CN108717307B - 一种面向作物整株需光差异的多通道补光调控方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明基于作物整株需光差异，提出了多通道补光调控方法。本方法通过检测植株顶叶位置环境光强，由叶片透光指数计算出株间叶位的环境光强，继而由顶灯和株间灯的PWM反馈算法计算出补光灯的占空比信号，从而精确控制补光灯组的补光量。如需补光，将顶灯和株间灯的PWM占空比信号与相应补光灯的ID号打包，在由控制模块ZigBee协调器将指令下发给顶灯或株间灯从而精确控制补光灯组的亮度，实现按需智能精确补光。同时累计补光调控系统运行时间，以冬季设施植物最佳补光时长为阈值，来进行补光灯组补光量的动态反馈调控。本发明还提出了相应系统及所设备，可根据植物整株需光差异的特点，实现对植物垂直方向不同叶位的按需定量补光。

Description

一种面向作物整株需光差异的多通道补光调控方法与系统

技术领域

本发明属于现代设施农业生产中植物人工补光技术领域，特别涉及一种面向作物整株需光差异的多通道补光调控方法与系统。

背景技术

我国设施大棚种植面积及产量均居世界首位，但设施种植受温室结构、薄膜覆盖、天气状况等影响，其太阳辐射透过率较低，温室光照强度为大田的30％-70％，因而植物补光技术应运而生并得到长足发展。目前的植物补光技术有：冠层顶叶补光、植物株间补光，以及少量的立体补光系统。但如果考虑到植株垂直方向上的需光差异，以及像番茄和黄瓜等高大植物枝叶对光照的遮挡，则目前的技术并不能实现植物补光的最优化。

冠层补光技术，若以顶层新生叶的光合能力为标准进行补光，则中下部叶位得不到足够的光照，将会限制光合作用从而影响产量；若为了使中下部叶位获得足够的光照，而增加补光值，则顶层新生叶因为光照太强而受到光胁迫，引起光合能力降低，产生光抑制。株间补光技术，只在植株间安装补光灯，顶叶不补光会影响新生叶的生长从而影响整个植株的生长。目前有飞利浦等企业在设计和应用整株补光系统，但是均为固定补光，没有考虑植物不同生长叶位的需光差异，在整个植物生长过程中无法调整补光灯的光照强度，造成了补光不足和过度并存的现象。目前的补光调控系统多将检测模块放于补光灯上方，采用差值补光，由于环境光强在不断变化，使得补光灯不断亮灭，无法实现补光的最优化。以上这些技术存在的不足实质上是未考虑植株垂直方向的需光差异以及目前补光调控系统功能的单一。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向作物整株需光差异的多通道补光调控方法与系统，其根据植株垂直方向的需光差异，通过多通道补光调控系统实现对各类植物不同叶位的按需定量补光，在满足其生长所需的前提下，最大程度的提高输出光能的利用率，减少无效能耗。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面向作物整株需光差异的多通道补光调控方法，包括如下步骤：

第一步：在补光区域，基于植株顶叶上方的双目视觉系统，采集植株叶片图像，然后由图像处理方法计算出顶叶到株间叶位的叶片透光指数β；叶片透光指数β指单位面积上透过的光量与所有照射在此单位面积光量之比，即为单位面积上没有绿色叶片所占得比例。计算公式为：叶片透光指数(β)＝1-单位面积上的绿色叶片面积(m²)/单位面积(m²)。

第二步：基于植株顶叶位置PAR光照传感器，检测植株顶叶位置的环境光强Q₁，然后由叶片透光指数β计算出株间叶位的环境光强Q₂，Q₂＝β*Q₁；

第三步：调用顶灯的PWM反馈算法求出顶灯PWM占空比Z₁，调用株间灯的PWM反馈算法求出株间灯PWM占空比Z₂，顶灯和株间灯组成了补光灯组；

第四步：分别将顶灯和株间灯的PWM占空比信号和相应补光灯的ID号组成数据包，然后由ZigBee协调器以组播的形式发出，补光灯组接收数据并解析响应，从而精确控制补光灯组的亮度，实现不同叶位的按需智能精确补光。

本发明中，植株顶叶是指植株最顶部的叶片，株间叶位的叶片是指植株最中间的叶片。

所述第三步中：

Z₁＝Z⁰ ₁+ΔPWM₁，其中，Z⁰ ₁是顶灯的前一次PWM占空比，ΔPWM₁是顶灯的PWM占空比调整量，ΔPWM₁＝k₁*ΔQ₁，ΔQ₁是顶叶光强变化量，ΔQ₁＝Q¹ _阈-Q₁，Q¹ _阈是顶叶光强阈值；k₁是顶灯的光强和PWM占空比对应系数，根据顶灯亮度和驱动电流线性关系曲线，计算顶灯的输入电流，再根据PWM占空比和输出电流关系曲线计算得到k₁；

Z₂＝Z⁰ ₂+ΔPWM₂，其中，Z⁰ ₂是株间灯的前一次PWM占空比，ΔPWM₂是株间灯的PWM占空比调整量，ΔPWM₂＝k₂*ΔQ₂，ΔQ₂是株间叶位的光强变化量，ΔQ₂＝Q² _阈-Q₂-β*ΔQ₁，Q² _阈是株间叶位光强阈值，β*ΔQ₁为顶灯光强变化量对株间叶位环境光强的影响，k₂是株间灯的光强和PWM占空比对应系数，根据株间灯亮度和驱动电流线性关系曲线，计算株间灯的输入电流，再根据PWM占空比和输出电流关系曲线计算得到k₂。

进一步地，在补光过程中，如果累计补光时间小于13小时，则每隔T分钟，对需补光量进行实时修正，即重新检测顶叶环境光强，由叶片透光指数计算株间叶位的环境光强，再由相应的PWM反馈算法进行PWM占空比信号的修正，以实现立体补光设备的动态调控，补光量实时修正时间T可由环境条件和用户需要确定；如果累计补光时间大于13小时(冬季设施植物最佳补光时长)，则关闭补光灯组。

本发明还提供了一种面向作物整株需光差异的多通道补光调控系统，包括：

检测模块，检测植株顶叶位置的环境光强Q₁；

控制模块，根据检测模块采集到的顶叶环境光强数据Q₁，在工控屏中通过叶片透光指数β计算出株间叶位的实时环境光强Q₂，利用顶灯PWM反馈算法、株间灯PWM反馈算法分别计算出顶灯和株间灯的PWM占空比信号Z₁、Z₂；

补光模块，包括由顶灯和株间灯组成的补光灯组，接收控制模块协调器发来的PWM占空比数据包，并将数据包内的PWM占空比信号接入相应驱动电路的控制端，驱动电路的输出接相应的补光灯，从而实现对立体补光灯光强的控制；

用户交互模块，由显示屏和输入键盘组成，显示实时环境光强检测信息、修改不同叶位光照强度阈值、查询顶灯和株间灯的补光值。

所述检测模块采用PAR光照传感器周期性检测顶叶位置环境光强。

所述控制模块以CC2530为核心，通过对Z-stack协议栈的修改，将顶灯和株间灯对应的CC2530的簇ID号加以区别，通过协调器将包含有相应簇ID号的数据包分组发送给顶灯和株间灯，实现立体补光灯的多通道控制，从而达到精确控制补光灯组的亮度，实现整株需光差异的智能精确补光。

所述顶灯采用常规补光灯，即红蓝LED灯珠比为3:1的长方形补光灯，所述株间灯由红光补光灯管和蓝光补光灯管各六个及其驱动电路组成。

所述补光灯组为LED阵列，红LED灯发出中心波长为650nm的红光，蓝LED灯发出中心波长为450nm蓝光，且红、蓝光LED灯的波长宽度均小于等于30nm，所述驱动电路采用PT4115为核心驱动芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)根据植物不同叶位需光差异的特点，采用立体补光设备和多通道补光调控系统实现对整株植物不同叶位的按需定量补光，使得植物的光吸收率显著提高，光合作用明显加强。

2)将PAR光照传感器放于顶叶位置，并引入叶片透光指数，可以由一个PAR光照传感器得到顶叶和株间叶位的环境光强，节省设备成本。

3)应用补光灯PWM反馈算法，实现补光灯补光量的动态反馈调控，解决了以往补光值无反馈、无修正的问题，同时也避免LED灯珠不断亮灭。

附图说明

图1是本发明的整株需光差异的多通道补光方法流程图。

图2是多通道补光调控系统的软件流程图。

图3是顶灯和株间灯PWM反馈算法流程图。

图4是本发明多通道补光调控系统结构示意图。

图5是本发明的检测模块电路框图。

图6是本发明的补光模块电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明为了实现整株需光差异的多通道补光调控，首先必须获得整株不同叶位的光强阈值。通过LI-6800光合速率仪测量植株不同生长期不同叶位的光合速率，通过相应的光合速率模型求出光饱和点作为光照强度的阈值。然后由用户交互模块的键盘输入到控制模块中，以便之后的PWM反馈算法的调用。

植物补光技术的实施模块是补光灯组，因此补光灯组统一选取LED阵列，其价格低廉，驱动电流小。本发明中需补光量为LED灯组实际发光强度，通过LED灯组发光强度与LED灯组电流的线性正比关系确定所需电流，同时基于PWM占空比和驱动电流的正比关系，得出光强与PWM占空比对应系数，然后应用CC2530中的定时器来定量控制LED的发光强度。

结合图1、图2和图3具体说明整株需光差异的多通道补光调控系统的实现。

首先启动多通道补光调控系统，给控制模块、检测模块、补光模块上电，ZigBee系统初始化并且由控制模块的协调器建立无线网络，ZigBee系统进入OSAL循环，顶灯、株间灯和检测模块作为终端设备加入网络，基于ZigBee的无线多通道数据传输网络建立。

获取叶片透光指数：补光区顶叶上方的双目视觉系统采集植株特定层位的叶片图像。叶片透光指数由图像处理方法得到。由于绿色叶片将光谱中的红蓝光几乎全部吸收，所以认为绿色叶片不透光，通过图像处理获得单位面积上的绿色叶片面积。叶片透光指数：单位面积上透过的光量与所有照射在此单位面积光量之比，即为单位面积上没有绿色叶片所占得比例。计算公式为：叶片透光指数(β)＝1-单位面积上的绿色叶片面积(m²)/单位面积(m²)。

获取顶叶和株间叶位的环境光强：将PAR光照传感器安置在植株顶叶位置，由PAR光照传感器检测顶叶环境光强Q₁，检测模块将光强数据打包发送给控制模块协调器，然后通过串口将数据传输到工控屏中。在工控屏中由叶片透光指数β计算株间叶位的环境光强Q₂，其中Q₂＝β*Q₁。

顶灯和株间灯PWM占空比的计算：在控制模块中分别调用顶灯PWM反馈算法和株间灯PWM反馈算法，输入相应的参数，求顶灯和株间灯PWM占空比。

顶灯PWM反馈算法如下：

定义：顶叶环境光强Q₁，顶叶光强阈值Q¹ _阈，顶叶光强变化量ΔQ₁，顶灯PWM占空比Z₁，前一次PWM占空比Z⁰ ₁，顶灯PWM占空比调整量ΔPWM₁，顶灯光强和PWM占空比对应系数k₁。通过补光灯亮度和驱动电流线性关系曲线，计算补光灯的输入电流，再根据PWM占空比和输出电流关系曲线，计算出补光灯的光强与PWM占空比对应系数k₁。顶灯最大补光量为PWM占空比为1时，即最大功率状态下的光照强度。k₁＝1/Max₁；Max₁：特定高度下顶灯LED阵列最大输出量(μmol·m^-2s^-1)。

1.输入Q₁，Q¹ _阈，Z⁰ ₁；

2.求顶叶光强变化量ΔQ₁，ΔQ₁＝Q¹ _阈-Q₁；

3.由PWM占空比与光强的关系求顶灯PWM占空比调整量ΔPWM₁，ΔPWM₁＝k₁*ΔQ₁；

4.求顶灯PWM占空比Z₁，Z₁＝Z⁰ ₁+ΔPWM₁；

5.if(Z₁>0)；

6.else

7.Z₁＝0；

8.Z⁰ ₁＝Z₁；

9.输出顶灯PWM占空比Z₁；

株间灯PWM反馈算法如下：

定义：株间叶位环境光强Q₂，株间叶位光强阈值Q² _阈，株间叶位光强变化量ΔQ₂，株间灯PWM占空比Z₂，前一次PWM占空比Z⁰ ₂，株间灯PWM占空比调整量ΔPWM₂，光强和PWM占空比对应系数k₂，叶片透光指数β。株间补光灯最大补光量为PWM占空比为1时，即最大功率状态下的光照强度。k₂＝1/Max₂；Max：特定高度下株间补光灯LED阵列最大输出量(μmol·m^-2s^-1)。

1.输入Q₂，ΔQ₁，Q² _阈，Z⁰ ₂；

2.求株间叶位光强变化量ΔQ₂，ΔQ₂＝Q² _阈-Q₂-β*ΔQ₁，必须考虑顶灯光强变化量对株间叶位环境光强的影响，即β*ΔQ₁；

3.由PWM占空比与光强的关系求株间灯PWM占空比调整量ΔPWM₂，ΔPWM₂＝k₂*ΔQ₂；

4.求株间灯PWM占空比Z₂，Z₂＝Z⁰ ₂+ΔPWM₂；

5.if(Z₂>0)；

6.else

7.Z₂＝0；

8.Z⁰ ₂＝Z₂；

9.输出株间灯PWM占空比Z₂；

补光灯PWM占空比信号的发送：把顶灯和株间灯的PWM占空比和相对应补光灯的ID号打包，控制模块的协调器调用数据发送函数，协调器以组播的形式将数据包发送出去。顶灯和株间灯收到相应的PWM占空比信号，并且由解析函数解析相应的信号，然后接入相应驱动电路的控制端，驱动电路的输出接相应的补光灯组，补光灯组响应，从而实现对立体补光灯光强的控制。

动态反馈调控：为了实现动态调控补光灯的补光量，以达到补光的最优化。首先要累计补光调控系统的运行时间，目前设施蔬菜的补光时间应该从早晨8点到晚上9点，所以当补光调控系统运行时间小于13小时，则检测模块的PAR传感器每隔Tmin检测顶叶位置的环境光强，然后检测模块将此环境光强发送给控制模块，执行上述三个步骤，即先求出株间叶位环境光强，再由PWM反馈算法求得补光灯的PWM占空比，然后发送补光灯占空比信号给补光灯，从而实现动态调控补光灯的补光量，以达到补光的最优化。

如图4所示，本发明整株需光差异的多通道补光调控系统具体包括：

检测模块：以CC2530为核心建立无线传感器网络系统平台，设计可实现的分波段光强的实时监测设备。采用模块化、标准接口的设计思路，通过PAR传感器及其外部电路组成对应传感器模块，构建以CC2530为核心的监测设备，检测模块的供电电压为5v。本系统应用该技术接入光照传感器模块，实现特定波段光强监测和实时传输。其采用ZigBee网络节点作为终端设备实现数据收发，包括电源模块、主控模块、时钟模块、光照强度监测模块、预留扩展监测端口，检测模块电路框图如图5所示。

控制模块，由工控屏和CC2530根节点两部分组成，供电电压为5v。采用HMI-ET100型工控屏实现人机交互功能，内嵌PWM反馈算法及相应的计算程序，以实现对多通道补光调控系统的高效控制。同时实时显示检测到的环境光强、修改不同叶位光照强度阈值、查询顶灯和株间灯补光值。根节点部分以CC2530控制器为核心，包括电源模块和串口模块等部分，完成系统组网以及光环境信息的处理和控制指令的下发。二者采用RS232串口完成数据通讯，以保证整个系统的高效可靠。

补光模块，采用PWM技术解决系统补光量随环境变化的问题，有效控制LED灯输出光强，实现对植物不同叶位的按需补光。补光节点主要包含电源模块、CC2530处理器、光电耦合器、驱动电路，LED灯等五部分。其中CC2530处理器主要用来接收控制模块下发的命令、并控制LED灯组亮度变化。光电耦合器模块的作用是进行光电隔离，采用高速光电耦合器，基本可消除PWM信号通过光电耦合器后产生的延时。PT4115用于LED灯的驱动。补光模块电路框图如图6所示。

以下以一个具体实验为例，说明本发明的效果。

选取泾阳蔬菜基地黄瓜大棚中的8株为实验对象，测量果期不同叶位光合速率。

环境因素：棚内温度24℃，CO₂浓度600μmol mol^-1。

1)测量顶叶和株间第7叶位在光饱和条件下的最大光合速率

得出：顶叶平均最大光合速率为16.18μmol m^-2s^-1，

株间第7叶位平均最大光合速率为31.82μmol m^-2s^-1，

由此得出植株不同叶位在光饱和条件下的最大光合速率差别很大。

2)在相同能耗的条件下采用本发明的立体补光系统和冠层顶灯补光系统，测量在顶叶达到光饱和条件下的最大光合速率时的株间第7叶位的光合速率。

得出：采用冠层顶灯补光，使得顶叶达到光饱和条件下的最大光合速率，株间第7叶位平均光合速率为19.96μmol m^-2s^-1，

采用本发明的立体补光系统，同样在顶叶达到光饱和条件下的最大光合速率下，株间第7叶位平均光合速率为31.62μmol m^-2s^-1。

由此得出采用本发明的立体补光调控系统相比于目前的冠层补光技术，使得株间叶位光合速率提高了60％。

综上，本发明根据植株各生长阶段垂直方向不同叶位的需光差异，设置顶叶和株间叶位的光强阈值，由图像处理方法求出植株的叶片透光指数。检测植株顶叶位置环境光强，然后由叶片透光指数计算出株间叶位的环境光强。由控制模块中顶灯和株间灯的PWM反馈算法计算出补光灯的占空比信号，从而精确控制补光灯组的补光量。如需补光，将顶灯和株间灯的PWM占空比信号与相应补光灯的ID号打包，在由控制模块ZigBee协调器将指令下发给顶灯或株间灯从而精确控制补光灯组的亮度，实现按需智能精确补光。同时累计补光调控系统运行时间，以冬季设施植物最佳补光时长为阈值，来进行补光灯组补光量的动态反馈调控。本发明可根据植物整株需光差异的特点，实现对植物垂直方向不同叶位的按需定量补光。

Claims (3)

1.一种面向作物整株需光差异的多通道补光调控方法，包括如下步骤：

第一步：在补光区域，基于植株顶叶上方的双目视觉系统，采集植株叶片图像，然后由图像处理方法计算出顶叶到株间叶位的叶片透光指数β；

第二步：基于植株顶叶位置PAR光照传感器，检测植株顶叶位置的环境光强Q₁，然后由叶片透光指数β计算出株间叶位的环境光强Q₂，Q₂＝β*Q₁；

第三步：调用顶灯的PWM反馈算法求出顶灯PWM占空比Z₁，调用株间灯的PWM反馈算法求出株间灯PWM占空比Z₂，顶灯和株间灯组成了补光灯组；

第四步：分别将顶灯和株间灯的PWM占空比信号和相应补光灯的ID号组成数据包，然后由ZigBee协调器以组播的形式发出，补光灯组接收数据并解析响应，从而精确控制补光灯组的亮度，实现不同叶位的按需智能精确补光；

其特征在于，所述第三步中：

Z₁＝Z⁰ ₁+ΔPWM₁，其中，Z⁰ ₁是顶灯的前一次PWM占空比，ΔPWM₁是顶灯的PWM占空比调整量，ΔPWM₁＝k₁*ΔQ₁，ΔQ₁是顶叶光强变化量，ΔQ₁＝Q¹ _阈-Q₁，Q¹ _阈是顶叶光强阈值；k₁是顶灯的光强和PWM占空比对应系数，根据顶灯亮度和驱动电流线性关系曲线，计算顶灯的输入电流，再根据PWM占空比和输出电流关系曲线计算得到k₁；

Z₂＝Z⁰ ₂+ΔPWM₂，其中，Z⁰ ₂是株间灯的前一次PWM占空比，ΔPWM₂是株间灯的PWM占空比调整量，ΔPWM₂＝k₂*ΔQ₂，ΔQ₂是株间叶位的光强变化量，ΔQ₂＝Q² _阈-Q₂-β*ΔQ₁，Q² _阈是株间叶位光强阈值，β*ΔQ₁为顶灯光强变化量对株间叶位环境光强的影响，k₂是株间灯的光强和PWM占空比对应系数，根据株间灯亮度和驱动电流线性关系曲线，计算株间灯的输入电流，再根据PWM占空比和输出电流关系曲线计算得到k₂。

2.根据权利要求1所述面向作物整株需光差异的多通道补光调控方法，其特征在于，所述第一步中，叶片透光指数β指单位面积上透过的光量与所有照射在此单位面积光量之比，即为单位面积上没有绿色叶片所占得比例；计算公式为：叶片透光指数(β)＝1-单位面积上的绿色叶片面积(m²)/单位面积(m²)。

3.根据权利要求1所述面向作物整株需光差异的多通道补光调控方法，其特征在于，在补光过程中，如果累计补光时间小于13小时，则每隔T分钟，对需补光量进行实时修正，即重新检测顶叶环境光强，由叶片透光指数计算株间叶位的环境光强，再由相应的PWM反馈算法进行PWM占空比信号的修正，以实现立体补光设备的动态调控，补光量实时修正时间T可由环境条件和用户需要确定；如果累计补光时间大于13小时，则关闭补光灯组。

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