摘要：針對傳統(tǒng)的溫室光照環(huán)境控制方法粗糙、易造成作物光照不足及能源浪費的問題，考慮作物生長對光照的需求，設(shè)計了智能LED植物組培系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，硬件部分主要包括STM8S芯片作為主控的終端控制器、LED多基色補(bǔ)光模塊、光照強(qiáng)度檢測模塊。軟件部分則包括相應(yīng)的中央處理驅(qū)動程序、通信協(xié)議、上位機(jī)控制軟件、下位機(jī)執(zhí)行程序等。利用上述植物組培系統(tǒng)，對多肉植物進(jìn)行了不同光質(zhì)條件下的生長分析，該系統(tǒng)可有效提升植物的生長速率和生長狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：智能LED植物照明光色可調(diào)光質(zhì)

DesignoftheIntelligentLEDPlantTissueCultureSystem

SUNYumin1CHENLiang1ZHOUChaoyang1WUHang1LIWeimin1XURui2

1.TospoLightingCo.，Ltd.ofHengdianGroup，Dongyang，ZhejiangProvince，322118China;2.CollegeofOpticalandElectronicTechnology，ChinaJiliangUniversity，Hangzhou，ZhejiangProvince，310018China

Abstract：Inordertosolvetheproblemsthatthetraditionalgreenhouselightenvironmenthasroughcontrolmethodsandiseasytocausetheinsufficientlightofcropsandenergywaste，consideringthedemandofcropgrowthforlight，thispaperdesignsanintelligentLEDplanttissueculturesystem.ThesystemisbasedontheZigBeewirelessnetwork，itshardwarepartmainlyincludestheSTM8S?;chipasthemaincontrolterminalcontroller，theLEDmulti-colorfill-inlightmoduleandthelightintensitydetectionmodule，anditssoftwarepartincludesthecorrespondingcentralprocessingdriver，thecommunicationprotocol，uppercontrolsoftware，thelowerexecutionprogram，etc.Theplanttissueculturesystemisusedtoanalyzethegrowthofsucculentsunderdifferentlightqualityconditions，whichcaneffectivelyimprovethegrowthrateandgrowthstateofplants.

KeyWords：IntelligentLED;Plantlighting;Adjustablelightcolor;Lightquality

植物的生長質(zhì)量以及產(chǎn)量等與光照條件的不同參數(shù)密切相關(guān)，光合作用主要吸收波長為610～720nm的紅光和橙光，以及波長為400～510nm的藍(lán)光和紫光[1]。為了減少病變和提高外觀質(zhì)量，也可以加入少量的綠光。另外，光照強(qiáng)度、光照周期、光強(qiáng)分布、光照頻率等參數(shù)也會對植物的生長質(zhì)量產(chǎn)生影響[2]。因此，智能組培用的植物生長燈需要能夠精準(zhǔn)調(diào)節(jié)各種光照參數(shù)，來滿足實現(xiàn)不同需求下的光照要求。最后，溫度、濕度等外部環(huán)境也會影響植物的生長，因此需要監(jiān)測這些環(huán)境參數(shù)，來隨時為人為調(diào)節(jié)提高相應(yīng)的依據(jù)[3-4]。

1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能LED植物組培系統(tǒng)的硬件部分以ZigBee作為無線通信方式，包括終端控制器、LED多基色補(bǔ)光模塊和照明檢測模塊。

1.1ZigBee無線通信模塊

考慮到綜合性的植物工廠使用空間，本設(shè)計選擇的控制通信方式為ZigBee通信協(xié)議，其中ZigBee無線通信模塊為常用的REX3DP。由于各個植物補(bǔ)光燈之間不需進(jìn)行通信聯(lián)系，因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用中心節(jié)點為核心的星型方式，即以一個Co-ordinator（中央?yún)f(xié)調(diào)器）節(jié)點連接多個EndDevice（終端）節(jié)點，Co-ordinator負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，同時保持與各EndDevice進(jìn)行鏈接通信。

1.2終端控制器

整個組培系統(tǒng)的控制關(guān)鍵部件是終端控制器，主要實現(xiàn)以下功能：一是接收Co-ordinator的指令微處理器對指令進(jìn)行解析并將執(zhí)行命令送給各EndDevice；二是接收來自光照探測器所檢測的環(huán)境照度，并以此來調(diào)整補(bǔ)光模塊的占空比。

主控制器采用STM8S105K4單片機(jī)，該單片機(jī)可以連接外接晶振，也可以采用內(nèi)部振蕩器作為主時鐘。STM8S105K4的內(nèi)部振蕩器包括高速RC振蕩器（HSI）和低速RC振蕩器（LSI）兩類，其中高速RC振蕩器具有啟動速度快的優(yōu)點，且可以通過單片機(jī)內(nèi)部的可編程分頻器進(jìn)行1～8倍的分頻，從而按需產(chǎn)生2～16MHz不等的主時鐘信號。因此，本系統(tǒng)采用高速RC振蕩器。

1.3LED補(bǔ)光模塊

LED補(bǔ)光模塊是整個植物組織培養(yǎng)系統(tǒng)的核心，可以實現(xiàn)多基色組合補(bǔ)光輸出。為滿足陣列式排布的多顆培養(yǎng)植物對各種光質(zhì)參數(shù)的吸收需求，LED基質(zhì)模塊采用多個小功率LED燈珠陣列，實現(xiàn)更好的光均勻性。系統(tǒng)中每個陣列的LED模組總功率設(shè)定為9W，模組中燈珠共18顆，采用9×2的線性排列，總額定工作電流為300mA。由于單管最大功率為18W，為保證其良好的散熱性，基板材料為鋁基板，并在背面增加鋁制散熱元件提高散熱性能。LED補(bǔ)光模塊設(shè)計和實物圖如圖1所示。

1.4檢測模塊設(shè)計

檢測模塊主要用于實時檢測LED光源補(bǔ)光模塊的光強(qiáng)和環(huán)境溫濕度，因此，集成了光傳感器和溫濕度傳感器。在傳感器的選擇上，主要考慮以下因素：（1）具有較高的精度，可以獲得更準(zhǔn)確的環(huán)境；（2）對I/O端口資源要求低，外圍電路簡單，減少硬件電路規(guī)模；（3）具有較強(qiáng)的抗干擾性、環(huán)境冗余度高、有一定的成本和壽命優(yōu)勢，能長時間穩(wěn)定工作。根據(jù)上述要求，選擇DHT11芯片作為溫濕度傳感器，其溫度測量范圍為0～50℃，精度為±2℃，濕度測量范圍為20%～90%RH，精度為±5%RH。選擇BH1750FVI模塊作為光強(qiáng)檢測傳感器，具有不區(qū)分環(huán)境光源，可對0～65535lx光照度范圍內(nèi)進(jìn)行1lx精度的光強(qiáng)測量。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

LED光照系統(tǒng)軟件包括中央處理驅(qū)動程序、通信協(xié)議、上位機(jī)控制軟件、下位機(jī)執(zhí)行程序。

中央處理驅(qū)動程序邏輯如下：在系統(tǒng)上電后，首先對時鐘參數(shù)、定時器、I/O口、終端配置等進(jìn)行初始化；其次EndDevice節(jié)點掃描一定范圍內(nèi)的Co-ordinator節(jié)點，并發(fā)出入網(wǎng)請求，Co-ordinator節(jié)點根據(jù)自身資源配置情況決定是否同意入網(wǎng)，當(dāng)資源充足時組網(wǎng)成功并等待發(fā)出指令；再次當(dāng)有中斷產(chǎn)生時，根據(jù)預(yù)先設(shè)置產(chǎn)生初始PWM波，光照傳感器采集光照度并對是否調(diào)整PWM波占空比發(fā)出指令。中央處理驅(qū)動程序的總體流程圖如圖2所示。

3結(jié)果與討論

選擇多肉植物（初戀）為實驗對象。植株消毒晾干后采用土培方式盆栽，盆栽容器為7cm×7cm×7cm的立方體。實驗光照設(shè)置自然光（對照組）、紅光（660nm）、藍(lán)光（450nm）、黃光（590nm）、綠光（530nm）、紅藍(lán)復(fù)合光（2∶1）6種光照條件。實驗每次處理30株，平均分為6組，分別對應(yīng)6種光照條件。各組光照強(qiáng)度控制在，光周期為，除白天給予正常光照外，每日在早（5：00～8：00）、晚（16：00～19：00）環(huán)境光照較弱時分別進(jìn)行額外補(bǔ)光，實驗共持續(xù)20d。所有實驗均重復(fù)三次并測試。

在每次重復(fù)的實驗中，每組均隨機(jī)選取1株共18株為測量樣本進(jìn)行測定，主要考查因素和測定方式如下：（1）植株形態(tài)指標(biāo)動態(tài)測定，分析20d后多肉植株的株高、平均葉距、莖粗、葉色，判斷多肉形態(tài)的好壞，是否產(chǎn)生徒長等；（2）葉片色素含量測定，以基部為界向上選用第三葉片，用80%丙酮對葉片進(jìn)行處理，用分光光度計定量分析葉綠素a+b和類胡蘿卜素c[5]的含量；（3）花青素含量測定，用2%的鹽酸乙醇溶液處理葉片并提取花青素，用分光光度計測定在530nm、620nm和650nm處的光密度值，并用Greey公式計算花青素含量。

從18株樣本的觀察中可以看出，相較對照組，其余5種補(bǔ)光條件下各樣本的植株高度和莖粗都有不同程度的增加，但其表現(xiàn)各不相同：紅光對植株形態(tài)影響較好，株高和莖粗生長迅速，葉片間距大，對徒長的抑制作用不明顯，葉片整體肥厚挺直，有一定色澤；藍(lán)光同樣對植株形態(tài)影響較好，株高和莖粗增長明顯，但葉片間距小，對植物的徒長有一定的抑制；黃光和綠光照射下植株形態(tài)較差，株高增長但莖細(xì)，葉距大，葉片很薄且不直，植株不突出，徒長較為明顯；紅藍(lán)光2∶1的光照條件下，植株的觀賞形態(tài)最佳，從葉片厚薄程度、長勢和色澤上都能達(dá)到很好的效果。

葉片顏色是由色素含量決定的，6組的葉綠素a+b、花青素、類胡蘿卜素的測量結(jié)果如圖3所示。黃光和綠光對葉綠素的增益最高，但花青素和類胡蘿卜素合成含量很低。在紅光、藍(lán)光和紅藍(lán)光2∶1下，葉綠素含量有所下降，同時花青素和類胡蘿卜素含量上升，其中紅藍(lán)混合光照下的花青素和類胡蘿卜素含量最高。由于葉綠素主要影響葉片呈碧綠色，而花青素和類胡蘿卜素影響葉片呈藍(lán)紫色和橙紅色，因此在紅藍(lán)光2∶1照射下，多肉植物的葉片色彩更加絢麗多彩，滿足審美要求，達(dá)到最佳外觀質(zhì)量。

4結(jié)語

設(shè)計LED植物燈，開展了LED光質(zhì)對多肉植物形態(tài)影響的實驗。研究表明紅藍(lán)光2∶1的補(bǔ)光條件不但能促進(jìn)多肉植物的莖葉生長，有效抑制徒長，還可以有效提升葉片中花青素和類胡蘿卜素的含量，達(dá)到較高的觀賞效果。

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