初步構建LED光源的植物生長動態補光控制系統

文章來源:恒光電器

發布時間:2013-12-01

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光合作用是是生物界所有物質代謝和能量的物質基礎，植物在光合作用的原初反映，將吸收光能是以較大的熒光方式釋放的，因此葉綠素熒光與光合作用有著十分密切的關系。近30年來，LED人工光源在設施園藝、植物設施栽培、太空農業中的研究已經在全世界范圍內引起廣泛關注。通過不同光質對草莓、蘭花等植物的研究結果表明，紅光對植物形態、調節株高具有重要的影響，對葉片的生長過程會有促進作用，植物的葉、莖與葉柄會伸長，但葉綠素含量較低，生長指標和干物質積累也會降低。藍光對光合作用的調控作用主要集中在氣孔的開啟、葉綠體的分化以及調節光合作用酶的活性等。POSPA等研究發現在單色藍光LED作用下，葉綠素含量最高，葉片氣孔數最多。目前，在復合光譜對植物光合生理特性的研究中，紅藍光LED組合對植物的生長發育過程能產生積極影響，由于單色光處理，因此該系統以紅藍光組合作為番茄生長的輔助光源。通過軟件對上位機、可編程電源控制的LED陣列以及MINIPAM調制熒光儀進行閉環控制，分析在何種光照條件下最有利于番茄的生長。

1.系統的總體結構

動態補光控制系統是利用MINI-PAM監測番茄實際光合效率和LED組合光源補光相結合指導溫室番茄補光生產，該系統由五大模塊構成，上位機決策模塊是一臺工業級服務器，自主開發設計的STM32單片機的溫室環境因子監控系統，為補光光源提供穩定電流的JBP-7510型可編程控制恒流源，大功率紅、藍光LED組合光源和MINI-PAM調制式熒光檢測儀組成。以熒光參數為目標，在溫室環境中不斷調節可編程恒流源的輸出電流來改變LED組合光源的光照強度，進而改變番茄的熒光參數ΦPSⅡ到期望值，達到對番茄光合作用人工調控的效果。系統的基本原理圖如圖1所示。
 

2.監控系統硬件設計

2.1 LED組合

光源的供電模塊JBP-7510型可編程控制恒流電源為電流電源，額定工作狀態下，能輸出穩定的期望電流，為了精準的控制LED組合光源驅動電流，達到控制光源光照條件的目的，選擇一款穩定性很高的電流源是非常重要的。可編程恒流源恒定輸出電流，所以電流不受負載的影響，驅動電流值的大小直接控制著led燈珠亮度，所以電流源能準確的控制LED組合光源的光強。可編程恒流源電壓輸出最大為75V,電壓精度為0.05%+37.5mV,電流輸出最大為10A，電流精度為0.1%+10mA，根據熒光參數上位機計算出合適的補光電流值，通過串行通信發送指令給電源，最后可編程恒流源提供的穩定的輸出電流來驅動LED組合光源。

JBP-7510型可編程控制恒流電源在室溫25攝氏度下，驅動LED補光光源的情況下，測試控制電流和實際電流，測試結果中的12個數據如表1所示。從數據結果分析得到，電流精度均優于±0.2%,所以說JBP-7510型可編程控制恒流電源電流精確度可以滿足系統補光電流的輸出精度。

2.2 LED陣列設計

利用LED光線集中、方向固定特點，要想做到紅藍LED在照射區域的均勻必須進行合理的規劃和優化改進。番茄的補光主要用到紅藍光LED,設計的組合光源要保證番茄接收到的光線中紅藍光的均勻，兩種設計方案紅、藍LED個數比為1:1和4:1.陣列一：紅、藍LED個數比為1:1,LED間隔均勻排列，相鄰LED間距為10mm,陣列情況如圖2(a)所示。陣列二：紅、藍LED個數比為4:1,紅光LED和藍光LED組成一個區域，藍光LED在中心，陣列情況如圖2(b)所示。

2.3 MINIPAM調制熒光檢測儀

MINIPAM型脈沖調制葉綠素熒光儀由WALZ公司制造，本系統利用其對植物光適應下的穩態熒光產量Fs、光適應下最大熒光產量Fm等相關熒光參數值進行測量。通過RS-232接口與上位機進行雙向通信，實現上位機閉環控制MINIPAM和LED發光陣列。

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