基本信息
- 项目名称：
- 基于光合作用机理的设施农业智能补光系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 针对设施农业中定光强、定光质补光方法的不足，基于光合作用机理分析，提出实时环境监测、特定波段补光与定量决策相结合的精确补光方法，设计了与作物生长过程相适应的智能补光系统。作品考虑温度、二氧化碳对补光效果的影响，根据作物各阶段特征动态调整目标光强，采用实时红蓝光光强与目标光强的差值计算补光量，通过PWM调整LED输出光强，实现精确按需补光。实际应用表明，作品实现了智能化、精确化、低能耗补光。
- 详细介绍：
- 1、光合作用机理与补光方法分析 太阳辐射光谱中大部分光谱能量不能被植物所吸收，植物对太阳光能的利用率不超过5%。光合作用效率与光的吸收效率、当前环境温度、二氧化碳浓度等因素密切相关。吸收效率取决于色素对光能吸收能力，根据光合作用吸收光谱可发现植物光能吸收的三种主要色素Chla(叶绿素a)，Chlb（叶绿素b）和Car(类胡萝卜素)的吸收峰集中在400-500nm和600-700nm这两个波段，太阳光谱中其余波段的光能量几乎很难被植物色素细胞捕获利用，如果采用传统全波段光照检测或检测400-700nm区域辐射波段信号，其测试结果并不能精确表征植物实际可利用的光能。同时，环境温度、二氧化碳浓度对光合作用影响很大，其中植物在冷害温度和高温条件均会导致叶绿体的活性降低、酶钝化、部分气孔关闭等现象，造成光合速率降低幅度竟可达90％，而且即使在中、低光强条件下也存在光抑制，甚至光破坏现象，造成不可逆的损害；同时CO2是光合作用的原料，CO2浓度过低时，光合效率显著降低甚至完全停止。因此，本作品提出了一种与光合作用机理相适应的补光方法和特定波段补光阵列与定量决策技术，包括光合作用中特定波段光强、环境温度、二氧化碳监测，以及根据不同作物不同阶段进行智能补光。 1）多环境因子的精准检测方法。实时环境信息获取是定量补光的基础条件，根据光合作用敏感的有效光波波长范围，提出选择400-500nm和600-700nm的ISL29010芯片，设计独立监测这两个波段光强的光照传感器，实现分波段实时监测；同时加入温度和二氧化碳监测模块，根据实时温度及二氧化碳浓度判断是否进行补光。本方法不仅能提高光能利用率，同时更可避免由于温度胁迫条件下过度补光造成光损害以及二氧化碳浓度过低对光合作用的影响。 2）特定波段补光阵列。光合作用中，光系统I、光系统Ⅱ中对应完成能量积累并产生葡萄糖过程的光子波长为680nm和700nm；而叶绿素的形成、气孔的开启以及光合节律等生理过程，其反应对应的光子波长在440－480nm之间。光合作用各反应可直接捕获对应能级光子，也可捕获高能级的光子完成光反应，其中高能级光子通过非辐射复合以荧光等形式完成能量衰减，正向偏差越大衰减的能量越多，光利用率明显降低。综上，考虑色素对光能吸收率影响以及能量有效利用率，本系统提出采用中心波长为660nm、半波带宽度为40nm的LED作为红光补光灯，以及中心波长为450nm、半波带宽度为40nm的LED作为蓝光补光灯。 3）定量决策方法。光合作用中存在光补偿点和光饱和点，前者是指光合作用速率与呼吸作用速率相同时的光照强度，在此情况下不会进行物质积累，后者是指当达到某一光强时，光合速率就不再随光强的增高而增加。因此，补光系统的目标光强应处于两者之间，以此提高补光效率，避免补光不足或补光过度。本作品可根据作物需求设定目标光强，并通过目标值与当前值计算下一周期补光量，以此控制补光阵列输出相应光强，进而实现红蓝光光强按需输出的工作模式。在决策过程，同时判断温度和二氧化碳浓度是否满足光合作用条件，满足时才补光。 4）作物分阶段目标参数管理模式。相关研究发现不同植物的光合作用需光量和红蓝光比例在不同生长阶段差异明显。作品采用分阶段的补光参数管理，根据生长过程全程监测，自动进行阶段转换，实现了温度、CO2浓度、需光量等目标参数的智能调整，以此实现整个生产过程补光系统的自动控制。 2、系统硬件设计 基于光合作用机理分析本系统采用模块化设计思路，将系统划分为专用的检测模块、控制模块、补光模块、电源模块和用户交互模块。其中，检测模块实现实时二氧化碳浓度、温度采集和分波段检测红、蓝光光强信息；控制模块根据预设目标光强与实时光强的差值计算补光量，由此控制产生PWM信号的占空比，实现输出光强的动态调整；同时系统采用分阶段补光参数管理，实现对植物整个生长过程的智能控制；补光模块基于PWM控制信号，完成红、蓝光LED补光灯组亮度的按需调控；电源模块利用太阳能和220V市电两种供电模式，分别实现对监控设备和补光阵列供电；用户交互模块包括液晶屏和4*4键盘，完成检测结果显示、数据设定，不同植物不同周期的温度与光强阈值设定。 2.1 分波段光照、二氧化碳浓度、温度检测技术与检测模块开发 基于光合作用机理的分析，采用二氧化碳传感器、温度传感器和分波段光照传感器，对周围二氧化碳浓度、温度和光强进行实时检测，确保植物在合适温度、二氧化碳浓度和光强下进行光合作用，提高光合作用的效率，具体方案如下： 1）根据植物光合作用吸收特性，光照检测时采用透光波段为400-500nm、600-700nm，透光率为90%的滤光片进行光照检测的预处理；而后应用ISL29010光照传感器对已完成预处理的红、蓝光进行检测。 2）光照检测采用I2C总线方式传输，应用分时复用机制有效减少了总线占用空间、电路板的空间和芯片引脚的数量，其数据线接入单片机的P1.6，时钟线接入P1.7口，从而实现分波段光强检测。 3）温度检测采用18B20温度传感器及其外部电路实现，数据采集信号与单片机P1.5口相接，实现对温度的检测。 4）二氧化碳检测采用B530二氧化碳传感器，数据采集信号与单片机P1.1口相接，实现对二氧化碳浓度的监测。 2．2 系统补光量精确计算与控制模块设计 通过对光合作用机理的分析，系统根据不同植物对应的光合作用有效温度范围和需光量（即用户所设阈值），判断是否需要补光，并由系统光照阈值与监测结果之差精确计算补光量，通过信号占空比的变化实现精确补光。 1）控制模块采用STC12C5A60S2作为核心处理器，其具有2路PWM输出口、4个16位定时器、8路10位精度A/D转换、Flash存储空间56K、1280字节RAM，可完成系统相关软件的运行，支持在系统硬件条件下实现数据采集、阈值调整、智能控制等工作，为系统的功能实现提供了基础和保障。 2）P1口与采样控制信号连接，其中P1.0输出双路固态继电器信号，P1.5接入温度检测信号、P1.1口接入二氧化碳检测信号、P1.6、P1.7接入红蓝光光强检测信号，从而完成对传感器监测数据的采集和继电器控制。 3）P0口与液晶屏的8路数据口连接，P2口与4*4矩阵键盘连接，P3.0、P3.1负责单片机与串口之间的数据读写，完成程序的烧写；P3.2-P3.7与液晶控制端连接。 4）可根据植物的实际补光量计算出对应的PWM信号占空比，P4.2、P4.3为单片机2路PWM信号输出口，输出PWM信号控制LED灯组的亮度，实现精确补光。 2.3 LED输出光强可控技术与补光实施方案 基于光合作用机理分析，选择中心波长对应光合效率最高的光源，并采用PWM技术解决系统补光量随环境变化的问题，有效控制LED灯组输出光强，实现对植物按需补光。 1）补光模块包括LED阵列和外部驱动电路，LED灯组由继电器和PWM信号控制，利用220V市电供电，驱动电路采用PT4107驱动模块电路。 2）其中每个LED灯可包括多组含30个额定功率1W，中心波长为660nm的窄带红光LED阵列；以及20个额定功率1W，中心波长为450nm的窄带蓝光LED阵列，同时红光LED和蓝光LED分别独立工作，LED阵列的数目由最大需光量确定。 3）植物实施补光时单片机两路PWM信号分别控制与红、蓝光相连的PT4107驱动电路，通过PWM信号的占空比，控制红蓝光驱动芯片输出电流，从而采用恒流供电模式对LED灯组的光强进行控制，实现智能、精确补光功能。 2.4 双路供电模式与电源模块开发系统电源模块采用220V、太阳能电池双路供电模式。 1）LED灯组采用由220V市电供电，其控制电路通过继电器控制220V电源工作状态，当温度、二氧化碳浓度或采集到两路光强值均超出阈值，单片机控制端输出高电平，关断电源，反之接通。 2）其他模块电源均采用太阳能电池板供电，其输入端与太阳能蓄电池连接，利用MIC29302稳压变压模块将蓄电池输出12V进行降压产生5V稳压电源信号，再通过TPS79530及其外围标准电路产生3V稳压电源信号。二氧化碳传感器采用12V电源，单片机、温度检测以及用户交互模块均使用5V电源，光照检测采用3V电源。 3、定量补光决策软件设计 定量决策模块根据作物当前阶段的温度、二氧化碳浓度、分波段光强参数，动态采集三类环境因子实时信息，通过计算当前值与目标值之间的差值，反馈控制补光灯输出亮度，实现定量补光。系统通过累计本阶段有效时间自动决策是否进入下一个阶段，以此完成阶段参数的动态调整。 系统软件应用了模块化设计思路，减少了各模块间的相互影响和主流程的复杂度，主要包括包含传感器解析函数、用户配置管理函数、定量决策函数、PWM信号控制函数、键盘中断程序等五部分。定量决策过程如下： 1）根据作物当前生长阶段，提取相应的温度、CO2浓度，以及红蓝光目标光强等阶段参数； 2）检测实时环境温度、CO2浓度，以及红、蓝光光强，根据本系统滤光片滤光率90%的特性，进而对红蓝光实际光强进行修正处理； 3）根据阶段参数与实时值进行决策，当温度和CO2浓度不适宜，或外界光照充足时不进行补光，否则根据红蓝光差值计算补光量。 4）当不需补光时切断补光灯组220V电源开关，置于非工作状态；否则根据补光量，计算红蓝光对应占空比的PWM信号，将其输入到PT4107的驱动电路控制LED输入电流，继而控制红蓝光补光量。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一设计目的 光合作用对作物产量与品质具有重要作用，人工补光成为研究热点。现有补光系统采用定光强定光质的补光方式，未考虑实时环境与植物各生长阶段各波段需光量的差异性，造成补光不足或过度并存。本作品提出基于光合作用机理的植物智能补光新方法，并研制相应设备，提高作物产量和质量的同时降低能量消耗 二基本思路 系统包括5个模块：检测模块对温度、CO2浓度和红蓝光强分波段检测；控制模块根据目标值与实时值的差值计算补光量，并实现对植物不同阶段智能补光控制；补光模块基于PWM技术完成红、蓝光补光灯组亮度的按需调控;电源模块实现双路供电；用户交互模块包括按键及液晶屏 三创新点 1设计基于400-500nm和600-700nm集中吸收区检测的分波段光强检测方法与设备 2将温度及CO2检测加入补光系统，最大程度避免盲目补光造成能源浪费和光破坏 3提出基于反馈控制的定量决策方法，根据红蓝光目标光强与实时光强的差值精确计算补光量，实现通过PWM控制LED输出光强 4根据不同植物各阶段需光量差异，作品提出对植物分阶段智能补光，可在植物生长过程中动态调整目标参数，实现智能补光 四关键技术 1多环境因子的精准检测技术 2基于反馈控制的定量决策技术 3特定波段补光阵列光强可控技术 4植物多阶段管理技术 五主要技术指标 1光照传感器0—128Klux 2温度传感器-55—125℃ 3CO2传感器0—10000ppm 4红光LED30LM/个 5蓝光LED20LM/个
科学性、先进性
- 一科学性 1植物吸收光能的主要色素吸收峰集中在400-500nm和600-700nm，现有全波段检测方法不能表征植物实际利用的光能。本系统研发专用光强监测设备对上述两波段实行分波段检测 2在温度胁迫条件下造成光合作用的严重抑制；CO2浓度过低时，光合效率显著降低甚至停止。系统加入温度及CO2检测，有效提高了光能利用率 3根据色素对各波段光能吸收率的影响，系统选择与光合作用吸收峰范围对应的中心波长为660nm半波带宽度为40nm和中心波长为450nm半波带宽度为40nm的LED分别作为红、蓝光补光灯 4根据植物不同生长阶段的相关目标参数，实现针对各阶段智能按需补光 二先进性 1作品采用LED作为光源应用闭环智能补光模式，突破了传统补光系统定光强定光质的缺陷，采用定量补光决策算法，实现了科学的按需定量补光 2作品充分考虑温度及CO2环境因素对光合作用的影响，有效提高了光合作用效率 3作品针对植物各生长阶段适宜温度、CO2、光强和光质的差异，动态调整植物生长过程中各阶段目标参数
获奖情况及鉴定结果
- 获得我校第五届挑战杯一等奖 获得陕西省大学生第八届挑战杯一等奖 论文4篇 《Automatic Light Complementing System in General Agricultural Environment Based on LED Array》（2011 4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology. EI index） 《基于LED的设施农业智能补光系统》 （农机化研究2012年第1期） 《基于PWM可控的LED亮度自适应精准补光系统》 （农业工程学报终审） 《基于光合作用的定量补光方法与智能装备研究》（农业机械学报已投）
作品所处阶段
- 中试阶段，现已在杨凌深绿农业科技有限公司温室内试用，证明本系统能够实现分波段定量补光，使用效果良好
技术转让方式
- 普通许可
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一使用说明 见附录 二技术特点和优势 1光源光效高：测试得到LED阵列相对其他常用植物补光光源在至节能在50%以上 2按需定量精确补光：LED阵列输出光强正比于PWM占空比，可针对植物需补光量，通过PWM信号控制LED补光阵列亮度的方法，实现按需定量补光，避免补光不足或过量并存的问题 3补光方法更节能：系统能耗与PWM信号占空比成正比，因此相对现有LED补光系统开启只以100％占空比输出，可最大程度的节能 4根据植物不同生长阶段动态调整目标参数，实现植物生长过程的智能化补光 三适用范围 适用于温室大棚等设施作物栽培 四市场分析和经济效益预测 由于光合作用在植物生理方面的突出作用，研究发现对温室植物实施补光可促进作物生长发育、提高抗病力。以我国拥有大约250万公顷的温室大棚计算，若加入补光设备每亩减少化肥使用量10%，平均提高产量15%，LED补光技术耗电量只需传统植物生长灯的1/8，而本系统更节能。因此系统符合绿色高产农业思想，具有良好的市场前景和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 在国内，采用传统补光方式的设备通常未考虑植物光合作用有效波段范围，例如专利号为200810122999.1中的设计，采用了80-150W的荧光灯作为光源，灯管包裹蓝色薄膜产生蓝光，部分解决了普通光源对植物有效生理辐射比率低的问题，但相对于新型LED光源而言还是没有彻底解决，且耗能量仍然很大。北京华夏九州农业科技研究院承担“智能化立体补光系统项目”，依据植物光合作用只对特定波段光的吸收特性，采用同光合作用吸收谱相匹配的红橙绿蓝紫光LED的集成作为光照系统，但该项目未考虑温度因素，并在动态调整输出光强方面存在不足。宁波永丰园林绿化建设有限公司研发的补光系统利用LED固体光源，使补光灯发出与植物生长发育所需光合作用曲线基本一致的光谱和光强，对植物进行补光，从而提高植物的产量和品质，实现了对植物成熟期的调控，证实通过特定波长LED灯可增强植物抗病虫害能力。LED植物补光灯不仅在光源上具有优势，与传统补光灯相比可节电70%，理论上每个灯管使用时间长达3万多小时。例如专利号为200910181821.9中采用将LED通过弯曲角度改变光强，而为改变输出光强不，但其方法没有从实质上解决定光强定光段的问题，且操作麻烦。在国外，德国欧司朗光电半导体公司开发LED温室补光光源发光波长达到660nm，满足植物光合作用需求。此外，这种LED光源能将37%的输入电能转换为光能输出，红光加蓝光LED系统的发光效率比传统高压钠灯高60%，发光效率与传统温室补光源相比更为节能。试验使用大约5万个这种LED光源为几千平方米的种植面积补光，使温室能耗比过去降低40%。LED光源不仅能提高温室光能利用率，还能在作物不同的生长阶段有的放矢地促进作物生长，同时在10%和30%范围内有针对性地调整蓝光在总光照中的比例还可节约化肥。已有研发的LED补光系统未考虑不同植物不同阶段的光饱和点、所需光质和适宜温度不同的问题，仍存在补光光质比例不均衡、补光不足和过量现象并存，未能针对每一种农作物定向、定量补光，从而最大程度的提高补光效果同时节能。以上研究为本作品设计提供了启发，并为作品前期研究提供了很好的基础理论和实现技术。本作品在已有基础上进一步分析光合作用机理，强调按需定量补光方法，以此实现设施农业中补光过程的精准化、智能化和数字化。
