基本信息
- 項目名稱：
- 基于光合作用機理的設施農(nóng)業(yè)智能補光系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 針對設施農(nóng)業(yè)中定光強、定光質(zhì)補光方法的不足，基于光合作用機理分析，提出實時環(huán)境監(jiān)測、特定波段補光與定量決策相結(jié)合的精確補光方法，設計了與作物生長過程相適應的智能補光系統(tǒng)。作品考慮溫度、二氧化碳對補光效果的影響，根據(jù)作物各階段特征動態(tài)調(diào)整目標光強，采用實時紅藍光光強與目標光強的差值計算補光量，通過PWM調(diào)整LED輸出光強，實現(xiàn)精確按需補光。實際應用表明，作品實現(xiàn)了智能化、精確化、低能耗補光。
- 詳細介紹：
- 1、光合作用機理與補光方法分析 太陽輻射光譜中大部分光譜能量不能被植物所吸收，植物對太陽光能的利用率不超過5%。光合作用效率與光的吸收效率、當前環(huán)境溫度、二氧化碳濃度等因素密切相關。吸收效率取決于色素對光能吸收能力，根據(jù)光合作用吸收光譜可發(fā)現(xiàn)植物光能吸收的三種主要色素Chla(葉綠素a)，Chlb（葉綠素b）和Car(類胡蘿卜素)的吸收峰集中在400-500nm和600-700nm這兩個波段，太陽光譜中其余波段的光能量幾乎很難被植物色素細胞捕獲利用，如果采用傳統(tǒng)全波段光照檢測或檢測400-700nm區(qū)域輻射波段信號，其測試結(jié)果并不能精確表征植物實際可利用的光能。同時，環(huán)境溫度、二氧化碳濃度對光合作用影響很大，其中植物在冷害溫度和高溫條件均會導致葉綠體的活性降低、酶鈍化、部分氣孔關閉等現(xiàn)象，造成光合速率降低幅度竟可達90％，而且即使在中、低光強條件下也存在光抑制，甚至光破壞現(xiàn)象，造成不可逆的損害；同時CO2是光合作用的原料，CO2濃度過低時，光合效率顯著降低甚至完全停止。因此，本作品提出了一種與光合作用機理相適應的補光方法和特定波段補光陣列與定量決策技術(shù)，包括光合作用中特定波段光強、環(huán)境溫度、二氧化碳監(jiān)測，以及根據(jù)不同作物不同階段進行智能補光。 1）多環(huán)境因子的精準檢測方法。實時環(huán)境信息獲取是定量補光的基礎條件，根據(jù)光合作用敏感的有效光波波長范圍，提出選擇400-500nm和600-700nm的ISL29010芯片，設計獨立監(jiān)測這兩個波段光強的光照傳感器，實現(xiàn)分波段實時監(jiān)測；同時加入溫度和二氧化碳監(jiān)測模塊，根據(jù)實時溫度及二氧化碳濃度判斷是否進行補光。本方法不僅能提高光能利用率，同時更可避免由于溫度脅迫條件下過度補光造成光損害以及二氧化碳濃度過低對光合作用的影響。 2）特定波段補光陣列。光合作用中，光系統(tǒng)I、光系統(tǒng)Ⅱ中對應完成能量積累并產(chǎn)生葡萄糖過程的光子波長為680nm和700nm；而葉綠素的形成、氣孔的開啟以及光合節(jié)律等生理過程，其反應對應的光子波長在440－480nm之間。光合作用各反應可直接捕獲對應能級光子，也可捕獲高能級的光子完成光反應，其中高能級光子通過非輻射復合以熒光等形式完成能量衰減，正向偏差越大衰減的能量越多，光利用率明顯降低。綜上，考慮色素對光能吸收率影響以及能量有效利用率，本系統(tǒng)提出采用中心波長為660nm、半波帶寬度為40nm的LED作為紅光補光燈，以及中心波長為450nm、半波帶寬度為40nm的LED作為藍光補光燈。 3）定量決策方法。光合作用中存在光補償點和光飽和點，前者是指光合作用速率與呼吸作用速率相同時的光照強度，在此情況下不會進行物質(zhì)積累，后者是指當達到某一光強時，光合速率就不再隨光強的增高而增加。因此，補光系統(tǒng)的目標光強應處于兩者之間，以此提高補光效率，避免補光不足或補光過度。本作品可根據(jù)作物需求設定目標光強，并通過目標值與當前值計算下一周期補光量，以此控制補光陣列輸出相應光強，進而實現(xiàn)紅藍光光強按需輸出的工作模式。在決策過程，同時判斷溫度和二氧化碳濃度是否滿足光合作用條件，滿足時才補光。 4）作物分階段目標參數(shù)管理模式。相關研究發(fā)現(xiàn)不同植物的光合作用需光量和紅藍光比例在不同生長階段差異明顯。作品采用分階段的補光參數(shù)管理，根據(jù)生長過程全程監(jiān)測，自動進行階段轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了溫度、CO2濃度、需光量等目標參數(shù)的智能調(diào)整，以此實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程補光系統(tǒng)的自動控制。 2、系統(tǒng)硬件設計 基于光合作用機理分析本系統(tǒng)采用模塊化設計思路，將系統(tǒng)劃分為專用的檢測模塊、控制模塊、補光模塊、電源模塊和用戶交互模塊。其中，檢測模塊實現(xiàn)實時二氧化碳濃度、溫度采集和分波段檢測紅、藍光光強信息；控制模塊根據(jù)預設目標光強與實時光強的差值計算補光量，由此控制產(chǎn)生PWM信號的占空比，實現(xiàn)輸出光強的動態(tài)調(diào)整；同時系統(tǒng)采用分階段補光參數(shù)管理，實現(xiàn)對植物整個生長過程的智能控制；補光模塊基于PWM控制信號，完成紅、藍光LED補光燈組亮度的按需調(diào)控；電源模塊利用太陽能和220V市電兩種供電模式，分別實現(xiàn)對監(jiān)控設備和補光陣列供電；用戶交互模塊包括液晶屏和4*4鍵盤，完成檢測結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)設定，不同植物不同周期的溫度與光強閾值設定。 2.1 分波段光照、二氧化碳濃度、溫度檢測技術(shù)與檢測模塊開發(fā) 基于光合作用機理的分析，采用二氧化碳傳感器、溫度傳感器和分波段光照傳感器，對周圍二氧化碳濃度、溫度和光強進行實時檢測，確保植物在合適溫度、二氧化碳濃度和光強下進行光合作用，提高光合作用的效率，具體方案如下： 1）根據(jù)植物光合作用吸收特性，光照檢測時采用透光波段為400-500nm、600-700nm，透光率為90%的濾光片進行光照檢測的預處理；而后應用ISL29010光照傳感器對已完成預處理的紅、藍光進行檢測。 2）光照檢測采用I2C總線方式傳輸，應用分時復用機制有效減少了總線占用空間、電路板的空間和芯片引腳的數(shù)量，其數(shù)據(jù)線接入單片機的P1.6，時鐘線接入P1.7口，從而實現(xiàn)分波段光強檢測。 3）溫度檢測采用18B20溫度傳感器及其外部電路實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集信號與單片機P1.5口相接，實現(xiàn)對溫度的檢測。 4）二氧化碳檢測采用B530二氧化碳傳感器，數(shù)據(jù)采集信號與單片機P1.1口相接，實現(xiàn)對二氧化碳濃度的監(jiān)測。 2．2 系統(tǒng)補光量精確計算與控制模塊設計 通過對光合作用機理的分析，系統(tǒng)根據(jù)不同植物對應的光合作用有效溫度范圍和需光量（即用戶所設閾值），判斷是否需要補光，并由系統(tǒng)光照閾值與監(jiān)測結(jié)果之差精確計算補光量，通過信號占空比的變化實現(xiàn)精確補光。 1）控制模塊采用STC12C5A60S2作為核心處理器，其具有2路PWM輸出口、4個16位定時器、8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換、Flash存儲空間56K、1280字節(jié)RAM，可完成系統(tǒng)相關軟件的運行，支持在系統(tǒng)硬件條件下實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、閾值調(diào)整、智能控制等工作，為系統(tǒng)的功能實現(xiàn)提供了基礎和保障。 2）P1口與采樣控制信號連接，其中P1.0輸出雙路固態(tài)繼電器信號，P1.5接入溫度檢測信號、P1.1口接入二氧化碳檢測信號、P1.6、P1.7接入紅藍光光強檢測信號，從而完成對傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和繼電器控制。 3）P0口與液晶屏的8路數(shù)據(jù)口連接，P2口與4*4矩陣鍵盤連接，P3.0、P3.1負責單片機與串口之間的數(shù)據(jù)讀寫，完成程序的燒寫；P3.2-P3.7與液晶控制端連接。 4）可根據(jù)植物的實際補光量計算出對應的PWM信號占空比，P4.2、P4.3為單片機2路PWM信號輸出口，輸出PWM信號控制LED燈組的亮度，實現(xiàn)精確補光。 2.3 LED輸出光強可控技術(shù)與補光實施方案 基于光合作用機理分析，選擇中心波長對應光合效率最高的光源，并采用PWM技術(shù)解決系統(tǒng)補光量隨環(huán)境變化的問題，有效控制LED燈組輸出光強，實現(xiàn)對植物按需補光。 1）補光模塊包括LED陣列和外部驅(qū)動電路，LED燈組由繼電器和PWM信號控制，利用220V市電供電，驅(qū)動電路采用PT4107驅(qū)動模塊電路。 2）其中每個LED燈可包括多組含30個額定功率1W，中心波長為660nm的窄帶紅光LED陣列；以及20個額定功率1W，中心波長為450nm的窄帶藍光LED陣列，同時紅光LED和藍光LED分別獨立工作，LED陣列的數(shù)目由最大需光量確定。 3）植物實施補光時單片機兩路PWM信號分別控制與紅、藍光相連的PT4107驅(qū)動電路，通過PWM信號的占空比，控制紅藍光驅(qū)動芯片輸出電流，從而采用恒流供電模式對LED燈組的光強進行控制，實現(xiàn)智能、精確補光功能。 2.4 雙路供電模式與電源模塊開發(fā)系統(tǒng)電源模塊采用220V、太陽能電池雙路供電模式。 1）LED燈組采用由220V市電供電，其控制電路通過繼電器控制220V電源工作狀態(tài)，當溫度、二氧化碳濃度或采集到兩路光強值均超出閾值，單片機控制端輸出高電平，關斷電源，反之接通。 2）其他模塊電源均采用太陽能電池板供電，其輸入端與太陽能蓄電池連接，利用MIC29302穩(wěn)壓變壓模塊將蓄電池輸出12V進行降壓產(chǎn)生5V穩(wěn)壓電源信號，再通過TPS79530及其外圍標準電路產(chǎn)生3V穩(wěn)壓電源信號。二氧化碳傳感器采用12V電源，單片機、溫度檢測以及用戶交互模塊均使用5V電源，光照檢測采用3V電源。 3、定量補光決策軟件設計 定量決策模塊根據(jù)作物當前階段的溫度、二氧化碳濃度、分波段光強參數(shù)，動態(tài)采集三類環(huán)境因子實時信息，通過計算當前值與目標值之間的差值，反饋控制補光燈輸出亮度，實現(xiàn)定量補光。系統(tǒng)通過累計本階段有效時間自動決策是否進入下一個階段，以此完成階段參數(shù)的動態(tài)調(diào)整。 系統(tǒng)軟件應用了模塊化設計思路，減少了各模塊間的相互影響和主流程的復雜度，主要包括包含傳感器解析函數(shù)、用戶配置管理函數(shù)、定量決策函數(shù)、PWM信號控制函數(shù)、鍵盤中斷程序等五部分。定量決策過程如下： 1）根據(jù)作物當前生長階段，提取相應的溫度、CO2濃度，以及紅藍光目標光強等階段參數(shù)； 2）檢測實時環(huán)境溫度、CO2濃度，以及紅、藍光光強，根據(jù)本系統(tǒng)濾光片濾光率90%的特性，進而對紅藍光實際光強進行修正處理； 3）根據(jù)階段參數(shù)與實時值進行決策，當溫度和CO2濃度不適宜，或外界光照充足時不進行補光，否則根據(jù)紅藍光差值計算補光量。 4）當不需補光時切斷補光燈組220V電源開關，置于非工作狀態(tài)；否則根據(jù)補光量，計算紅藍光對應占空比的PWM信號，將其輸入到PT4107的驅(qū)動電路控制LED輸入電流，繼而控制紅藍光補光量。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關鍵和主要技術(shù)指標
- 一設計目的 光合作用對作物產(chǎn)量與品質(zhì)具有重要作用，人工補光成為研究熱點?，F(xiàn)有補光系統(tǒng)采用定光強定光質(zhì)的補光方式，未考慮實時環(huán)境與植物各生長階段各波段需光量的差異性，造成補光不足或過度并存。本作品提出基于光合作用機理的植物智能補光新方法，并研制相應設備，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的同時降低能量消耗 二基本思路 系統(tǒng)包括5個模塊：檢測模塊對溫度、CO2濃度和紅藍光強分波段檢測；控制模塊根據(jù)目標值與實時值的差值計算補光量，并實現(xiàn)對植物不同階段智能補光控制；補光模塊基于PWM技術(shù)完成紅、藍光補光燈組亮度的按需調(diào)控;電源模塊實現(xiàn)雙路供電；用戶交互模塊包括按鍵及液晶屏 三創(chuàng)新點 1設計基于400-500nm和600-700nm集中吸收區(qū)檢測的分波段光強檢測方法與設備 2將溫度及CO2檢測加入補光系統(tǒng)，最大程度避免盲目補光造成能源浪費和光破壞 3提出基于反饋控制的定量決策方法，根據(jù)紅藍光目標光強與實時光強的差值精確計算補光量，實現(xiàn)通過PWM控制LED輸出光強 4根據(jù)不同植物各階段需光量差異，作品提出對植物分階段智能補光，可在植物生長過程中動態(tài)調(diào)整目標參數(shù)，實現(xiàn)智能補光 四關鍵技術(shù) 1多環(huán)境因子的精準檢測技術(shù) 2基于反饋控制的定量決策技術(shù) 3特定波段補光陣列光強可控技術(shù) 4植物多階段管理技術(shù) 五主要技術(shù)指標 1光照傳感器0—128Klux 2溫度傳感器-55—125℃ 3CO2傳感器0—10000ppm 4紅光LED30LM/個 5藍光LED20LM/個
科學性、先進性
- 一科學性 1植物吸收光能的主要色素吸收峰集中在400-500nm和600-700nm，現(xiàn)有全波段檢測方法不能表征植物實際利用的光能。本系統(tǒng)研發(fā)專用光強監(jiān)測設備對上述兩波段實行分波段檢測 2在溫度脅迫條件下造成光合作用的嚴重抑制；CO2濃度過低時，光合效率顯著降低甚至停止。系統(tǒng)加入溫度及CO2檢測，有效提高了光能利用率 3根據(jù)色素對各波段光能吸收率的影響，系統(tǒng)選擇與光合作用吸收峰范圍對應的中心波長為660nm半波帶寬度為40nm和中心波長為450nm半波帶寬度為40nm的LED分別作為紅、藍光補光燈 4根據(jù)植物不同生長階段的相關目標參數(shù)，實現(xiàn)針對各階段智能按需補光 二先進性 1作品采用LED作為光源應用閉環(huán)智能補光模式，突破了傳統(tǒng)補光系統(tǒng)定光強定光質(zhì)的缺陷，采用定量補光決策算法，實現(xiàn)了科學的按需定量補光 2作品充分考慮溫度及CO2環(huán)境因素對光合作用的影響，有效提高了光合作用效率 3作品針對植物各生長階段適宜溫度、CO2、光強和光質(zhì)的差異，動態(tài)調(diào)整植物生長過程中各階段目標參數(shù)
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獲得我校第五屆挑戰(zhàn)杯一等獎 獲得陜西省大學生第八屆挑戰(zhàn)杯一等獎 論文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的設施農(nóng)業(yè)智能補光系統(tǒng)》 （農(nóng)機化研究2012年第1期） 《基于PWM可控的LED亮度自適應精準補光系統(tǒng)》 （農(nóng)業(yè)工程學報終審） 《基于光合作用的定量補光方法與智能裝備研究》（農(nóng)業(yè)機械學報已投）
作品所處階段
- 中試階段，現(xiàn)已在楊凌深綠農(nóng)業(yè)科技有限公司溫室內(nèi)試用，證明本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分波段定量補光，使用效果良好
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 普通許可
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 一使用說明 見附錄 二技術(shù)特點和優(yōu)勢 1光源光效高：測試得到LED陣列相對其他常用植物補光光源在至節(jié)能在50%以上 2按需定量精確補光：LED陣列輸出光強正比于PWM占空比，可針對植物需補光量，通過PWM信號控制LED補光陣列亮度的方法，實現(xiàn)按需定量補光，避免補光不足或過量并存的問題 3補光方法更節(jié)能：系統(tǒng)能耗與PWM信號占空比成正比，因此相對現(xiàn)有LED補光系統(tǒng)開啟只以100％占空比輸出，可最大程度的節(jié)能 4根據(jù)植物不同生長階段動態(tài)調(diào)整目標參數(shù)，實現(xiàn)植物生長過程的智能化補光 三適用范圍 適用于溫室大棚等設施作物栽培 四市場分析和經(jīng)濟效益預測 由于光合作用在植物生理方面的突出作用，研究發(fā)現(xiàn)對溫室植物實施補光可促進作物生長發(fā)育、提高抗病力。以我國擁有大約250萬公頃的溫室大棚計算，若加入補光設備每畝減少化肥使用量10%，平均提高產(chǎn)量15%，LED補光技術(shù)耗電量只需傳統(tǒng)植物生長燈的1/8，而本系統(tǒng)更節(jié)能。因此系統(tǒng)符合綠色高產(chǎn)農(nóng)業(yè)思想，具有良好的市場前景和經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 在國內(nèi)，采用傳統(tǒng)補光方式的設備通常未考慮植物光合作用有效波段范圍，例如專利號為200810122999.1中的設計，采用了80-150W的熒光燈作為光源，燈管包裹藍色薄膜產(chǎn)生藍光，部分解決了普通光源對植物有效生理輻射比率低的問題，但相對于新型LED光源而言還是沒有徹底解決，且耗能量仍然很大。北京華夏九州農(nóng)業(yè)科技研究院承擔“智能化立體補光系統(tǒng)項目”，依據(jù)植物光合作用只對特定波段光的吸收特性，采用同光合作用吸收譜相匹配的紅橙綠藍紫光LED的集成作為光照系統(tǒng)，但該項目未考慮溫度因素，并在動態(tài)調(diào)整輸出光強方面存在不足。寧波永豐園林綠化建設有限公司研發(fā)的補光系統(tǒng)利用LED固體光源，使補光燈發(fā)出與植物生長發(fā)育所需光合作用曲線基本一致的光譜和光強，對植物進行補光，從而提高植物的產(chǎn)量和品質(zhì)，實現(xiàn)了對植物成熟期的調(diào)控，證實通過特定波長LED燈可增強植物抗病蟲害能力。LED植物補光燈不僅在光源上具有優(yōu)勢，與傳統(tǒng)補光燈相比可節(jié)電70%，理論上每個燈管使用時間長達3萬多小時。例如專利號為200910181821.9中采用將LED通過彎曲角度改變光強，而為改變輸出光強不，但其方法沒有從實質(zhì)上解決定光強定光段的問題，且操作麻煩。在國外，德國歐司朗光電半導體公司開發(fā)LED溫室補光光源發(fā)光波長達到660nm，滿足植物光合作用需求。此外，這種LED光源能將37%的輸入電能轉(zhuǎn)換為光能輸出，紅光加藍光LED系統(tǒng)的發(fā)光效率比傳統(tǒng)高壓鈉燈高60%，發(fā)光效率與傳統(tǒng)溫室補光源相比更為節(jié)能。試驗使用大約5萬個這種LED光源為幾千平方米的種植面積補光，使溫室能耗比過去降低40%。LED光源不僅能提高溫室光能利用率，還能在作物不同的生長階段有的放矢地促進作物生長，同時在10%和30%范圍內(nèi)有針對性地調(diào)整藍光在總光照中的比例還可節(jié)約化肥。已有研發(fā)的LED補光系統(tǒng)未考慮不同植物不同階段的光飽和點、所需光質(zhì)和適宜溫度不同的問題，仍存在補光光質(zhì)比例不均衡、補光不足和過量現(xiàn)象并存，未能針對每一種農(nóng)作物定向、定量補光，從而最大程度的提高補光效果同時節(jié)能。以上研究為本作品設計提供了啟發(fā)，并為作品前期研究提供了很好的基礎理論和實現(xiàn)技術(shù)。本作品在已有基礎上進一步分析光合作用機理，強調(diào)按需定量補光方法，以此實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)中補光過程的精準化、智能化和數(shù)字化。
