基于叶绿素荧光参数的LED动态补光方法的研究

通过分析现有的自动调光方式,研究一种新的补光方法—双线间接调光法,并以完成此方法为基础设计了动态补光系统。该系统分上下两个控制系统:下级以单片机为核心,PWM为控制方法,通过传感器测量光照强度直接调节LED输出光强;上级以上位机为控制核心,通过MINI-PAM测量植物的叶绿素荧光参数来调节下级单片机中的光照阈值,从而间接控制LED输出光强。应用该系统对番茄苗期的生长状态进行测试和对照实验,取得了良好的效果。     

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LED的设施农业智能补光系统

光是植物生长过程中不可或缺的因素之一,人工补光可有效提高植物光合作用,促进农作物增产增收。现有LED补光系统在环境适宜性监测、光源控制和植物不同阶段需光量差异性考虑不足,造成红蓝光补光不足和补光过度并存。针对以上问题提出了一种设施农业智能补光系统,支持定义植物不同生长阶段的需光量,采用STC12C5A60S2单片机实时监测设施内环境温度和光强,并通过PWM信号控制红、蓝光LED补光灯亮度实现作物按需定量的智能补光。该系统已初步进行试用,证明该系统稳定可靠,可有效实现定量精确补光。     

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。     

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RF-GSO的温室番茄自适应调光系统设计与试验

为满足温室番茄光环境的自适应调控,设计了基于RF-GSO(随机森林-萤火虫)模型的温室番茄自适应调光系统,实现温室中温度、CO_2浓度、光照强度的实时采集,同时通过无线传感网络将信息传输到温室番茄自适应调光系统软件平台上,该平台可动态显示实时环境参数,并能实现补光灯远程调控。采用RF-GSO算法对温室内番茄理想光照强度进行动态计算,并将其与传感器实测光照强度间的差值作为调控参数,实现温室内番茄光环境的自适应调控。试验结果表明,系统检测的光照强度与温室调光目标值的决定系数R~2为0. 955,均方根误差为2. 168μmol/(m~2·s),系统丢包率为0. 417%,说明基于RF-GSO的温室番茄自适应调光系统运行稳定、可靠。     

基于WSN的设施农业调光系统设计

针对现有调光系统存在控制方式单一、维护费用高和调光不科学等问题,设计了一种基于无线传感器网络的设施农业调光系统,主要包括主控节点、驱动节点及植物LED执行器等3部分。系统采用CC 2530作为核心处理器,完成数据分析、处理和传输等功能,提供多种控制方式,用户可根据实际调光需要选择最优控制方式。初步试用表明,系统可根据用户需求通过无线传输方式实现对温室光环境的调节,具有易扩展、能耗低和稳定性高等特点。     

一种叶绿素实时检测的新方法

介绍了一种基于MINIPAM荧光仪调制脉冲式荧光检测技术的LED辐照叶绿素荧光参数的实时检测方法。该方法利用可编程电源为LED列阵提供恒流输出驱动,LED列阵作为激发叶绿素产生荧光的光化光,利用MINIPAM荧光仪对植物光系统II的稳态荧光Fs、光适应下最大荧光Fm’进行检测,并结合环境测控系统的测量,综合分析环境因素对实际量子效率、实际电子传递速率等参数的影响。MINIPAM荧光仪通过与上位机通信,可以进行实时在线监控。     

应用于植物生理状态检测的低成本叶绿素荧光成像系统

[目的/意义]植物光合作用过程中释放的叶绿素荧光与光化学反应紧密耦合,其荧光信号采集是光合作用效率、植物生理及环境胁迫等无损的测试手段。作为获取该信号的叶绿素荧光成像系统通常价格昂贵,针对此问题,本文提出一种低成本叶绿素荧光成像系统设计方案。[方法]叶绿素荧光成像系统主要由激发光灯组、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相机及其控制电路和智能手机上位机三部分组成。激光发灯组采用LED面光源和碗状结构,通过对光场的仿真分析保证光照强度和均匀性;采用微型CMOS相机进行荧光图像采集,利用智能手机作为上位机完成激发光控制,并将数据回传至手机或服务器进行分析、处理、存储及显示。[结果和讨论]基于该方案,制造了一款仪器样机,其激发光强最大为6250μmol/(m²·s),光场整体变化幅度偏差为2%,光谱范围为400～1000 nm,稳定的采集频率最高可达42 f/s,具备连续光激发和调制脉冲激发功能。[结论]通过叶绿素荧光图像采集实验验证了本仪器的有效性。该仪器结构简单、造价成本低,在植物生理状态检测领域有着很好的应用价...     

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。     

集装箱植物工厂研制与试验

针对植物工厂投入成本高、内部运行成本高和可移动性差等现状,开发了一种集装箱植物工厂。集装箱植物工厂由模块化栽培设施构成,主要包括栽培系统、补光系统、环境调控系统、营养液系统和控制系统等。生菜栽培试验结果表明,集装箱植物工厂可用于蔬菜生产种植,其产量和品质具有一定的提高。      

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。     

基于ZigBee的密闭式LED植物工厂监控系统

利用无线传感网络技术、LED控制技术以及WEB技术,设计并实现了基于Zig Bee的密闭式LED植物工厂监控系统。本系统由3部分组成,包括以工控机为上位机的监控中心、基于Zig Bee的数据传输网络、基于RS4 8 5总线的环境数据采集。上位机运行基于tomcat的服务器程序,周期性地发送控制和采集命令,存储和显示相关环境参数信息,并提供远程用户浏览器访问;Zig Bee无线网络提供数据的透明传输,通过设计Zig Bee应用层协议控制数据包的传输目的地址,确保数据传输的可靠性和准确性;环境数据采集部分通过RS485网络采集和控制环境参数,如CO2浓度、温湿度、LED光照强度等。本文实现的基于Zig Bee的密闭式LED植物工厂环境监控系统,提供了一种低成本、低能耗、高效率并简单实用的植物工厂环境监控的解决方案。     

植物工厂间歇式人工光源的试验研究

设计了用于植物工厂的间歇式人工光源,混合使用发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)和荧光灯,光合有效辐射(Photo-synthetically Active Radiation,PAR)最高为550μmol·m-2·s-1。通过生菜栽培试验,研究3个不同光波动周期(40/40、80/40、120/40)对生菜生理和生长的影响。结果表明:光波动环境可提高生菜的光合能力,生菜的叶绿素在光波动周期较短时含量较高,生菜的干鲜质量随着光波动周期缩短而降低,光波动环境下生菜的单位功耗产量要高于固定光源。     

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。     

温室LED补光技术在西兰花种植中的应用

光照是蔬菜生长的必需条件,北方冬季光照时间短,不利于喜光温室蔬菜的种植。温室LED补光设备是根据植物的光照需求特性而设计,试验证明,应用LED补光技术的西兰花比不补光的对照区增产14.3%,而且西兰花的花密色深,采收期提前。     

基于互联网的温室控制系统开发（摘选）

该研究旨在设计一种基于互联网的温室控制系统,以便实现远程监测和控制。所设计的系统包括硬件（传感器、单片机、交换机、电脑、网络摄像头和执行器）和软件（采集和控制）。通过将执行器（风机、泵、喷雾器、机械遮光装置和可旋转摄像头）安装在试验温室并且连接到计算机互联网上对系统性能进行测试。在水培生菜等整个生长期内对其微气候参数进行监测,在3种操作模式（手动、自动和定时）下,对温度、湿度、光照和含水率进行控制。利用开关对风机、泵和喷雾器进行控制以确保微气候参数能保持在所需范围内。机械遮阴和摄头旋转采用伺服电机驱动,由PWM信号驱动进行控制。对3种模式下系统的性能进行评价和比较。结果表明,对温度、湿度、光照和含水率4个参数可以通过互联网Remote Desktop完成远程控制。监控单元提供的植物生长图片可作为制定控制决策的附加信息。      

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。     

红蓝光交替照射下生菜能量利用与光合性能分析

针对植物工厂中人工光源能耗大的问题,进行了交替供光模式提高生菜能量利用率、降低光源能耗的研究.试验在全人工光型植物工厂中进行,采用供光模式可调的红蓝LED光源,以不同间隔(5、10、15、30、60 min)的红蓝光交替照射生菜,并以纯红光、纯蓝光以及红蓝光同时照射作为对照,分析了红蓝光交替照射对生菜能量利用及光合性能...