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.pdf

2020 年6 月 第2 卷 第2 期 Jun 2020 Vol 2 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 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 张 仲 雄 1 2 3 李 斌 1 2 3 冯 盼 1 2 3 张 盼 1 2 3 来 海 斌 1 2 3 胡 瑾 1 2 3 张 海 辉 1 2 3 1 西 北 农 林 科 技 大 学 机 械 与 电 子 工 程 学 院 陕 西 杨 凌 7 1 2 1 0 0 2 农 业 农 村 部 农 业 物 联 网 重 点 试 验 室 陕 西 杨 凌 7 1 2 1 0 0 3 陕 西 省 农 业 信 息 感 知 与 智 能 服 务 重 点 试 验 室 陕 西 杨 凌 7 1 2 1 0 0 摘 要 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 L E D 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 Z i g B e e 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 0 3 和 7 2 4 相 比 自 然 处 理 区 平 均 株 高 茎 粗 分 别 增 长 了 2 6 5 1 和 3 6 0 3 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 2 8 和 1 3 9 k g m 2 经 济 效 益 分 别 增 加 了 2 8 2 和 4 8 8 C N Y m 2 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 关 键 词 设 施 光 环 境 Z i g B e e 黄 瓜 叶 位 立 体 补 光 智 能 调 控 P W M 中 图 分 类 号 S 1 2 3 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 2 0 2 0 0 5 S A 0 0 7 引 文 格 式 张 仲 雄 李 斌 冯 盼 张 盼 来 海 斌 胡 瑾 张 海 辉 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 J 智 慧 农 业 中 英 文 2020 2 2 94 104 ZHANG Zhongxiong LI Bin FENG Pan ZHANG Pan LAI Haibin HU Jin ZHANG Haihui Stereoscopic light environment intelligent control system based on characteristic differences of facility cucumber plants light require ments J SmartAgriculture 2020 2 2 94 104 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 光 照 是 植 物 进 行 光 合 作 用 的 首 要 条 件 直 接 影 响 作 物 的 产 量 和 品 质 1 3 设 施 栽 培 受 温 室 结 构 薄 膜 覆 盖 雾 霾 及 雨 雪 天 气 等 因 素 影 响 设 doi 10 12133 j smartag 2020 2 2 202005 SA007 收 稿 日 期 2020 05 22 修 订 日 期 2020 06 17 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 31671587 31501224 陕 西 省 重 点 研 发 计 划 2018TSCXL NY 05 02 作 者 简 介 张 仲 雄 1994 男 博 士 研 究 生 研 究 方 向 为 设 施 农 业 智 能 调 控 E mail zzx9519 通 讯 作 者 张 海 辉 1977 2020 男 博 士 教 授 研 究 方 向 为 精 准 农 业 和 农 业 物 联 网 电 话 13572501098 E mail zhang hh 张 仲 雄 等 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 Vol 2 No 2 施 内 自 然 光 投 透 射 率 仅 为 外 界 环 境 的 30 60 造 成 作 物 光 合 能 力 受 限 不 能 满 足 生 长 发 育 需 求 进 而 影 响 产 量 和 品 质 4 6 因 此 借 助 人 工 补 光 技 术 是 实 现 设 施 农 业 增 产 提 质 的 重 要 保 障 措 施 近 年 来 科 研 团 队 在 设 施 光 环 境 智 能 调 控 方 面 已 开 展 了 部 分 研 究 7 10 Pinho 等 11 研 究 发 现 动 态 调 整 光 强 度 不 仅 可 以 促 进 生 菜 鲜 重 增 加 还 可 以 降 低 能 耗 进 而 设 计 了 一 种 适 用 于 植 物 工 厂 的 动 态 补 光 控 制 系 统 刘 晓 英 等 12 开 发 了 一 种 光 参 数 柔 性 可 调 的 发 光 二 极 管 L i g h t E m i t t i n g D i o d e LED 光 源 系 统 为 探 究 光 质 光 强 度 光 周 期 对 设 施 作 物 生 长 相 互 影 响 规 律 提 供 了 一 种 灵 活 的 光 参 数 配 比 系 统 上 述 两 种 光 调 控 系 统 用 于 植 物 工 厂 中 叶 菜 类 的 种 植 其 环 境 因 素 相 对 稳 定 可 控 调 控 策 略 相 对 简 单 而 温 室 中 藤 蔓 类 作 物 的 光 环 境 调 控 系 统 较 为 复 杂 不 仅 要 考 虑 环 境 动 态 变 化 如 光 照 温 度 二 氧 化 碳 等 对 光 调 控 系 统 的 影 响 还 需 考 虑 作 物 不 同 生 长 阶 段 的 需 光 差 异 性 为 此 胡 瑾 等 13 设 计 了 基 于 无 线 传 感 器 网 络 的 光 环 境 调 控 系 统 该 系 统 利 用 自 然 光 中 太 阳 高 度 角 与 红 蓝 光 比 例 关 系 可 根 据 作 物 实 际 需 光 量 进 行 精 准 定 量 补 光 具 有 部 署 灵 活 易 扩 展 低 能 耗 等 优 势 14 苏 战 战 等 15 为 满 足 温 室 番 茄 光 环 境 的 自 适 应 调 控 设 计 了 一 种 基 于 随 机 森 林 萤 火 虫 群 优 化 算 法 Radom Forest Glow worm Swarm Optimization RF GSO 模 型 的 温 室 番 茄 自 适 应 调 光 系 统 还 有 一 些 学 者 尝 试 改 变 补 光 的 方 式 来 提 高 作 物 的 光 合 速 率 16 18 并 取 得 了 一 定 的 成 效 但 现 有 的 设 施 光 环 境 调 控 方 式 多 采 用 冠 层 定 量 补 光 方 式 未 考 虑 植 物 冠 层 新 生 叶 结 构 发 育 不 健 全 导 致 光 抑 制 或 光 破 坏 现 象 19 20 和 株 间 功 能 叶 片 相 互 遮 挡 导 致 光 照 不 足 未 能 达 到 按 需 补 光 需 求 研 究 表 明 植 物 不 同 叶 位 光 合 能 力 存 在 明 显 差 异 21 24 因 此 针 对 作 物 不 同 叶 位 进 行 按 需 补 光 对 提 升 整 株 光 合 能 力 和 促 进 植 株 物 质 积 累 具 有 重 要 的 意 义 针 对 上 述 问 题 本 研 究 以 黄 瓜 不 同 叶 位 需 光 差 异 性 为 理 论 依 据 25 构 建 了 一 种 可 实 现 立 体 光 环 境 调 控 算 法 移 植 的 树 莓 派 Raspberry Pi 系 统 框 架 和 智 能 光 环 境 调 控 平 台 设 计 了 基 于 植 株 需 光 差 异 特 性 的 设 施 黄 瓜 立 体 环 境 光 智 能 调 控 系 统 其 中 采 用 冠 层 株 间 环 境 监 测 子 系 统 和 冠 层 株 间LED 补 光 子 系 统 实 现 黄 瓜 整 株 光 环 境 信 息 感 知 与 精 准 补 光 补 光 灯 升 降 子 系 统 满 足 黄 瓜 整 个 生 长 周 期 补 光 位 置 自 动 调 整 ZigBee 无 线 传 输 协 议 实 现 各 子 系 统 间 相 互 通 信 本 系 统 可 有 效 解 决 冠 层 新 生 叶 光 抑 制 和 株 间 功 能 叶 位 补 光 不 足 以 及 补 光 位 置 不 能 适 应 作 物 生 长 而 动 态 调 整 的 问 题 为 设 施 黄 瓜 光 环 境 精 准 调 控 提 供 技 术 支 撑 2 系 统 整 体 设 计 立 体 光 环 境 调 控 系 统 由 智 能 控 制 子 系 统 冠 层 株 间 环 境 监 测 子 系 统 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 及 冠 层 株 间LED 补 光 子 系 统 四 部 分 组 成 通 过ZigBee 技 术 实 现 各 子 系 统 之 间 无 线 通 信 整 体 结 构 如 图1 所 示 系 统 设 计 时 充 分 考 虑 黄 瓜 植 株 整 株 中 冠 层 和 株 间 的 需 光 差 异 以 及 不 同 叶 位 环 境 差 异 通 过 智 能 控 制 子 系 统 协 调 各 系 统 实 现 黄 瓜 整 株 立 体 光 环 境 按 需 调 控 冠 层 株 间 监 测 子 系 统 分 别 采 集 温 度 二 氧 化 碳 浓 度 光 强 度 等 环 境 信 息 发 送 至 智 能 控 制 子 系 统 调 用 移 植 在 树 莓 派 中 智 能 光 环 境 调 控 模 型 根 据 冠 层 株 间 环 境 信 息 动 态 计 算 补 光 值 并 下 发 至 冠 层 株 间 LED 补 光 子 系 统 采 用 脉 冲 宽 度 调 制 Pulse Width Modulation PWM 技 术 分 别 实 现 冠 层 与 株 间LED 补 光 阵 列 的 动 态 调 控 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 自 动 监 测 灯 与 作 物 间 的 距 离 实 现 补 光 位 置 的 手 动 和 自 动 调 整 3 系 统 硬 件 设 计 3 1 智 能 控 制 子 系 统 智 能 控 制 子 系 统 硬 件 设 计 如 图2 所 示 主 要 包 括 树 莓 派 控 制 器 Raspberry Pi 3B 1 4 GHz 四 核ARM Cortex A53 处 理 器 触 摸 显 示 屏 9 5Vol 2 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e CC2530 模 块 和 电 源 模 块 四 个 部 分 具 有 数 据 处 理 模 型 在 线 寻 优 无 线 网 络 组 建 及 控 制 指 令 下 发 等 功 能 由 于 传 统 低 性 能 的 嵌 入 式 设 备 无 法 移 植 智 能 算 法 采 用 树 莓 派 为 控 制 器 可 实 现 基 于 机 器 学 习 的 光 环 境 调 控 模 型 高 精 度 移 植 完 成 调 控 目 标 值 的 在 线 寻 优 和 动 态 实 时 调 控 触 摸 显 示 屏 通 过 高 清 多 媒 体 接 口 High Definition Multi media Interface HDMI 方 式 与 树 莓 派 相 连 ZigBee 协 调 器 与 树 莓 派 依 靠 通 用 异 步 收 发 传 输 器 Universal Asynchronous Receiver Transmitter UART 方 式 进 行 相 互 通 信 电 源 模 块 分 别 为 树 莓 派 触 摸 屏 及CC2530 模 块 提 供5 5 和3 3 V 工 作 电 压 3 2 冠 层 株 间 环 境 监 测 子 系 统 冠 层 株 间 环 境 监 测 子 系 统 由 冠 层 和 株 间 环 境 监 测 模 块 组 成 实 现 对 设 施 环 境 内 植 物 冠 层 和 株 间 温 度 二 氧 化 碳 浓 度 和 光 照 强 度 的 实 时 监 测 并 通 过ZigBee 将 环 境 信 息 发 送 至 智 能 控 制 子 系 统 其 中 二 氧 化 碳 传 感 器 采 用 Telaire 6615 F 双 通 道 非 分 光 红 外 传 感 器 测 量 范 围 为 0 10 000 mol mol 光 照 传 感 器 为 电 压 型 SY HGY 型 光 合 有 效 辐 射 传 感 器 测 量 范 围 为 0 2500 mol m 2 s CC2530 芯 片 将 上 述 传 感 器 采 集 的 模 拟 量 转 化 为 相 应 的 数 字 量 通 过 无 线 方 式 将 数 据 打 包 发 送 至 协 调 器 温 度 传 感 器 采 用DS18B20 测 量 范 围 为 55 125 电 源 模 块 为CC2530 模 块 传 感 器 分 别 提 供3 3 和5V 工 作 电 压 设 计 框 图 如 图3 所 示 3 3 冠 层 株 间 L E D 补 光 子 系 统 研 究 发 现 不 同 波 段 的 光 对 植 物 光 合 作 用 影 响 不 同 26 28 因 此 本 系 统 选 择 光 合 作 用 直 接 相 关 的 红 蓝 光 源 其 中 红 光LED 波 段 为655 660nm 蓝 光LED 波 段 为450 455nm 选 用PT4115 作 为 恒 流 源 驱 动 芯 片 通 过PWM 精 准 控 制LED 红 蓝 灯 珠 光 照 强 度 采 用 窄 带 铝 基 板 和 透 明 灯 管 进 行 封 装 最 终 设 计 了 一 种 灯 管 间 距 可 调 的LED 补 光 灯 LED 补 光 灯 由 透 明 灯 管 固 定 铝 板 和 驱 动 盒 三 部 分 组 成 具 体 结 构 设 计 见 专 利 一 种 设 施 作 物 株 间 补 光 范 围 可 调 的LED 灯 管 式 补 光 装 置 CN201820353650 8 单 侧 安 装 灯 管 为 冠 层 补 光 灯 部 署 方 式 为 灯 管 向 下 如 图4 a 所 HDMI 电 源 模 块 智能控制子系统 3 3 V 5 V 触摸显示屏 CC2530 模块 树莓派 5 V UART 图 2 智 能 控 制 子 系 统 设 计 框 图 Fig 2 Blockdiagramofintelligentcontrolsubsystem 图 3 冠 层 株 间 环 境 监 测 模 块 设 计 框 图 Fig 3 Blockdiagramofcanopy plantinter environment monitoringsubsystemdesign 图 1 立 体 光 环 境 调 控 系 统 整 体 结 构 图 Fig 1 Overallstructureofstereofilllightenvironment controlsystem 9 6张 仲 雄 等 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 Vol 2 No 2 示 两 侧 安 装 灯 管 为 株 间 补 光 灯 部 署 方 式 为 灯 管 向 两 侧 方 向 株 间 补 光 灯 实 物 图 如 图4 b 所 示 灯 管 式 补 光 灯 可 以 实 现 不 同 灯 管 位 置 调 整 改 变 补 光 灯 补 施 范 围 同 时 具 有 组 装 方 便 散 热 性 能 好 及 后 期 维 修 便 捷 等 优 点 3 4 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 整 体 框 图 如 图5 所 示 主 要 包 括CC2530 模 块 Arduino 控 制 器 TFmini 激 光 雷 达 TB6600 驱 动 器 和57 步 进 电 机 等 具 有 接 受 控 制 指 令 测 量 距 离 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 等 功 能 其 中Arduino 控 制 器 通 过 串 口 通 信 方 式 与CC2530 模 块 TFmini 激 光 雷 达 通 信 控 制 器 和TB6600 驱 动 器 采 用 共 阳 极 接 法 步 进 电 机 通 过 联 轴 器 将 动 力 传 递 给 主 动 轴 主 动 轴 旋 转 缠 绕 柔 性 钢 丝 实 现 冠 层 株 间 灯 悬 挂 位 置 的 精 确 调 整 电 源 模 块 分 别 为Arduino 控 制 器 TB6600 驱 动 器 及CC2530 模 块 提 供5 24 和3 3V 的 工 作 电 压 4 系 统 软 件 设 计 4 1 智 能 控 制 子 系 统 设 计 基 于Raspberry Pi 的 智 能 嵌 入 式 子 系 统 是 整 个 调 控 系 统 的 核 心 组 成 其 具 体 运 行 流 程 如 下 首 先 系 统 通 电 各 子 系 统 初 始 化 ZigBee 协 调 器 组 建 好 无 线 网 络 并 负 责 冠 层 株 间 环 境 监 测 节 点 的 传 感 器 数 据 汇 集 与 树 莓 派 控 制 指 令 发 送 其 次 树 莓 派 根 据 冠 层 株 间 实 时 环 境 数 据 输 入 调 用 冠 层 株 间 光 环 境 调 控 模 型 得 到 调 控 目 标 光 强 值 然 后 动 态 计 算 冠 层 株 间 补 光 灯 的 高 度 位 置 最 后 利 用 无 线 传 感 技 术 下 发 补 光 指 令 和 升 降 指 令 从 而 实 现 立 体 补 光 调 控 系 统 对 设 施 内 黄 瓜 植 株 光 环 境 的 立 体 精 准 和 动 态 反 馈 调 控 4 1 1 调 控 模 型 集 成 与 移 植 光 环 境 调 控 模 型 主 要 包 括 冠 层 调 控 模 型 和 株 间 调 控 模 型 课 题 组 前 期 开 展 了 融 合 叶 位 光 合 差 异 的 黄 瓜 立 体 光 环 境 调 控 模 型 研 究 25 发 现 黄 瓜 整 株 第 五 至 第 七 叶 位 叶 绿 素 含 量 高 叶 位 向 上 或 向 下 叶 绿 素 含 量 均 呈 下 降 趋 势 因 此 将 第 五 至 第 七 叶 位 作 为 株 间 补 光 适 宜 区 间 将 叶 位 参 数 代 入 立 体 光 环 境 优 化 调 控 模 型 中 首 先 构 建 了 不 同 叶 位 光 照 强 度 温 度 及 二 氧 化 碳 浓 度 耦 合 的 回 归 型 支 持 向 量 机 Support Vactor Regression SVR 光 合 速 率 预 测 模 型 其 次 以 光 合 速 率 预 测 模 型 为 适 应 度 函 数 建 立 了 基 于 粒 子 群 优 化 算 法 a 顶 灯 设 计 图 b 株 间 补 光 灯 实 物 图 图 4 立 体 补 光 灯 设 计 Fig 4 Stereolight compensatinglamp Arduino 控制器 TB6600 驱动器 57 步进电机 控制 信号 UART 电 源 模 块 顶灯 株间灯 冠层 株间补光灯升降 子系统 CC2530 模块 主 动 轴 电流 驱动 TFmini 激光雷达 UART 3 3 V 24 V 5 V 图 5 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 设 计 框 图 Fig 5 Blockdiagramofcanopy plantlight compensating lampliftingsubsystem 9 7Vol 2 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e ParticleSwarm Optimization POS 的 光 饱 和 点 寻 优 模 型 最 后 采 用SVR 算 法 构 建 了 立 体 光 环 境 调 控 模 型 其 模 型 决 定 系 数R 2 为0 9993 均 方 根 误 差 为2 349 mol m 2 s 为 了 提 高 树 莓 派 上 运 行 模 型 精 度 首 先 在 电 脑 上 进 行 模 型 训 练 形 成Model pkl 文 件 然 后 将 其 复 制 到 树 莓 派 主 程 序 路 径 下 并 通 过 主 程 序 使 用pickle load 命 令 进 行 模 型 加 载 模 型 移 植 具 体 过 程 如 图6 所 示 4 1 2 立 体 补 光 灯 P W M 反 馈 控 制 算 法 设 计 补 光 灯PWM 算 法 用 于 实 现 动 态 反 馈 修 正 补 光 值 考 虑 顶 灯 对 株 间 灯 输 出 值 的 影 响 采 取 的 控 制 策 略 为 先 运 行 冠 层 调 控 模 型 延 时2min 即 环 境 监 测 数 据 更 新 频 率 再 运 行 株 间 调 控 模 型 立 体 补 光 灯PWM 反 馈 控 制 算 法 流 程 图 如 图 7 所 示 其 中 PAR T 为 顶 叶 环 境 光 强 mol m 2 s PAR M 为 株 间 叶 位 环 境 光 强 mol m 2 s PAR T G 为 顶 叶 目 标 光 强 mol m 2 s PAR M G 为 株 间 叶 位 目 标 光 强 mol m 2 s PAR T 为 顶 叶 光 强 变 化 量 mol m 2 s PAR M 为 株 间 叶 位 光 强 变 化 量 mol m 2 s Z T 为 顶 灯PWM 占 空 比 Z M 为 株 间 灯PWM 占 空 比 Z B T 为 顶 灯 上 次PWM 占 空 比 Z B M 为 株 间 灯 上 次PWM 占 空 比 PWM T 为 顶 灯 PWM 占 空 比 调 整 量 PWM M 为 株 间 灯PWM 占 空 比 调 整 量 k 为 补 光 灯 光 强 和 输 入PWM 对 应 系 数 由 补 光 灯 光 强 驱 动 电 流 PWM 占 空 比 三 者 之 间 的 关 系 曲 线 确 定 4 1 3 智 能 控 制 模 块 交 互 界 面 设 计 基 于PyQt5 软 件 应 用Python 语 言 开 发 了 立 体 光 环 境 调 控 系 统 的 用 户 界 面 User Interface UI 采 用Pycharm 编 译 器 将UI 文 件 转 化 成 树 莓 派 可 执 行 文 件 系 统 主 界 面 如 图8 所 示 通 过 主 界 面 可 进 行 作 物 种 类 补 光 区 域 作 物 生 长 期 的 输入冠层 株间环境数据集 开始 采用SVR 算法构建黄瓜整株 光合速率预测模型 生成model pkl 文件 Y 采用POS算法构建不同条 件下光饱和点寻优 建立顶叶和株间适宜叶 位调控模型 模型是否满 足调控要求 调整预测 寻优和调 控模型参数 N 在 计 算 机 平 台 上 实 现 将model pkl 文件复制到树 莓派主程序文件中 树莓派设备上电初始化 系统程序 是否可以实现 加载模型 检查模型存放路径及 模型的加载方式 Y N 运行立体光环境调控程序 断电结束 在 树 莓 派 嵌 入 式 设 备 上 实 现 图 6 算 法 模 型 移 植 步 骤 Fig 6 Migrationstepsofthealgorithm 图 7 立 体 补 光 灯 P W M 反 馈 控 制 算 法 流 程 图 Fig 7 FlowchartofPWMfeedbackcontrolalgorithmfor stereolight compensatinglamp 9 8张 仲 雄 等 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 Vol 2 No 2 选 择 主 界 面 下 方 有 对 应 功 能 的 二 级 界 面 按 钮 并 连 接 到 相 对 应 的 槽 函 数 上 用 户 可 根 据 需 求 进 入 经 纬 参 数 设 定 环 境 信 息 查 看 升 降 机 构 控 制 光 环 境 调 控 和 历 史 数 据 查 询 等 操 作 4 2 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 设 计 补 光 灯 升 降 子 系 统 接 收 智 能 控 制 子 系 统 的 控 制 指 令 解 析 处 理 后 下 发 至Arduino 处 理 器 执 行 并 将TFmini 测 量 的 距 离 数 据 上 传 至 智 能 控 制 子 系 统 使 得 整 个 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 是 一 个 闭 环 反 馈 的 系 统 当 未 接 收 到 控 制 指 令 时 该 模 块 处 于 低 功 耗 等 待 状 态 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 运 行 流 程 如 图9 所 示 5 立 体 光 环 境 调 控 系 统 验 证 5 1 系 统 部 署 验 证 试 验 于2018 年11 月15 日 在 陕 西 省 泾 阳 县 蔬 菜 产 业 综 合 服 务 区 蔬 菜 基 地 开 展 立 体 光 环 境 调 控 设 备 部 署 在 基 地 内 作 物 是 博 耐14 3 品 种 黄 瓜 试 验 场 地 选 择 西 区4 号 日 光 温 室 温 室 大 棚 尺 寸30 m 10 m 实 际 试 验 区 为 东 侧 的 15 m 6 m 区 域 将 试 验 区 域 分 为A B C 三 个 试 验 区 每 个 试 验 区 面 积 为18 m 2 A 区 部 署 立 体 补 光 设 备 B 区 部 署 传 统 冠 层 补 光 设 备 C 区 为 自 然 对 照 区 具 体 试 验 区 域 分 布 如 图 10 所 示 A 区 部 署4 个 顶 灯 和2 个 株 间 灯 1 个 冠 层 监 测 节 点 1 个 株 间 监 测 节 点 1 套 升 降 机 构 和1 个 智 能 控 制 终 端 升 降 机 构 由 铁 链 固 定 在 距 地2 m 处 补 光 灯 通 过 升 降 机 构 实 现 悬 挂 高 度 的 灵 活 调 整 冠 层 补 光 灯 悬 挂 在 距 离 作 物 冠 层 上20 cm 处 株 间 补 光 灯 悬 挂 在 垄 间 植 株 的 第5 至 第7 叶 位 B 区 部 署 传 统 冠 层 补 光 灯 包 括4 个 冠 层 补 光 灯 1 个 环 境 监 测 节 点 和1 个 主 控 节 点 冠 层 补 光 灯 悬 挂 在 距 离 作 物 冠 层 上20 cm 的 处 在 生 长 过 程 中 需 人 工 手 动 调 整 补 光 灯 与 作 物 的 距 离 图 8 立 体 光 环 境 调 控 系 统 主 界 面 Fig 8 Themaininterfaceofthestereoscopicenvironment controlsystem 图9 冠 层 株 间 补 光 灯 升 降 子 系 统 运 行 流 程 图 Fig 9 Runningflowchartofthecanopy plantlight compen satinglampliftingsubsystem 图 1 0 试 验 区 域 分 布 图 Fig 10 Experimentalareadistribution 9 9Vol 2 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e B 区 的 光 调 控 模 型 采 用A 区 的 顶 灯 动 态 光 调 控 模 型 C 区 不 采 取 任 何 补 光 措 施 试 验 期 间 由 基 地 管 理 员 对3 个 试 验 区 统 一 管 理 包 括 施 肥 浇 灌 等 农 事 操 作 确 保3 个 区 域 除 了 光 环 境 不 同 其 他 基 本 条 件 保 持 一 致 图11 分 别 为 立 体 补 光 灯 与 传 统 冠 层 补 光 灯 实 际 部 署 图 5 2 系 统 调 控 效 果 验 证 博 耐14 3 黄 瓜 生 长 发 育 经 历 发 芽 幼 苗 初 花 和 成 熟 期4 个 阶 段 其 生 长 周 期 约90 120 天 采 期 为50 天 根 据 黄 瓜 植 株 生 长 指 标 产 量 和 经 济 效 益 进 行 补 光 效 果 评 价 5 2 1 黄 瓜 植 株 生 长 指 标 验 证 从2018 年12 月1 日 开 始 在A B C 三 个 区 域 各 随 机 标 定6 株 生 长 状 态 一 致 的 黄 瓜 苗 从 幼 苗 期 进 行 生 长 数 据 测 量 直 到 成 熟 期 每 两 周 测 量 一 次 测 量 的 生 长 指 标 包 括 作 物 茎 粗 和 株 高 其 中 植 株 茎 粗 采 用 游 标 卡 尺 测 量 测 量 点 为 植 株 主 杆 距 离 地 表10 cm 处 植 株 高 度 采 用 卷 尺 测 量 测 量 范 围 为 植 株 从 地 表 到 冠 层 的 距 离 生 长 指 标 统 计 如 图12 所 示 由 图12 可 知 立 体 补 光 区 黄 瓜 植 株 的 株 高 和 茎 粗 显 著 增 长 其 中A 区 相 比B 区 平 均 株 高 茎 粗 分 别 增 长 了8 03 和7 24 相 比C 区 平 均 株 高 茎 粗 分 别 增 长 了26 51 和36 03 A 区 在 有 效 避 免 传 统 冠 层 补 光 不 足 的 同 时 对 株 高 茎 粗 等 生 长 指 标 方 面 具 有 明 显 的 促 进 优 势 5 2 2 黄 瓜 叶 片 净 光 合 速 率 验 证 叶 片 净 光 合 速 率 是 反 映 植 株 生 长 状 态 的 重 要 指 标 在 花 果 期 对 不 同 试 验 区 域 中 黄 瓜 不 同 叶 位 a 立 体 补 光 灯 b 传 统 冠 层 补 光 灯 图 1 1 实 验 中 不 同 补 光 灯 实 际 部 署 对 比 Fig 11 Comparisonofactualdeploymentofdifferentlight compensatinglampsintheexperiment a 株 高 统 计 b 茎 粗 统 计 图 1 2 黄 瓜 植 株 生 长 指 标 统 计 图 Fig 12 Statisticaldiagramofcucumberplant growthindicators 1 0 0张 仲 雄 等 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 Vol 2 No 2 的 净 光 合 速 率 进 行 对 比 试 验 选 取 三 株 生 长 态 势 相 近 的 黄 瓜 植 株 采 用LI 6800 光 合 速 率 仪 的 透 明 叶 室 测 量 黄 瓜 净 光 合 速 率 设 定 透 明 叶 室 内 温 度 为28 二 氧 化 碳 浓 度 为600 mol mol 测 量 当 天 天 气 晴 自 然 界 光 照 强 度 约 为450 mol m 2 s 不 同 试 验 区 黄 瓜 叶 片 净 光 合 速 率 随 叶 位 变 化 趋 势 如 图13 所 示 由 上 图 可 知 A 区 与B 区 相 对C 区 均 具 有 显 著 的 净 光 合 速 率 提 升 但A 区 较C 区 提 升 效 果 显 著 其 中 A 区 较C 区 净 光 合 速 率 提 升31 3 B 区 较C 区 净 光 合 速 率 提 升17 6 A 区 较B 区 净 光 合 速 率 提 升20 立 体 补 光 针 对 株 间 叶 位 进 行 按 需 补 光 促 进 叶 片 发 育 提 升 叶 绿 素 含 量 进 而 净 光 合 速 率 值 较 高 5 2 3 黄 瓜 产 量 及 效 益 验 证 植 物 补 光 的 最 终 目 的 是 实 现 增 产 和 提 高 经 济 效 益 从2019 年2 月25 日 开 始 统 计 三 个 试 验 区 域 的 黄 瓜 产 量 同 时 计 算 每 个 区 域 黄 瓜 的 销 售 额 A B 两 个 区 装 有 电 表 统 计 整 个 补 光 时 期 A B 两 个 区 域 的 耗 电 量 通 过 总 销 售 额 和 补 光 耗 电 量 来 判 断 立 体 补 光 系 统 传 统 冠 层 补 光 系 统 和 自 然 对 照 区 的 经 济 效 益 其 中 立 体 补 光 系 统 与 传 统 冠 层 补 光 系 统 的 开 发 成 本 分 别 为17 9 和 14 18CNY m 2 由 于 立 体 补 光 系 统 需 部 署 冠 层 和 株 间 环 境 监 测 系 统 补 光 灯 系 统 和 补 光 灯 升 降 系 统 导 致 其 设 备 开 发 成 本 比 传 统 冠 层 补 光 系 统 略 高 但 考 虑 到LED 补 光 灯3 5 年 的 使 用 寿 命 上 述 成 本 的 差 异 就 可 以 忽 略 每 次 采 收 黄 瓜 时 都 记 录 三 个 试 验 区 域 的 产 量 销 售 单 价 采 收 时 市 场 价 格 销 售 总 额 为 方 便 比 较 计 算 每 平 方 米 不 同 评 价 指 标 具 体 统 计 结 果 如 表1 所 示 产 量 和 耗 电 量 统 计 截 至 于2019 年3 月26 日 统 计 时 间 为1 个 月 由 表1 可 知 在 相 同 的 种 植 面 积 内 实 验 区 面 积 为18 m 2 立 体 补 光 区 相 对 于 传 统 补 光 区 产 量 增 加 了0 28 kg m 2 增 加 效 益 2 82 CNY m 2 立 体 补 光 区 相 对 于 自 然 对 照 区 产 量 增 加 了1 39 kg m 2 增 加 效 益