CN107404787B - 一种基于实际光合效率的led补光控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于实际光合效率的LED补光控制系统及控制方法，根据植物对光的最大利用率，动态实时调节LED补光灯的亮度，在保证植物光合速率的前提下，使植物对光照的利用率达到最大。通过大量实验数据分析计算不同温湿度下，植物光合效率达到设定值λ时所需的光通量密度FFPD(Y)，利用荧光传感器实时反馈植物的光合效率，利用PWM数字调光实时反馈控制LED的光照强度。通过这种补光方法，可以从植物本身需求出发，做到实时、精确、节能的补光。

Description

一种基于实际光合效率的LED补光控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及农业装备领域，特别涉及一种基于实际光合效率的LED补光控制系统及控制方法。
背景技术
在农作物的生长过程中，光照条件对农作物的生长速度、产量和品质都有重要的影响。现阶段我国大部分设施农业仍然依靠白炽灯、高压钠灯等光源对植物进行补光，这些传统的补光方法存在着光谱不合理，光能利用率低等缺点。LED光源是传统光源的理想替代品，节能效果明显，其最大的潜力就是实现光质、光强和光周期的智能化控制。
传统光合能力的判定通常用净光合速率Pn指标，但这种方法需要投入较多的人力物力，且不能在线实时测量。随着叶绿素荧光技术的不断发展，已经能够实现叶绿素荧光参数的在线测量和远程传输，光系统II电子传递速率ETR与光合速率Pn之间密切相关，叶片的净光合速率可以由荧光参数中电子传递速率ETR做精确估算。从植物自身需求出发的补光方法相较于设定值的补光方法，可以更好的满足植物对光量的需求，但并没有考虑植物对光的利用效率，而荧光参数ΦPSⅡ(实际的光化学效率)可以反映植物对光的利用效率，光强的增长和植物对光的利用率。现阶段的叶绿素荧光监控系统，例如，纪建伟和解飞等的LED激发光源叶绿素荧光参数在线监控系统，用MIN-PAM荧光仪来进行荧光参数的采集，并没有用相应的荧光传感器，只能进行科研研究，并不能用在实际的开发和应用上。在与荧光参数相关的专利中，大多进行固定值补光或者用光合速率作为唯一的补光指标，例如一种温室动态补光方法这篇专利中，只是以光合速率作为唯一的补光指标，并没有考虑植物对光的利用效率。
发明内容
针对以上技术背景的不足，本发明的目的在于提供一种基于实际光合效率的LED补光控制系统及控制方法,以实现植物生长环境参数和叶绿素荧光参数的采集，综合考虑植物对光的利用效率和光合速率，自动控制LED光源的亮度实现动态实时补光。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于实际光合效率的LED补光控制系统，其特征在于：包括监测植物荧光参数的叶绿素荧光监测探头(1)，监测温室环境参数的照度传感器(2)，温湿度传感器(3)，微处理器(4)，LED恒流驱动(5)，和LED光源(6)所述叶绿素荧光监测探头(1)通过SDI-12转485和微处理器(4)连接，照度传感器(2)和温湿度传感器(3)输出端通过485接口和微处理器(4)连接，所述LED恒流驱动器(5)和LED光源(6)连接，所述微处理器(4)输出口和LED恒流驱动(5)的控制口连接。
所述叶绿素荧光监测探头(1)为Fluormonitor荧光传感器，可以作为监测模块连接到现有温室控制系统，长期、连续测量植物的实际光合效率。
一种基于实际光合效率的LED补光控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，实时采集和计算植物光环境参数和荧光参数；
步骤二，综合考虑温度和光合活性参数QP，得到实际光合效率ΦPSII在设定值λ时光通量密度的预设值PPFD(Y)；
步骤三，通过PWM数字调光，使LED光照强度达到预设值PPFD(Y)，得到此时的实际光合速率ETR和实际光合效率ΦPSII；
步骤四，判断ΦPSII不等于设定值λ时，通过光照强度的调节改变光化学抑制参数PQ的数值使ΦPSII达到λ，并记录此时的ETR和PPFD,修正预设值PPFD(Y)；
步骤五，实时监测ΦPSII的数值，当ΦPSII改变时重复步骤四。
所述步骤二和步骤四中，λ和PPFD(Y)的测定包括以下步骤：
步骤一，选取合适的植物作为实验对象；
步骤二，固定湿度不变，设置温度范围，和温度阶梯，在相应温度下，按照一定阶梯改变光照强度，记录相应温度下ETR和ΦPSII对PPFD的响应曲线，以及此时非光化学淬灭系数QP；
步骤三，根据步骤二得到的曲线，得到相应温度和QP下，ETR上升速率K缓慢时，记录此时的实际光合效率ΦPSII作为设定值λ，此时的光照强度PPFD作为预设光照强度PPFD(Y)。
本发明具有有益效果。本发明系统设计和实现方法简单，易于实现，能从植物需求出发进行补光，综合考虑了植物的光合效率和光合速率两个参数，不仅可以满足植物的正常生长，而且可以实现植物对光的最大化利用。叶绿素荧光监测探头开发的荧光监测模块，可以连接到大部分现有的温室监控系统，进行实际的项目开发和使用。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的方法流程图。
图中:1.叶绿素荧光监测探头，2.照度传感器，3.温湿度传感器，4微处理器，5.LED恒流驱动，6.LED光源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于实际光合效率的LED补光控制系统，包括监测温室环境参数的照度传感器2，温湿度传感器3，以及监测植物荧光参数的叶绿素荧光监测探头1，所述传感器输出端通过485接口和微处理器4连接，所述恒流驱动器5和LED光源6连接，所述微处理器4输出口和恒流源5的控制口连接。
本实例中，所述荧光监测探头是Fluormonitor荧光传感器。
本实例中，所述恒流驱动芯片是MT7201C+。
本实例中，所述微处理器为STM32F407单片机。
本实例中，所述温湿度传感器为JWSK-6温湿度传感器。
下面根据图2所示控制流程示意图，对控制方法进行详细说明：
步骤一，实时采集和计算植物光环境参数和荧光参数，包括实际荧光值Ft，光适应下的最大荧光值Fm',光适应下的最小荧光值F0'；
实际光合效率ΦPSII：
光化学淬灭：
光合电子传递速率：
步骤二，综合考虑温度和光合活性参数QP，得到实际光合效率ΦPSII在设定值λ时光通量密度的预设值PPFD(Y)；
步骤三，通过PWM数字调光，使LED光照强度达到预设值PPFD(Y)，得到此时的实际光合速率ETR和实际光合效率ΦPSII；
步骤四，当此时的实际光合效率ΦPSII不等于设定值λ时，通过光照强度的调节改变光化学抑制参数PQ的数值使ΦPSII达到λ，并记录此时的ETR和PPFD,修正预设值PPFD(Y)；
步骤五，实时监测实际光合效率ΦPSII的数值，当ΦPSII改变时重复步骤四；
下面根据图2所示流程示意图，对测定方法进行详细说明：
步骤一，选取合适的植物作为实验对象，
步骤二，固定湿度不变，设置温度范围从15℃到35℃，每5℃一个阶梯，在相应温度下，从100μmol·m-2·s-2到1000μmol·m-2·s-2，以100μmol·m-2·s-2为增量改变光照强度，记录相应温度下ETR和ΦPSII对PPFD的响应曲线，以及此时非光化学淬灭系数QP。
步骤三，根据步骤二得到的曲线，得到相应温度和QP下，ETR上升速率
缓慢时，记录此时的ΦPSII作为λ，此时的光照强度PPFD作为预设光照强度PPFD(Y)。

Claims (1)

1.一种基于实际光合效率的LED补光控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，实时采集和计算植物光环境参数和荧光参数；所用传感器为Fluormonitor荧光传感器；
步骤二，综合考虑温度和植物光合活性参数的光化学淬灭系数qP，得到实际光合效率ΦPSII在设定值λ时光通量密度的预设值PPFD(Y)；
步骤三，通过PWM数字调光，使LED光照强度达到光通量密度的预设值PPFD(Y)，得到此时的实际光合电子传输速率ETR和实际光合效率ΦPSII；
步骤四，判断实际光合效率ΦPSII不等于设定值λ时，通过光通量密度的调节改变光化学抑制参数PQ的数值使实际光合效率ΦPSII达到设定值λ，并记录此时的实际光合电子传输速率ETR和光通量密度PPFD，修正光通量密度的预设值PPFD(Y)；
步骤五，实时监测实际光合效率ΦPSII的数值，当实际光合效率ΦPSII改变时重复步骤四；
所述步骤二和步骤四中，设定值λ和光通量密度的预设值PPFD(Y)的测定包括以下步骤：
步骤2.1，选取合适的植物作为实验对象；
步骤2.2，固定湿度不变，设置温度范围，和温度阶梯，在相应温度下，按照一定阶梯改变光照强度，记录相应温度下光合电子传输速率ETR和实际光合效率ΦPSII对光通量密度PPFD的响应曲线，以及此时光化学淬灭系数qP；
步骤2.3，根据步骤二得到的曲线，得到相应温度和光化学淬灭系数qP下，光合电子传输速率ETR上升速率K缓慢时，记录此时的实际光合效率ΦPSII作为设定值λ，此时的光通量密度PPFD作为光通量密度的预设值PPFD(Y)。
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