设施农业可调光质精确补光系统

针对环境温度、光质和光强对农作物光合作用的影响,提出结合实时环境检测、特定波段补光与定量决策的精确补光方法,设计了基于反馈控制机制的定量决策算法。以单片机为核心控制器件,设计了可调光质的精准补光系统,可根据温度及红蓝光目标光强与实时光强的差值精确计算补光量,通过PWM占空比调整LED输出光强。实验结果证明系统可实现按需补光;采用的LED光源较白炽灯节能54%,较荧光灯节能83%;在相同LED光源时,较常规LED补光系统的节能率在不同光质阈值和气候条件下具有一定波动,平均节能在30%以上。     

基于专家规则的温室智能补光系统设计

由于现有温室补光系统未针对专家规则考虑植物不同阶段补光量的差异和自动实现分阶段按需定量补光,因此设计了基于专家规则的智能补光系统。系统以51单片机为核心,采用模块化设计,主要包括控制模块、电源模块、时钟模块、人机交互模块和检测模块。系统利用DS1302时钟芯片模块模拟阶段补光累积时间,根据用户设置的各阶段光强阈值和阶段信息,当植物生长进入下一阶段时,系统会依据用户的相关设置计算对应PWM 控制信号的占空比,并输出 PWM 控制信号,控制植物的补光量。实验证明,系统可对植物各阶段进行按需补光,避免了不同阶段补光不足和过量的问题,从而提高了能源利用率,也为研究光强对植物的影响提供参考。     

基于嵌入式的植物生长补光灯设计

在植物补光过程中,针对单一色源LED灯无法提供充足光源以满足植物特定生长的问题,本研究基于嵌入式设计了一款植物生长补光灯。该补光灯选用STM32单片机作为中心控制模块,可以对检测到的光源信息进行处理,计算补光值,并根据补光值自动选取相适应的驱动电路,实现对补光模块的精准控制。测试结果表明,该设计可实现光质、光强及工作方式的动态调节,操作简单、功耗低、性价比高,能有效实现精准定量补光,应用前景广阔。     

基于单片机的可调光质LED大棚蔬菜补光系统设计

针对北方冬季大棚蔬菜光照不足的问题,提出红色和蓝色LED的R/B配比可调的补光方法,并设计了基于单片机的能适应不同蔬菜生长需要的LED自动补光系统,系统可根据大棚内的光照强度自动开启,通过调整PWM信号的占空比调节LED的R/B配比,可满足多种蔬菜的生长需要。实验结果表明,该补光系统能促进大棚蔬菜的生长。     

LED红蓝组合光谱对水培奶油小白菜生长及品质的影响

在设施水培条件下,以黄金四季奶油小白菜为试验材料,LED灯为人工光源,自然光为对照,研究不同光谱LED植物光灯的红蓝光波段组合对黄金四季奶油小白菜生长参数的影响,为植物工厂水培小白菜提供人工补光数据支撑。试验设定为蓝光(455nm)相对光谱固定不变,红光相对光谱分别为T1(7.53%)、T2(15.40%)、T3(30.28%)条件下的生长速度及品质。结果表明,红光相对光谱为30.28%时试验组小白菜的菜叶长度、株高、蛋白质以及叶绿素含量均显著高于其他处理,30.28%的红光相对光谱可作为水培小白菜的适宜光配合。     

电动可调型补光系统的研制与应用

我区位于北纬35°~45°之间的农业生产种植密集区域,春、秋和冬三个季节太阳照射强度和太阳照射持续时间都普遍偏少,如遇到连阴天,严重影响作物的正常生长,造成农民经济损失严重。本文介绍一种温室电动可调型补光系统的构成、技术参数、主要特点及试验应用情况,该系统可以根据不同作物的需光量进行光照度、光周期的合理调控,从而控制植物生长的季节并彻底缩短植物生长的时间,达到增产增收的目的。     

集装箱植物工厂自动控制系统建立

针对集装箱植物工厂体积小、可控性强的特征,利用最适化控制原理,针对控制成本低、控制效果好的营养液管理、人工补光、箱内环境温度3个因子,基于可编程控制器建立了一套自动控制系统。该系统将人机交互触摸屏作为上位机,采用开关量控制原理进行营养液循环和LED周期补光的管理;利用闭环PID控制原理,进行箱内温度的调节,可实时监测集装箱内部温度和营养液特征变化过程。同时,采用人机友好的工作方式,通过调用管理者输入的各类参数,自动进行控制决策并执行控制程序。试验验证表明:该系统能够根据人工设定的控制参数,实现营养液分层循环、定时供液;能够按照设定时间自动控制LED光源的闭合/断开,实现不同光照周期的转换;能够实时监测温度,并根据目标温度调节制冷/供暖机构,使集装箱内温度持续保持在适宜作物生长的范围内。参照系统在集装箱植物工厂内使用情况,可以确定本系统成本低、运行稳定,能够满足集装箱植物工厂中农作物管理需求。     

基于单片机的温室大棚LED智能补光系统设计

目前,在黑龙江地区的温室大棚内种植反季节或当下蔬菜时,补光时间和补光强度全部靠人员经验,因此无法达到精准控制。本文针对这一问题设计一个基于AVR单片机的温室大棚LED智能补光系统。该系统基于ATmega16L单片机,利用光敏电阻阻值变化引起电路电流的变化,测出大棚内光照的强度,设定占空比进行间断补光,通过脉宽调制(PWM)控制LED灯光照强度,从而达到实际需要的光饱和点。本文选用蓝光、红光比例1∶8的LED补光灯补光,代替传统的一些补光手段。该系统节能环保、安全性高、稳定性好,在温室大棚智能控制方面具有很好的应用和推广前景。     

阳台农业立体栽培自动控制系统设计与实现

从解决阳台农业立体栽培系统的自动补水、补光问题出发,针对人工定时补给和传感器自动感应补给的不同操作需求,设计开发了基于STM32F103微控制器作为嵌入式芯片的立体栽培架自动补给控制系统,实现了硬件和软件结合的自动补水与补光控制。测试结果表明,该控制系统可较好地实现通过时钟进行人工定时准确精量补水、补光控制,也可有效获取基质湿度传感器及光照传感器的实时数据,根据浇水及光照设置阈值,开启或关闭补光补水控制,达到栽培架中基质水分及植物需光有效补给的目的。通过多次运行,该系统性能稳定、可靠,可满足阳台农业立体栽培系统自动补水、补光要求。     

基于叶绿素荧光传感器的植物LED补光测控系统

针对目前温室植物补光无法针对植物生长状况实时反馈控制的问题,以LED补光系统为基础,设计了基于FluorMonitor叶绿素荧光传感器的植物补光测控系统。通过SDI-12和MODBUS通信协议实现对叶绿素荧光参数和光温参数的采集;并根据叶绿素荧光参数F_t、F_m、光化学量子效率Yield的测量流程和采集周期,设计了自动采集模式和手动采集模式;通过PWM调光模块的设计,完成对LED发光强度的精确调控;通过设计人机接口,实现了对光温参数和叶绿素荧光参数的显示和人机交互操作。以生菜为研究对象,进行了不同调光方式的补光调控试验,试验结果表明,基于叶绿素荧光的LED补光控制系统可以实现对光强、ETR和Yield的稳定控制,增加生菜对光能的利用效率,实现了基于作物生理信息的反馈控制。     

光质对豌豆芽苗菜生长与生理特性的影响

为研究不同光质对豌豆芽苗菜生长及品质的影响,以“绿山谷麻豌豆2号”为研究对象,在育苗纸上进行栽培,共设置对照（白光）、红光∶蓝光=3∶1、红光∶蓝光=4∶1、红光∶蓝光=5∶1、红光∶蓝光=9∶1、红光∶蓝光=7∶3、红光∶绿光∶蓝光=6∶2∶1、红光∶绿光∶蓝光=9∶1∶0、红光∶绿光∶蓝光=8∶1∶1、红光∶绿光∶蓝光=7∶1∶2共计10个处理对豌豆芽苗菜进行试验研究,在第8天时,测定豌豆芽苗菜生长及品质指标,以期筛选豌豆芽苗菜最适光质。结果表明:红光∶绿光∶蓝光=9∶1∶0的植株株高最高,其次是红光∶蓝光=5∶1和3∶1;红光∶蓝光=3∶1的植株茎粗最粗及根系长度最长;红光∶绿光∶蓝光=9∶1∶0的植株地上部鲜质量、经济产量、可食率最大,其次是红光∶蓝光=5∶1;红光∶蓝光=5∶1的植株全株鲜质量、全株干质量和生物产量最大,叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量及类胡萝卜素显著高于其他处理。综上所述,处理3（红光∶蓝光=5∶1）能促进植株生长,提高生物产量,有效增加植株干物质含量的积累,因此红光∶蓝光=5∶1可作为豌豆芽苗菜生长的适宜光质。      

不同光质对甘蔗组培苗的影响

对不同LEDs光质及植物生长灯对甘蔗组培苗的影响进行了试验研究,结果表明:LEDs红蓝混合光下培养甘蔗材料增殖和生根状况要优于LEDs单色光及白光下的材料,而且不定芽增殖、不定芽形态、增殖阶段干物质含量、色素含量、生根苗质量方面均优于或不低于荧光灯下培养的材料,可以作为荧光的替代光源用于甘蔗组培苗生产。植物生长灯下培养材料与荧光灯差异不显著。      

不同频率LED红蓝光交替照射对生菜生长与品质的影响

在全人工光型植物工厂中进行试验,运用供光模式可调的红蓝LED光源,以不同频率的红蓝光交替照射生菜,并以同比例的红蓝光同时照射生菜作为对照组,通过测定生菜生长动态、光合色素、可溶性糖、粗蛋白、维生素C以及硝酸盐含量,研究红蓝光供光模式及交替频率对生菜生长与品质的影响。结果表明:在等能耗基础上,16 h光期里,红蓝光交替1次有利于生菜地上部分生物量、可溶性糖以及粗蛋白的积累;红蓝光交替4次有利于生菜中维生素C的积累以及硝酸盐的代谢;所有处理中,叶绿素及类胡萝卜素含量均以4次和8次红蓝光交替为最大,且二者之间无显著性差异。     

不同频率LED红蓝光交替照射对生菜生长与品质的影响

在全人工光型植物工厂中进行试验，运用供光模式可调的红蓝LED光源，以不同频率的红蓝光交替照射生菜，并以同比例的红蓝光同时照射生菜作为对照组，通过测定生菜生长动态、光合色素、可溶性糖、粗蛋白、维生素C以及硝酸盐含量，研究红蓝光供光模式及交替频率对生菜生长与品质的影响。结果表明：在等能耗基础上，16h光期里，红蓝光交替1次有利于生菜地上部分生物量、可溶性糖以及粗蛋白的积累；红蓝光交替4次有利于生菜中维生素C的积累以及硝酸盐的代谢；所有处理中，叶绿素及类胡萝卜素含量均以4次和8次红蓝光交替为最大，且二者之间无显著性差异。     

不同LED光质对番茄幼苗生长特性的影响

为保证设施番茄周年生产的壮苗供给,研究了人工气候环境下不同光质处理对番茄幼苗不同时期内生长特性的影响,以确定培育番茄壮苗的最佳人工光源。试验采用LED为光源,选取红蓝比分别为3(RB3/1)、5(RB5/1)、7(RB7/1)和白光(W)4个处理对番茄幼苗进行为期28 d的照射,光周期为12 h/12 h,自然光照射为对照,并利用综合评价方法分析不同LED光质对番茄幼苗不同时期内生长特性的影响。试验结果表明:光质对番茄苗期下胚轴、叶面积和根冠比的影响极显著(P0.01);生长初期光质对幼苗生长株高、茎粗、根数、根长、生物量、壮苗指数和G值的影响不显著,而后变为显著(P0.05),且不同时期内光质对各项指标的影响存在差异;依据不同生长时期各项指标的综合评价结果,确定番茄苗期较优光照组合为出芽后两周内采用红蓝比为RB7/1光质,而后采用白光LED光质进行照射;红蓝比为RB3/1的光质不适宜单独作为照射光源用于培育番茄壮苗。     

非连续光对无土栽培番茄苗期无机元素吸收的影响

本研究在人工光型植物工厂中采用岩棉种植番茄植株,分析了在总光量一致的基础上红光背景下蓝光补充介入和蓝光取代介入两种非连续供光模式对番茄植株营养液无机元素吸收及叶片色素光谱参量的影响。结果表明,与连续红光相比,蓝光以不同方式介入均降低了番茄叶片中K元素含量而提高了茎中K元素含量,蓝光介入一定程度上抑制了番茄K元素由茎向叶片的运输;蓝光以不同方式介入均提高了番茄地上部中Mg含量（增幅8.93%~13.63%）,而降低了地上部Fe含量（降幅28%~48%）及Mn含量（降幅3.93%~21.24%）。其中蓝光补充介入模式下番茄叶片中Mg元素含量随着蓝光补充强度的升高而增加,叶片Mg含量在蓝光取代介入模式下高于蓝光补充介入模式而地上部Fe含量趋势则相反,蓝光取代介入的非连续光模式较蓝光补充介入模式而言更有利于刺激叶片中Mg的积累而抑制地上部Fe的积累。与连续红光相比,蓝光以不同方式介入后番茄叶片色素光谱参量Hue值（色相角）和MCARI值（修正叶绿素吸收比指数）均有所提高,相反,Red/Green值（红绿区域光谱反射比）均有所降低,蓝光补充介入模式下叶片Hue值和MCARI值随蓝光补充强度的升高而增大,R/RB80处理下Hue、MCARI值最高,较对照分别提高4%、124%;蓝光取代模式下Hue值和MCARI值随蓝光间歇时间的延长先增大后减小,R/RB(1h)处理下Hue、MCARI值最高,较对照分别提高6%、215%。番茄叶片在绿光波段的反射率与各处理下Hue、MCARI值变化趋势接近,而番茄叶片中Mg元素含量与叶绿素光谱参量呈正相关性。蓝光取代介入的非连续光模式较蓝光补充介入模式而言更有利于刺激叶片类胡萝卜素分解和叶绿素积累,非连续供光模式通过调控番茄植株无机元素的吸收进而作用于叶片色素的形成。本研究为无土栽培番茄光环境调控提供了理论依据。     

不同光质对油菜幼苗生长的影响

油菜种子播种于盛有泥炭土、珍珠岩和蛭石的混合基质的培养皿,然后将培养皿放置在9种不同的光质进行培养:荧光灯（FL）、植物生长灯（PGL）、LEDs红光（R）、LEDs蓝光（B）、LEDs绿光（G）、LEDs白光（W）以及不同LEDs红、蓝配比光质（RB 2∶1,RB 3∶1及RB 4∶1）。结果表明,在LEDs绿光下,油菜幼苗高生长最高,其次是LEDs红光下生长的幼苗,而荧光灯下生长的幼苗最低,而且进一步结果表明,在单色光（绿光、红光及蓝光）下生长的幼苗高及生长速度均大于在复合光质中生长的油菜幼苗,但是不同的光质对幼苗生长早期高生长规律无影响。而幼苗根的生长、叶面积、叶绿素含量及幼苗地表茎粗结果与前相反,混合光源下的幼苗在这些方面明显优于单色光。同时,干、鲜质量结果也表明,单色光不适于油菜幼苗的生长,而在不同LEDs红、蓝配比光质下生长的幼苗质量不低于在荧光灯下生长的幼苗。幼苗茎段组织切片结果表明,在不同LEDs红、蓝配比的光质下生长的油菜幼苗均有大量初生木质部形成,尤其是在RB 3∶1光质中生长的幼苗,已初步具有完整的初生木质部及形成层,优于荧光灯下生长的幼苗。      

不同光质处理对蓝莓组培苗生长的影响

研究了不同红光（R）和蓝光（B）比对蓝莓组培苗生长和生理的影响。使用10种不同的红蓝光比（即1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9和1∶10）来处理蓝莓组培苗,测定其光合色素含量。结果表明:T4处理的叶绿素a、总叶绿素含量最大;T10处理的叶绿素b含量最大;T3处理的胡萝卜素含量最大。不同比例的蓝光和红光可以改变蓝莓组培苗的生长和生理指标。      

基于STM32F407微型植物工厂智能控制系统研制

为了给微型植物工厂内部作物提供良好的生长环境,设计了一种基于STM32F407的微型植物工厂智能控制系统,包括微控制器模块、人机交互模块、数据采集模块、网络模块和执行机构驱动模块等。同时,制定了环境因子控制策略,构建了微型植物工厂智能控制系统软硬件,并进行了作物种植试验。结果表明:该系统稳定可靠,能够为作物生长提供适宜的光照、温湿度和水肥条件。     

基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统

光是植物进行光合作用的主要能量来源，光照好坏直接影响作物的产量和品质。本研究针对现有植物补光系统多以功能叶光合能力为基准进行冠层补光，导致冠层新生叶光抑制、株间功能叶位补光不足以及补光位置不能适应作物生长进行动态调整的问题，以黄瓜为研究对象，设计了一种基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统。该系统由智能控制子系统、冠层-株间LED补光子系统、冠层-株间环境监测子系统和补光灯升降子系统组成，通过ZigBee技术实现各子系统间无线通信。其中冠层-株间环境监测子系统分别获取冠层和株间环境信息并发送至智能控制子系统，智能控制子系统根据环境实时信息调用冠层调控模型和株间适宜叶位调控模型获得相应调控目标值，并将其下发至冠层-株间补光灯，实现冠层与株间补光灯的动态实时调控。在陕西省泾阳县蔬菜产业综合服务区蔬菜基地分别部署立体补光设备和传统冠层补光设备，并进行系统调控效果验证试验。结果表明，立体补光区黄瓜植株的株高和茎粗显著增长，其中相比传统冠层补光区平均株高、茎粗分别增长了8.03%和7.24%，相比自然处理区平均株高、茎粗分别增长了26.51%和36.03%；在一个月的采摘期内，立体补光区相比传统冠层补光区和自然处理区产量分别提升了0.28和1.39 kg/m²，经济效益分别增加了2.82和4.88 CNY/m²，说明立体光环境调控系统能够提高经济效益，具有应用推广价值。