǎng)作物。在自動(dòng)補(bǔ)光系統(tǒng)中,通常以外界光照強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)光,該方式方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)整方便,但不能從作物的內(nèi)在因素分析其生長(zhǎng)狀態(tài)。本文以葉綠素?zé)晒鈪?shù)為補(bǔ)光參數(shù)調(diào)整基礎(chǔ),能夠反映出作物的光合作用效率,能夠從作物生長(zhǎng)的角度來(lái)調(diào)整光照條件。為此,設(shè)計(jì)了一種雙線間接調(diào)光法,并在這里基礎(chǔ)上提出了一種新的自動(dòng)控制動(dòng)態(tài)補(bǔ)光系統(tǒng)。1、葉綠素?zé)晒鈪?shù)與補(bǔ)光方式方法分析光合作用的本質(zhì)是一個(gè)植物轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能為淀粉和多糖等其他形式的能量并儲(chǔ)存的反響。光合作用主要由兩階段組成,分別是光反響和碳反響。華而不實(shí),光反響由光照引起,并把光能轉(zhuǎn)化成電能,葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象發(fā)生在光反響階段。葉綠素在光反響中的作用是用來(lái)捕捉光子能量并最終把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能、熱能和熒光。自1931年由Kautsky和Hirsch發(fā)現(xiàn)的葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象以來(lái),人們就發(fā)現(xiàn)葉綠素?zé)晒獾漠a(chǎn)量與光合作用有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性;正因這種負(fù)相關(guān)性,所以葉綠素?zé)晒庥直环Q為活體作光合作用的研究探針,是用來(lái)研究光合作用現(xiàn)象的最佳選擇。葉綠素?zé)晒鈪?shù)多種多樣,能夠反響的植物的生長(zhǎng)信息也是多種多樣的,在眾多葉綠素?zé)晒鈪?shù)當(dāng)中比擬直接地反響植物的光合作用能力的是PSII。研究表示清楚,植物對(duì)光能的吸收峰集中在波長(zhǎng)為400~500nm(主要是藍(lán)光)和600~700nm(主要是紅光)這兩個(gè)波段。固然如今很多還是采用全波段對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光,但是紅藍(lán)光組合補(bǔ)光更高層次效,在國(guó)外應(yīng)用也比全波段補(bǔ)光更廣泛。所以,本設(shè)計(jì)仍然采用了紅藍(lán)光組合的方式方法來(lái)對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光。在檢測(cè)環(huán)境因子方面,傳感器至關(guān)重要。普通的光照傳感器固然能夠?qū)t藍(lán)光組合進(jìn)行檢測(cè),但是無(wú)法區(qū)分紅光和藍(lán)光在補(bǔ)光中單獨(dú)能起到的作用。本設(shè)計(jì)采用單色光照傳感器分別獨(dú)立測(cè)量光照環(huán)境中的紅光和藍(lán)光強(qiáng)度。該傳感器實(shí)際上就是正常的光照傳感器加載濾光鏡片,而濾光鏡片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍,就是該光照傳感器可測(cè)量的光照范圍。2、補(bǔ)光決策與算法本設(shè)計(jì)采用雙線間接調(diào)光法,是由于該方式方法分兩級(jí)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度,可使能夠反響植物光合作用能力的PSII和能夠反響光照條件的光照傳感器反應(yīng)結(jié)果同時(shí)介入最終的調(diào)光決策。其原理如此圖1所示。首先,該系統(tǒng)會(huì)輸設(shè)定一個(gè)單色光光照強(qiáng)度的大小作為閾值,這個(gè)值是一個(gè)略低于飽和光照強(qiáng)度的經(jīng)歷體驗(yàn)值。以單片機(jī)為核心的PWM會(huì)把LED燈光照強(qiáng)度逐步地調(diào)節(jié)到設(shè)定的閾值附近,這是下級(jí)直接調(diào)節(jié);MINI-PAM系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)植物葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù),并把該值返回到上位機(jī)儲(chǔ)存分析。當(dāng)作物的熒光參數(shù)偏離上位機(jī)內(nèi)記錄的正常光照下的參數(shù)值時(shí),上位時(shí)機(jī)發(fā)出指令通過(guò)RS232串行口通信連接單片機(jī)。單片機(jī)接收到調(diào)節(jié)指令后重新調(diào)節(jié)內(nèi)置閾值,進(jìn)一步會(huì)調(diào)節(jié)LED的光照強(qiáng)度,最終使得光照回歸到植物所需的正常水平,這是上級(jí)間接調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)兩大類調(diào)光方式方法的缺點(diǎn),同時(shí)兼顧了植物的光照條件和生長(zhǎng)狀況之間的互相影響,做到了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。3、動(dòng)態(tài)補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)以上方式方法設(shè)計(jì)了一套完好的調(diào)光系統(tǒng)。該系統(tǒng)的下級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的PWM調(diào)光系統(tǒng),上級(jí)以計(jì)算機(jī)和MINIPAM為核心,通過(guò)測(cè)量計(jì)算調(diào)節(jié)下級(jí)調(diào)光系統(tǒng)內(nèi)的閾值。3.1PWM下級(jí)調(diào)光系統(tǒng)本系統(tǒng)使用的單片機(jī)是PIC16F1503其管腳連接方式,如此圖2所示。其編程代碼略。設(shè)計(jì)中把PWM的頻率設(shè)置為30kHz,每個(gè)脈沖占空比分為100級(jí),這種頻率下噪音非常小。每隔10ms檢測(cè)一次光照傳感器電壓,并與設(shè)定值做比擬。假如光照傳感器電壓小于設(shè)定值,則增加PWM占空比1%;相反,假如光照傳感器大于等于設(shè)定值,那么減少PWM占空比1%。其流程如此圖3所示。單色光照傳感器選擇用HA2003光照傳感器外加單色濾光鏡片。HA2003量程為200~200000Lux,光譜范圍400~700nm(可見光),誤差7%,工作電壓12~24V,輸出信號(hào)0~2V。藍(lán)色濾光鏡片透光光譜范圍為400~540nm,紅色濾光鏡片透光光譜范圍為590~720nm,濾光鏡片能夠吸收可透光以外所有的光波。這樣,即便在紅藍(lán)光混合區(qū)或者自然光中,仍然能夠測(cè)得紅光和藍(lán)光單色光的光照強(qiáng)度。相互獨(dú)立的響應(yīng)系統(tǒng)避免了紅光和藍(lán)光比例的硬性設(shè)置,更方便于單獨(dú)討論紅光或者藍(lán)光單獨(dú)對(duì)植物的作用。本設(shè)計(jì)采用的LED是飛利浦公司的LuxeonRebel型紅光和藍(lán)光超高亮度LED,該LED燈的半值角度為62.5,方向性較強(qiáng)。紅光LED發(fā)光波長(zhǎng)為650nm,波長(zhǎng)寬度為40nm,最小光通量為40lm,工作電流為350mA。藍(lán)光LED發(fā)光波長(zhǎng)為460nm,波長(zhǎng)寬度為50nm,最小光通量為30lm,工作電流為350mA。由于本試驗(yàn)中有多個(gè)LED串聯(lián),電壓約到達(dá)110V,電流到達(dá)350mA,且實(shí)際上所有的LED燈都是閃爍的,頻率較快,因此控制開關(guān)使用可控硅BT169B。該型號(hào)的控制觸發(fā)電流是0.05mA,電流為0.8A,電壓為100~240V,工作溫度125℃,完全符合使用需求。開關(guān)控制電路如此圖4所示。在這里需要講明的是,PWM調(diào)節(jié)方式的下限是占空比為零,這個(gè)時(shí)候的脈沖沒(méi)有高電位信號(hào),由于可控硅開關(guān)關(guān)閉,LED是不發(fā)光的。PWM調(diào)節(jié)的上限是占空比為100%,這時(shí)脈沖一直輸出高電位信號(hào),LED持續(xù)照明,是光照強(qiáng)度的最高值。經(jīng)測(cè)得在某晴天下午2時(shí)(在沈陽(yáng)地區(qū)光照強(qiáng)度最強(qiáng)),在自然光條件下,其紅光光照強(qiáng)度略微高于4000Lux,藍(lán)光光照強(qiáng)度大約為2500Lux。但是在上午10時(shí),光飽和的情況出現(xiàn)時(shí),紅光光照強(qiáng)度僅為1600Lux左右,藍(lán)光光照強(qiáng)度為700Lux左右,即植物需求的光照強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然光提供的最大光照強(qiáng)度。綜上考慮,在實(shí)驗(yàn)中的使用LED陣列滿占空比時(shí),紅光光照強(qiáng)度為4000Lux,藍(lán)光光照強(qiáng)度1500Lux,既節(jié)約能源,又能夠知足植物生長(zhǎng)需求。3.2MINI-PAM控制模塊MINI-PAM熒光儀是用來(lái)測(cè)試植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的儀器,該儀器是可編程的,可實(shí)時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行協(xié)同工作。MINI-PAM內(nèi)置上位機(jī)數(shù)據(jù)通信控制指令,外置有RS232串行通信接口。MINI-PAM中在軟件編寫中用到的常用代碼如表1所示。3.3上級(jí)上位機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)上位機(jī)的主要任務(wù)是對(duì)葉綠素?zé)晒庑畔⑦M(jìn)行采集、比擬及調(diào)節(jié)單片機(jī)內(nèi)光照強(qiáng)度的設(shè)定值?？紤]到植物的對(duì)環(huán)境的適應(yīng)以及反映時(shí)間,本設(shè)計(jì)設(shè)定采集1次葉綠素?zé)晒鈪?shù)中的PSII值:當(dāng)PSII低于理想光合作用速率時(shí),則會(huì)調(diào)高光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;相反,當(dāng)PSII高于理想光合作用速率時(shí),則會(huì)調(diào)低光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,并重置單片機(jī)內(nèi)的光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。單片時(shí)機(jī)根據(jù)光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的變化來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)光照,最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)光的經(jīng)過(guò)。其程序流程圖,如此圖5所示。需要講明的是,理想光合作用速率低于光飽和時(shí)的光合作用速率,理想光合作用速率所需要的光照也低于飽和光照。假如初始的設(shè)定值合理,能夠避免發(fā)生由于光照過(guò)飽和而導(dǎo)致的光合作用速率下降,進(jìn)而調(diào)高光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的情況發(fā)生;而且光照條件由于PWM光照系統(tǒng)的硬件設(shè)定的原因,最強(qiáng)光照也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于強(qiáng)光脅迫發(fā)生而抑制光合作用速率時(shí)的光照。所以,該系統(tǒng)在任何條件下,對(duì)作物都是安全的,不會(huì)發(fā)生過(guò)飽和光照而抑制光合作用的情況。4、實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析系統(tǒng)建成后,于2020年初開場(chǎng)了實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室第29號(hào),番茄樣本為遼園多麗。該批次樣本在為2020年底播種于穴盤中,溫室環(huán)境適宜番茄植株的生長(zhǎng),在2020年1月底至2月初,番茄長(zhǎng)至四葉一心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從樣本中選取兩株生長(zhǎng)狀況較好長(zhǎng)勢(shì)基本一致的番茄幼苗,一株在動(dòng)態(tài)補(bǔ)光系統(tǒng)下測(cè)量實(shí)驗(yàn),另一株在溫室內(nèi)正常生長(zhǎng)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),作參照比照。圖6為經(jīng)VB編程的上位機(jī)操作界面,其紅光和藍(lán)光閾值測(cè)試時(shí)間間隔以及熒光參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值是能夠設(shè)定的,而熒光參數(shù)顯示區(qū)則顯示測(cè)得的植物PSII。這里面紅光和藍(lán)光是互相獨(dú)立的系統(tǒng),分別設(shè)置自個(gè)光照閾值,能夠隨時(shí)修改。圖7、圖8分別是兩株植物在溫室內(nèi)和補(bǔ)光系統(tǒng)內(nèi)的PSII測(cè)量結(jié)果。由圖中能夠看出,白天光照條件的宏大差異對(duì)番茄的光合作用影響非常大。隨著光照的加強(qiáng),光合作用比擬穩(wěn)定,從10時(shí)開場(chǎng)番茄的光合作用逐步的降低,在12時(shí)至下午1時(shí)半這段時(shí)間光照到達(dá)一天中最強(qiáng)的時(shí)間內(nèi),番茄的光合作用能力一直彷徨在最低點(diǎn);從2時(shí)開場(chǎng)隨著光照的減弱,光合作用能力開場(chǎng)逐步的恢復(fù),3時(shí)左右由于室外溫度過(guò)低則大棚關(guān)閉,可見實(shí)際上非常有效的光合作用天天只要3~4h。在補(bǔ)光系統(tǒng)中的番茄,固然可能遭到多種光照的影響,但是最終決定補(bǔ)光程度的是植物本身的光合作用情況,所以PSII能夠長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)較高的水平。實(shí)驗(yàn)證明,該補(bǔ)光方式可行。在其他環(huán)境因子適宜的情況下,能夠把光照調(diào)節(jié)到番茄需要的范圍內(nèi),并有效提高其光合作用能力,最終能夠提高作物的干物質(zhì)積累。5、結(jié)論在分析植物光合作用機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出以光合作用情況和光照強(qiáng)度相結(jié)合共同決策調(diào)光,將之命名為雙線間接調(diào)光法。基于該方式方法以PIC16F1503單片機(jī)為核心處理模塊開發(fā)了LED調(diào)光系統(tǒng),通過(guò)MINI-PAM和上位機(jī)對(duì)植物光合作用情況分析,并且能夠自主調(diào)節(jié)光照閾值。同時(shí),紅光藍(lán)光各自獨(dú)立成系統(tǒng),擺脫了紅藍(lán)光比例設(shè)置的束縛,能夠在閾值設(shè)置窗口任意地設(shè)置其光照比例。實(shí)驗(yàn)證明,該方式方法能夠有效提高作物的光合作用,增加作物干物質(zhì)累積,最終提高作物的產(chǎn)量。以下為參考文獻(xiàn):[1]紀(jì)建偉,謝飛,Jer