CN116458422A - 一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统 - Google Patents

一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统 Download PDF

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CN116458422A CN202310466655.7A CN202310466655A CN116458422A CN 116458422 A CN116458422 A CN 116458422A CN 202310466655 A CN202310466655 A CN 202310466655A CN 116458422 A CN116458422 A CN 116458422A
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Abstract

本发明涉及一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，系统包括阶段检测模块、计算模块以及环境模块；阶段检测模块用于测定植物生长阶段信息；环境模块包括温控单元、湿度单元和光照单元；其中，计算模块基于植物生长阶段信息通过叶遮蔽系数计算出植物光合作用吸收的实际光照强度和光照单元需要发出的发出光照强度，并且控制光照单元对植物所处的阶段具有的不同叶片分布特征调整光照单元所发出光照量，使得植物在当前阶段下的受光量满足生育需求，从而缩短植物的生育周期。本发明引入的叶遮蔽系数确立了植物所吸收的实际光照度值，由此自动控制光照单元或其余发光设备发出的光照强度能够让植物的受光量达到目标值。

Description

一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统
技术领域
本发明涉及植物工厂技术领域，尤其涉及一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统。
背景技术
随着植物工厂的兴起，现代农业实现了植物的快速栽培，大幅提高了作物的产量，提高了资源利用率，同时也不会造成环境污染。植物工厂根据植物的生长需要配置所需的营养液、光照等条件，而植物在不同的生产期所需的环境并不相同，植物工厂中的营养液、光照等条件就需要随着植物的生长而变化，调节过程需要复杂的操作和较高的人力成本。由于植物处于不同生长阶段时，叶片大小、叶绿素含量、受光面积、株间距、叶片遮蔽阴影、叶片重叠面积等因素不同，导致植物不能够完全吸收光照单元或其余发光设备发出的光照，存在部分光照量直接照射在地面而未被植物吸收，使得植物的受光量不能达到目标值甚至与目标值差别过大的问题，让植物的生育周期受到影响。因此，需要一种能够针对植物生育周期多阶段的不同特点，在植物工厂环境下，通过控制光照单元的照射参数，从而缩短植物的生育周期的种植系统。
中国专利CN104302062B公开了一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制系统和方法，通过探测不同光色LED植物灯的发光功率计算多种光色的发光功率比例，根据多种光色LED植物灯的发光功率比例和预设的参考发光功率比例进行计算并发出光照控制信号，光照控制信号控制不同光色LED植物灯的发光功率，使得多种光色的发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求。通过对多种光色LED植物灯的发光功率进行连续、实时的在线探测，结合植物在不同生长阶段的光照需求来调节多种光色LED植物灯的发光功率，使得植物工厂内的植物处于最佳的生长状态，并且提高了植物工厂的能量利用率，节约了能源。上述专利对于植物在不同生长阶段的光照需求的调节在于通过不同光色LED灯的发光功率的比例调节，其考虑的主体在于植物红光和蓝光功率比例的调节，而未考虑由于植物的叶面积指数、叶绿素含量、受光面积、株间距、叶片遮蔽阴影、叶片重叠面积等因素造成的植物实际受光量变化的问题，导致其营造的植物生长环境并非使得植物处于最佳生长状态，延长了植物的生育周期。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
现有技术在对植物进行光照的环节中，通常以控制光照单元303或其余发光设备发出的光照强度的方式对植物进行可控的光照。但是，由于植物处于不同生长阶段时，植物的叶片面积、叶绿素含量、受光面积、株间距、叶片遮蔽阴影、叶片重叠面积等因素处于不断变化的状态，导致植物不能够完全吸收由光照单元或其余发光设备发出的光照，使得部分光照直接照射在地面而未被植物吸收，存在植物的受光量不能达到目标值甚至与目标值差别过大的问题，让植物的生育周期受到影响。例如，小麦处于营养阶段时，其受光量应当处于150～250μmol·m-2·s-1，而现有技术通常控制光照单元或其余发光设备发出的光照强度直接控制在150～250μmol·m-2·s-1，但是小麦植株之间的空隙和叶片之间的空隙使得小麦并非完全吸收光照单元所发出的光照量，有四分之一甚至三分之一的光照量通过上述空隙照射在栽培槽的空白区域，导致小麦的实际受光量达不到目标值，从而影响小麦的生长发育。对此，本发明引入的叶遮蔽系数确立了植物所吸收的实际光照度值，由此自动控制光照单元或其余发光设备发出的光照强度能够让植物的受光量达到目标值，并且由于小麦在营养阶段的株高、叶片面积和叶绿素含量都处于不断升高的状态，对于光照单元或其余发光设备发出的光照强度也由此进行实时动态反馈调控，而非如现有技术的达到单一光照强度后保持不变。
针对现有技术之不足，本发明的技术方案是提供一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，所述系统包括阶段检测模块、计算模块以及环境模块；所述阶段检测模块用于测定植物生长阶段信息；所述环境模块包括光照单元。其中，所述计算模块基于植物生长阶段信息通过叶遮蔽系数计算出植物光合作用吸收的实际光照强度和光照单元需要发出的发出光照强度，并且控制光照单元对植物所处的阶段具有的不同叶片分布特征调整光照单元所发出光照量，使得植物在当前阶段下的受光量满足生育需求，从而缩短植物的生育周期。
根据一种优选的实施方式，所述系统还包括设置于栽培槽中的吸光板，所述吸光板用于检测由光照单元照射下的经过植物光合作用吸收后的剩余光照量，所述计算模块基于所述吸光板检测到的剩余光照量和所述光照单元所发出光照量计算出叶遮蔽系数，公式在于：
上述公式中，Q1表示所述光照单元所发出光照量，Q2表示所述吸光板检测到的剩余光照量，ε表示叶遮蔽系数。
根据一种优选的实施方式，所述计算模块至少基于对植物的单次培育过程得到叶遮蔽系数的变化曲线，并且将所述变化曲线用于下一次或若干次培育过程，以调整光照单元所发出光照量。
根据一种优选的实施方式，所述叶遮蔽系数是随植物生长阶段变化而变化的。
根据一种优选的实施方式，照射参数至少包括：光照强度、光周期和光质配比，其中，所述计算模块至少基于如下公式动态调整光照单元的照射参数，
x(s，H)＝y(Q，T，P)
Q3＝Q×ε
上述公式中，S表示当前植物的生长阶段，H表示当前生长环境中的环境参数，Q表示植物所需光照强度，T表示植物所需光周期，P表示植物所需光质配比，Q3表示所述光照单元在该阶段下需要发出光照量。
上述公式中的S、H、Q、T、P在对植物进行多阶段培育前通过所述环境模块进行设定、修改或保存。
根据一种优选的实施方式，所述环境模块还包括温控单元和湿度单元。所述当前生长环境中的环境参数至少包括：由所述温控单元检测到的环境温度；由所述湿度单元检测到的土壤湿度；以及由所述环境模块基于环境温度、土壤湿度和当前植物的生长阶段得出的雾培参数。其中，所述雾培参数包括营养液在当前植物的生长阶段的配方和配比。
根据一种优选的实施方式，所述计算模块基于植物所处的当前阶段和在当前阶段下植物所需光照强度，通过建立的叶遮蔽系数的变化曲线计算出所述光照单元在该阶段下需要发出光照量，以使得植物在当前阶段下的受光量达到目标值。
根据一种优选的实施方式，所述阶段检测模块至少基于视觉传感器对植物的叶片进行监测，以得到对应植物当前的叶片面积指数，所述叶片面积指数作为表征植物生长阶段的检测参数，并且由所述计算模块基于叶片面积指数大小判断植物所处的生长阶段。
根据一种优选的实施方式，所述阶段检测模块还基于数字图像处理技术得到对应植物的当前叶绿素含量，所述当前叶绿素含量能够用于对植物所处的生长阶段进行校对。
根据一种优选的实施方式，所述环境模块在进行光照前选择光照强度；当植物处于育苗阶段时，光周期为12≤T≤15，控制光质配比为红∶蓝＝3～5∶1；当所述小麦处于营养阶段时，光周期为14≤T≤20，控制光质配比为白∶红光∶蓝光＝0.5～1.0∶0～1.0∶0.0～0.5；当所述小麦处于生殖阶段时，光周期为16≤T≤20，控制光配比为白∶红光∶蓝光＝0.5～1.0∶0～1.0∶0.0～0.5。
本发明的有益技术效果：
本发明引入的叶遮蔽系数确立了植物所吸收的实际光照度值，由此自动控制光照单元或其余发光设备发出的光照强度能够让植物的受光量达到目标值，并且由于小麦在营养阶段的株高、叶片面积和叶绿素含量都处于不断升高的状态，对于光照单元或其余发光设备发出的光照强度也由此进行实时动态反馈调控，而非如现有技术的达到单一光照强度后保持不变，节约了人力成本，实现自动化育种，自动调整植物的生长、生殖发育和形态建成、缩短生育周期、提高品质，以降低能耗和成本。本发明创造性地提出了将叶遮蔽系数作为植物生长过程中的重要参数，针对植物所处的不同阶段具有不同叶片分布特征调整光照单元所发出光照量，使得植物受光量达到目标值。
附图说明
图1是本发明的一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统的优选实施例的块流程图；
图2是本发明的栽培槽的优选实施例的结构示意图；
图3是本发明的植物生长后对受光量影响的栽培槽的结构示意图。
附图标记列表
1：阶段检测模块；2：计算模块；3：环境模块；4：定植篮；5：栽培槽；6：吸光板；301：温控单元；302：湿度单元；303：光照单元。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
实施例1
本申请涉及一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，系统包括阶段检测模块1、计算模块2以及环境模块3。阶段检测模块1用于测定植物生长阶段信息。环境模块3包括温控单元301、湿度单元302和光照单元303。其中，计算模块2基于植物生长阶段信息通过叶遮蔽系数计算出植物光合作用吸收的实际光照强度和光照单元303需要发出的发出光照强度，并且控制光照单元303对植物所处的阶段具有的不同叶片分布特征调整光照单元303所发出光照量，使得植物在当前阶段下的受光量满足生育需求，从而缩短植物的生育周期。由于植物所受光照强度在植物的不同生长阶段，会受到叶片的面积和/或叶绿素含量的影响，导致光照单元303发出的光照强度不一定等于植物吸收的光照强度。对此，本发明引入叶遮蔽系数以对植物实际的光照强度进行测算，并且由此通过光照单元303对照射参数进行动态控制，使得植物所处的每一阶段都处于生长最佳环境，将植物的生育周期缩短，实现植物快速增产、收获。光照单元303的照射参数能够通过检测到的叶遮蔽系数动态调整，无需消耗额外的人力资源，实现植物工厂的自动化培育。相较于人工培育，该装置具有检测和管理功能，实现植物多阶段环境实时控制。
根据一种优选的实施方式，系统还包括设置于栽培槽中的吸光板6，吸光板6用于检测由光照单元303照射下的经过植物光合作用吸收后的剩余光照量，计算模块2基于吸光板6检测到的剩余光照量和光照单元303所发出光照量计算出叶遮蔽系数，公式在于：
上述公式中，Q1表示光照单元303所发出光照量，Q2表示吸光板6检测到的剩余光照量，ε表示叶遮蔽系数。光照单元303发出的光量为发出光照强度，而植物光合作用吸收的光量为实际光照强度，吸光板6吸收的光量为剩余光照强度。本发明通过在植物的栽培槽中设置吸光板6，并且实时得到吸光板6的受光量，通过光照单元303发出的光照量减去吸光板6的光照量(或称为受光量)，得到植物实际的受光量。植物实际受光量和光照单元303发出的光照量的比即为植物的叶遮蔽系数。其反应了该植物在当前光照强度下，所能够吸收的光照量。在得到叶遮蔽系数的基础上，通过控制光照单元303发出的光照度值，结合该植物当前叶遮蔽系数，就能够实时控制植物的受光量，使其达到最佳培育要求，从而缩短植物的生育周期、提高品质，并且降低能耗和成本，实现植物快速增产、收获。叶遮蔽系数表征了植物的实际受光量，能够反应植物在当前阶段下吸收光的能力。需要说明的是，本发明中的光照量、光照强度、受光量和光照度值均是指光子通量。吸光板6可由玻璃或其他透光材质构成，其内置光照探头(或采用热电偶、光电管等去检测吸光板6的受光量)，以确保对光子通量检测的准确性。光照单元303和吸光板6的对光子通量的测量方法包括PAR、PPF、PPFD方法检测。PPF测量由一个光源每秒产生的光的总量。即一个光源每秒发出的标准光子通量。PPF测量的是“照明系统每秒发出的光合成的光子”。该测量是用“微孔每秒”来表示的。但是PPF无法测量光有多少是照射在植物的。PPFD能够测量到达某一表面的光。光合作用光子通量密度或PPFD是测量实际到达植物的光量，即在给定的表面上每秒钟的光子的数量。
现有技术在对植物进行光照的环节中，通常以控制光照单元303或其余发光设备发出的光照强度的方式对植物进行可控的光照。但是，由于植物处于不同生长阶段时，叶片大小、叶片数量、叶绿素含量、受光面积、株间距、叶片遮蔽阴影、叶片重叠面积等因素不同，导致植物不能够完全吸收光照单元303或其余发光设备发出的光照，存在部分光照量直接照射在地面而未被植物吸收，使得植物的受光量不能达到目标值甚至与目标值差别过大的问题，让植物的生育周期受到影响。例如，小麦处于营养阶段时，其受光量应当处于150～250μmol·m-2·s-1，而现有技术通常控制光照单元303或其余发光设备发出的光照强度直接控制在150～250μmol·m-2·s-1，但是小麦植株之间的空隙和叶片之间的空隙使得小麦并非完全吸收光照单元303所发出的光照量，有四分之一甚至三分之一的光照量通过上述空隙照射在栽培槽的空白区域，导致小麦的实际受光量达不到目标值，从而影响小麦的生长发育。对此，本发明引入的叶遮蔽系数确立了植物所吸收的实际光照度值，由此自动控制光照单元303或其余发光设备发出的光照强度能够让植物的受光量达到目标值，并且由于小麦在营养阶段的株高、叶片面积和叶绿素含量都处于不断升高的状态，对于光照单元303或其余发光设备发出的光照强度也由此进行实时动态反馈调控，而非如现有技术的达到单一光照强度后保持不变，从而实现了植物的智能化培育，减少工作人员的工作量。智能植物工厂的设置模式能够针对植物的生长阶段调整其生长发育过程、缩短植物生育周期、并且在提高品质的前提下，降低工厂能耗和成本。
在本发明中，植物覆盖面是植物叶片覆盖的范围，叶片覆盖范围在植物的生长过程中逐渐增加。植物覆盖面是与时间相关的变量，也是叶片面积与叶片间隙面积之比相关的变量。对此，本发明引入叶遮蔽系数以确立植物所吸收的光照度值。在本发明中，叶遮蔽系数是指：在光照单元303提供一定光照强度情况下，植物光合作用吸收的实际光照强度和光照单元303发出光照强度的比。光照强度均是与时间相关、与叶遮蔽系数以及与植物覆盖面相关的变量。考虑到仅研究光照单元303的发出光照强度是不足以精确地评估植物的受光量的，本发明创造性地提出了将叶遮蔽系数作为植物生长过程中的重要参数，针对植物所处的不同阶段具有不同叶片分布特征调整光照单元303所发出光照量，使得植物受光量达到目标值。
根据一种优选的实施方式，计算模块2至少基于对植物的单次培育过程得到叶遮蔽系数的变化曲线，并且将变化曲线用于下一次或若干次培育过程，以调整光照单元303所发出光照量。本发明能够通过对植物单次培育过程中，检测到植物沿时间轴的叶遮蔽系数的变化曲线，并将该曲线作为之后培育植物的参考曲线以用于下一次或若干次培育过程，从而调整光照单元303所发出光照量，使得植物的受光量处于目标值范围内。对于同一批培育植物而言，由于场地大小的限制，可能无法同时培育过多的植物。计算模块2计算出的叶遮蔽系数的变化曲线，能够用于同一批植物(或不同批，但是同种类的植物)的培育过程中的校准。若在培育过程中，当前培育的植物的叶遮蔽系数变化曲线与参考曲线出现了偏差，可能出现了栽培槽5内部环境参数变化或植物内部出现虫害等情况。对此，通过对比参考曲线与当前培育的植物的叶遮蔽系数变化曲线的不同，能够对栽培槽5内植物所遭遇的异常情况发出预警，从而提醒工作人员维修或更换设备。两者曲线之间的偏差预警的阈值由植物的种类决定。
根据一种优选的实施方式，叶遮蔽系数是随植物生长阶段变化而变化的。叶遮蔽系数同时反应了植物的叶面积指数和叶绿素含量，其本质是反应植物在当前时刻下的光吸收能力。随着植物生长阶段的变化，叶遮蔽系数也在同时变化
根据一种优选的实施方式，照射参数至少包括：光照强度、光周期和光质配比，其中，计算模块2至少基于如下公式动态调整光照单元303的照射参数，
x(S，H)＝y(Q，T，P)
Q3＝Q×ε
上述公式中，S表示当前植物的生长阶段，H表示当前生长环境中的环境参数，Q表示植物所需光照强度，T表示植物所需光周期，P表示植物所需光质配比，Q3表示光照单元303在该阶段下需要发出光照量。
上述公式中的S、H、Q、T、P在对植物进行多阶段培育前通过环境模块3进行设定、修改或保存。
根据一种优选的实施方式当前生长环境中的环境参数至少包括：由温控单元301检测到的环境温度；由湿度单元302检测到的土壤湿度；以及由环境模块3基于环境温度、土壤湿度和当前植物的生长阶段得出的雾培参数。其中，雾培参数包括营养液在当前植物的生长阶段的配方和配比。需要说明的是，本发明以小麦为例进行各参数和阶段的说明，并不代表本发明能够用于其余植物的培育，例如水稻。
优选地，在育苗阶段之前的浸种和播种中，环境参数应当保持在如下范围内：
浸种：将小麦种子在20-50℃的水中浸泡8～24小时。
播种：将吸水露白后的种子，播种到72孔的穴盘中，在种子播种前需要先在穴盘中铺设部分草炭基质。播种后，用草炭将穴孔填满、整平，而后用水将穴盘湿透。穴盘能够提供黑暗环境或被置于黑暗处等待种子出苗，期间温度控制在14℃～16℃，基质湿度控制在60％～90％。
优选地，在育苗阶段时，环境参数应当保持在如下范围内：
穴盘由人工或者机械作用下转移至能够接受光亮的环境，光照单元303被用于至少向小麦提供部分或者全部的光源。进一步地，光照单元303被配置为能够进行多个光参数的调整。光照单元303照射参数由当前植物的生长阶段以及当前生长环境中的环境参数决定。在此阶段下，小麦处于育苗阶段。温控单元301接收当前植物的生长阶段信息(育苗阶段)并且将温度控制在15～18℃。湿度单元302接收当前植物的生长阶段信息(育苗阶段)并且将基质湿度控制在60％～80％。在该阶段下雾培参数为零。即，S＝育苗阶段，H＝(15～18℃，60％～80％，0)。在植物生长阶段变化检测模块1检测到的环境参数稳定后，环境模块3接收控制信号，并且基于Q3＝Q×ε将植物受到的照射参数例如，光照强度Q控制在80～120μmol·m-2·s-1，光周期T控制在12～15小时，光质配比P为红∶蓝＝3～5∶1。在该环境下，培养植物7～10天，使得小麦株高在5～15cm之间。本发明温度应当是指至少与小麦生长相关的环境温度，基质湿度应当是指至少是小麦所处的基质的湿度。在小麦株高在5～15cm之间的情况下，阶段检测模块1判断小麦进入营养阶段。
优选地，在营养阶段时，环境参数应当保持在如下范围内：
小麦由穴盘中整坨移至定植篮中，而后将定植篮放置在栽培槽5中，定植篮4为圆形，内直径在3.0cm～5.0cm，外径为4.0cm～7.0cm，高度在3.0cm～7.0cm。在此阶段下，小麦处于营养阶段。温控单元301接收当前植物的生长阶段信息(营养阶段)并且将温度控制在15～25℃。湿度单元302接收当前植物的生长阶段信息(营养阶段)并且将基质湿度控制在60％～75％。在该阶段下雾培参数不为零。该雾培参数包括：向小麦方向产生雾化液体的方式为小麦补充需求的物质，所采用的液体原料以霍格兰营养液配方为基础的混合液，该混合液按照每100L营养液额外添加3.0～4.0g的五水偏硅酸钠、营养液EC值控制在3.5～6.0之间、pH值控制在5.5～6.5之间的方式改造。在雾培过程中，雾培装置还需要控制水珠雾化颗粒的大小在5微米～0.5毫米之间，每个1～2小时启动一次，每次工作5～10分钟。即，S＝营养阶段，H＝(15～25℃，60％～75％，1)。在植物生长阶段变化检测模块1检测到的环境参数稳定后，环境模块3接收控制信号，并且基于Q3＝Q×ε将植物受到的照射参数例如，植物所需的光照强度Q控制在150～250μmol·m-2·s-1，光周期T控制在14～20小时，光质配比P控制在白∶红光∶蓝光＝0.5～1.0∶0～1.0∶0.0～0.5；二氧化碳浓度在光照单元303的光期内时控制在500～700ppm，暗期内使控制在300～450ppm。在此阶段一直培养至小麦孕穗，阶段检测模块1判断小麦进入生殖阶段。
优选地，在生殖阶段时环境参数应当保持在如下范围内：
在小麦抽出第一个麦穗之后，在此阶段下，小麦处于生殖阶段。温控单元301接收当前植物的生长阶段信息(生殖阶段)并且将温度控制在25～30℃，。湿度单元302接收当前植物的生长阶段信息(生殖阶段)并且将基质湿度控制在60％～70％，在该阶段下雾培参数不为零。该雾培参数包括：向小麦方向产生雾化液体的方式为小麦补充需求的物质，所采用的液体原料以霍格兰营养液配方为基础的混合液，该混合液中每100L营养液额外添加3.0～4.0g的五水偏硅酸钠以及2.0g～5.0g的四硼酸钠，营养液EC值控制在3.5～6.0之间、pH值控制在5.5～7.0之间的方式改造。在雾培过程中，雾培装置还需要控制水珠雾化颗粒的大小在5微米～0.5毫米之间，每个1～2小时启动一次，每次工作5～10分钟。即，S＝生殖阶段，H＝(25～30℃，60％～70％，2)在植物生长阶段变化检测模块1检测到的环境参数稳定后，环境模块3接收控制信号，并且基于Q3＝Q×ε将植物受到的照射参数例如，植物所需的光照强度Q控制在250～400μmol·m-2·s-1，光周期T控制在16～20小时，光质配比P控制在白∶红光∶蓝光＝0.5～1.0∶0～1.0∶0.0～0.5；二氧化碳浓度在光照单元303的光期内时控制在600～1000ppm，暗期内使控制在300～450ppm。
阶段检测模块1用于判断小麦的所处阶段，也可以是由人工判明小麦当前生长状态后选择切换各个部件的工作参数。经过上述配置，在植物工厂环境下，通过雾培参数、环境参数和照射参数的控制，实现了小麦定植后28天孕穗、32天抽穗开花，实现小麦70天收获，将原本160～180天的生育周期缩短了2/3左右。
根据一种优选的实施方式，计算模块2还基于植物在当前阶段下所需的总光照强度和叶遮蔽系数对光照单元303的光周期进行调节。植物在当前阶段下所需的总光照强度一定，在保持当前时刻光照单元303或其余发光设备发出的光照强度由植物的叶遮蔽系数实时反馈调控的情况下，光照单元303的光周期也应当受到总光照强度和叶遮蔽系数的反馈调节，以使得植物在当前阶段下的总受光量达到目标值。光照单元303的光照强度的调节可能存在延时性，叶遮蔽系数的短时变化(或瞬时变化)很难通过光照单元303的短时调节(或瞬时调节)使植物的实际受光量曲线与叶遮蔽系数的变化曲线保持一致，也就导致植物的总光照强度是不能通过每一时刻光照单元303发出的光照强度计算的，是由于调节的延时性而存在误差的。对此，本发明通过光照单元303光周期的调节以弥补该误差。叶遮蔽系数的短时变化(或瞬时变化)可能由于植物的自然伸展或外界因素使其叶片舒张或卷缩或摇晃，使得该时刻下叶片产生重叠，导致叶片遮蔽阴影、叶片重叠面积等发生变化，从而出现叶遮蔽系数的短时变化(或瞬时变化)。在此情况下，计算模块2基于叶遮蔽系数的变化曲线通过微分方式测算出植物的实际总受光量，并且由此调整当天光照单元303的光周期，使得植物的总受光量达到目标值，从而使植物生长处于最佳状态。
根据一种优选的实施方式，计算模块2基于叶遮蔽系数的变化曲线测算出植物的实际总受光量以避免光照单元303在光照强度调节上的延时性。上述延时性是指：当叶遮蔽系数发生突变时，光照单元303需要一定的响应时间和调节时间以将光照强度调节至叶遮蔽系数突变后的所需光照强度，该过程即为延时性。上述短时变化是指：叶遮蔽系数在较短时间内发生两次或多次改变，使得光照单元303在为调节到对应光照强度时，就需要进行下一次调节。具体地，计算模块2至少基于叶遮蔽系数的短时变化对光照单元303的光周期进行调节。植物在每一阶段每天的所需总光照强度为定值。光照单元303在该阶段下需要发出光照量随着叶遮蔽系数的改变而改变。但是叶遮蔽系数曲线会出现陡然上升或下降的情况，例如外界因素(自然风)使叶片摇晃，在该因素影响下，叶片遮蔽阴影、叶片重叠面积等发生变化而导致叶遮蔽系数发生短时变化。该短时变化还可能存在回调性，即可能在发生短时变化后回归正常曲线。优选地，计算模块2根据叶遮蔽系数曲线测算出植物在该阶段该天下的实际总光照强度，以消除短时变化的回调性影响，并且由此调整光照单元303的光周期，使植物总光照强度满足目标值。光照单元303在该阶段下需要发出光照量的调节并不是瞬时发生的，其调节是需要一定时间的，并且该调节是线性调节的。例如将发出的光照量线性升高或降低至目标值。该调节需要数秒乃至十数秒时间，若叶遮蔽系数在该段时间内回归正常曲线，光照单元303在该阶段下需要发出光照量又要调回正常数值。所以，该段时间内植物的实际受光量是难以通过光照单元303的发出光照量计算的。植物在该阶段该天的总光照强度也就出现了短时误差，导致总光照强度不满足目标值，从而影响植物的生长发育。上述回调性是指：叶片在受到外界因素的短时影响时，叶遮蔽系数发生短时变化，在该变化结束后，叶遮蔽系数会回归正常值，但是该变化造成光照量的变化。
对此，本发明根据叶遮蔽系数曲线测算出植物在该阶段该天下的实际总光照强度，并且由此调整光照单元303的光周期，使植物总光照强度满足目标值。优选地，总光照强度的计算在于通过光照单元303发出的光照强度乘以光照时间。而光照单元303发出的光照强度等于植物所需光照强度乘以叶遮蔽系数，对此，总光照强度的计算可转换为：植物所需光照强度乘以叶遮蔽系数乘以光照时间，公式如下：
Q总＝Q×ε×t
而本发明的叶遮蔽变化曲线是叶遮蔽系数在时间轴上的曲线。对此，将叶遮蔽系数微分，即能得到叶遮蔽系数乘以光照时间的值，从而计算出植物在该阶段该天的总光照强度。公式在于：
Q总＝Q×dε
需要说明的是，通过上述方法计算出的总光照强度是不存在误差的，因为是通过直接计算植物叶遮蔽系数的变化而得出的总光照强度。由此计算出的总光照强度就能够决定光照单元303的光周期。当计算出的总光照强度达到目标值时，光照单元303的光周期结束。若计算出的的总光照强度低于目标值时，光照单元303继续进行照射。本发明基于叶遮蔽系数的变化曲线计算植物在该阶段该天的总光照强度，排除因叶遮蔽系数的突然变化引起光照量突然变化所发生的误差，使植物总光照强度在目标值范围内。优选地，叶遮蔽系数的变化曲线还用于判断植物生长动态的异常情况。在叶遮蔽系数的变化曲线与预储存的参考曲线存在差异的情况下，计算模块2发出预警信号，以让工作人员判断植物生长动态的异常情况。计算模块2会记录与时间相关的叶遮蔽系数变化事件。如此方式进行预警能够及时检测到异常情况的发生，减小数据传输量。
根据一种优选的实施方式，阶段检测模块1至少基于视觉传感器对植物的叶片进行监测，以得到对应植物当前的叶片面积指数，叶片面积指数作为表征植物生长阶段的检测参数，并且由结果处理单元基于叶片面积指数大小判断植物所处的生长阶段。叶片面积指数是指在单位面积下植物叶片总面积占土地面积的倍数。在本发明中，叶片面积指数作为明确植物发展的动态指标。叶片面积指数还能够判断植物的长势，例如作为植物光合作用、蒸腾作用以及各种植物生理过程的重要指标，以对培育过程中植物的生长状况进行监控，并且进行针对性培育措施。优选地，视觉传感器获得植物的图像信息并且基于图像处理技术，通过图像叶片面积指数，建立与植物叶片面积指数的关系模型，从而获得实时的对应植物当前的叶片面积指数。通过图像处理技术，在叶片面积指数的获得效率上得到了提高。优选地，对于存在多种繁复背景的待测植物，能够通过图像处理所得数据于实际采用直接测量法测量的叶片面积指数数据进行对比拟合建立针对该背景下的植物的模型。新模型的建立能够有效提高植物叶片面积指数的测量精度，并且再次在该背景下进行叶片面积指数检测时，能够直接调用该新模型，节省了大量的计算时间，仅需在第一次测量时通过直接测量法检测到的叶片面积指数作为校准组数据进行新模型的建立，减小了计算误差，为植物培育提高科学性指标。
根据一种优选的实施方式，阶段检测模块1还基于数字图像处理技术得到对应植物的当前叶绿素含量。优选地，阶段检测模块1至少通过摄影机对植物进行图像采集并且基于数字图像处理技术得到对应植物的当前叶绿素含量。叶绿素含量能够用于对植物所处的生长阶段进行校对。
根据一种优选的实施方式，阶段检测模块1获取与植物当前状态相关的至少一种参数，并且获取与植物当前状态相关的不同于上述参数的另一种参数，组合量化分析获取的参数，判断是否能够得出当前植物生长阶段的结论。若是，则输出当前植物生长阶段信息。若否，则继续获取另外一种不同的与植物当前状态相关的参数继续进行组合量化分析，直至能够获得当前植物生长阶段的结论。上述参数至少包括叶片面积指数、叶绿素含量、光合情况、叶片形状、叶片颜色、生长方向、出土高度、抽穗情况、二氧化碳排放量、光吸收参数、株高、植株形态、株间距、叶片遮蔽阴影、叶片重叠面积、淀粉沉积量、植株颜色、植株特殊性状、植株特殊组织形态等。本发明尤其针对叶片面积指数和叶绿素含量对植物所处的生长阶段进行判断。叶片面积指数能够作为植物所处生长阶段判断的基本指标，而叶绿素含量作为对其的校准指标。叶绿素含量具体测量方法在于：通过视觉传感器或其他扫描设备获取待测植物的图像；基于获得图像中的各种颜色特征检测叶绿素含量。叶绿素含量与叶片光谱特性之间有着较强的关联性，通过高光谱成像技术对叶绿素进行无损检测有利于植物模型的建立。对于小麦而言，小麦的多个生长阶段具有不同叶绿素含量特征。在小麦浸种和播种时，叶绿素含量为零。
根据一种优选的实施方式，叶绿素含量还用于环境模块3对雾培参数的调节。叶绿素作为植物光合作用过程中最主要的色素，检测叶绿素的作用不仅在于对植物当前阶段的判断，还在于对植物光合作用效率的检测和植物氮素含量检测。光合作用效率和氮素含量能够指导植物的科学施肥培育，从而提高植物产量和品质，同时也是植物生理状态的重要指标。叶绿素含量直接影响到植物光合作用的效率和有机物质的积累，在植物叶绿素含量出现负面波动时，体现出植物生长过程中出现了预料之外的变化，例如环境变化。在叶绿素含量降低时，能够通过对雾培参数进行调节，以制止其降低趋势。
需要说明的是，本发明对于植物叶绿素含量的检测原理在于：获得的植物叶片图像上的每个像素均由不同的三通道值构成，3个颜色特征值的取值范围均为0～255。先对图像进行滤波除噪，滤波除噪方法包括采用8连通区域作为滤波窗口(为确定图像分割方法，可通过图像单色直方图和灰度直方图进行直观对比)。本发明采用改进的Ostu自适应阈值分割法对图像进行分割，利用Ostu方法可以将图像的前景和背景区分，达到较好的分割效果。此外，为处理Ostu分割后效果不理想的图像，可利用区域增长和线标记法相结合的8连通区域标记来自动消除图像中的孤立点和填充洞孔。处理完之后得到图像的颜色特征值，从而通过叶绿素含量与颜色特征值之间的对应关系得到植物实际的叶绿素含量。
根据一种优选的实施方式，环境模块3在进行光照前选择光照强度；当植物处于育苗阶段时，光周期为12≤T≤15，控制光质配比为红∶蓝＝3～5∶1；当小麦处于营养阶段时，光周期为14≤T≤20，控制光质配比为白∶红光∶蓝光＝0.5～1.0∶0～1.0∶0.0～0.5；当小麦处于生殖阶段时，光周期为16≤T≤20，控制光配比为白∶红光∶蓝光＝0.5～1.0∶0～1.0∶0.0～0.5。
根据一种优选的实施方式，计算模块2基于植物所处的当前阶段和在当前阶段下植物所需光照强度，通过建立的叶遮蔽系数的变化曲线计算出光照单元303在该阶段下需要发出光照量，以使得植物在当前阶段下的受光量达到目标值。
在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述系统包括阶段检测模块(1)、计算模块(2)以及环境模块(3)；
所述阶段检测模块(1)用于测定植物生长阶段信息；
所述环境模块(3)包括光照单元(303)；
其中，所述计算模块(2)基于植物生长阶段信息通过叶遮蔽系数计算出植物光合作用吸收的实际光照强度和光照单元(303)需要发出的发出光照强度，并且控制光照单元(303)对植物所处的阶段具有的不同叶片分布特征调整光照单元(303)所发出光照量，使得植物在当前阶段下的受光量满足生育需求，从而缩短植物的生育周期。
2.如权利要求1所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述系统还包括设置于栽培槽(5)中的吸光板(6)，所述吸光板(6)用于检测由光照单元(303)照射下的经过植物光合作用吸收后的剩余光照量，所述计算模块(2)基于所述吸光板(6)检测到的剩余光照量和所述光照单元(303)所发出光照量计算出叶遮蔽系数，公式在于：
上述公式中，Q1表示所述光照单元(303)所发出光照量，Q2表示所述吸光板(6)检测到的剩余光照量，ε表示叶遮蔽系数。
3.如权利要求1或2所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述计算模块(2)至少基于对植物的单次培育过程得到叶遮蔽系数的变化曲线，并且将所述变化曲线用于下一次或若干次培育过程，以调整光照单元(303)所发出光照量。
4.如权利要求1～3任一项所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述叶遮蔽系数是随植物生长阶段变化而变化的。
5.如权利要求1～4任一项所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，照射参数至少包括：光照强度、光周期和光质配比，其中，所述计算模块(2)至少基于如下公式动态调整光照单元(303)的照射参数，
x(S，H)＝y(Q，T，P)
Q3＝Q×ε
上述公式中，S表示当前植物的生长阶段，H表示当前生长环境中的环境参数，Q表示植物所需光照强度，T表示植物所需光周期，P表示植物所需光质配比，Q3表示所述光照单元(303)在该阶段下需要发出光照量，
上述公式中的S、H、Q、T、P在对植物进行多阶段培育前通过所述环境模块(3)进行设定、修改或保存。
6.如权利要求1～5任一项所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述环境模块(3)还包括温控单元(301)和湿度单元(302)，其中，所述当前生长环境中的环境参数至少包括：
由所述温控单元(301)检测到的环境温度；
由所述湿度单元(302)检测到的土壤湿度；以及
由所述环境模块(3)基于环境温度、土壤湿度和当前植物的生长阶段得出的雾培参数，
其中，所述雾培参数包括营养液在当前植物的生长阶段的配方和配比。
7.如权利要求1～6任一项所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述计算模块(2)基于植物所处的当前阶段和在当前阶段下植物所需光照强度，通过建立的叶遮蔽系数的变化曲线计算出所述光照单元(303)在该阶段下需要发出光照量，以使得植物在当前阶段下的受光量达到目标值。
8.如权利要求1～7任一项所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述阶段检测模块(1)至少基于视觉传感器对植物的叶片进行监测，以得到对应植物当前的叶片面积指数，所述叶片面积指数作为表征植物生长阶段的检测参数，并且由所述计算模块(2)基于叶片面积指数大小判断植物所处的生长阶段。
9.如权利要求1～8任一项所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述阶段检测模块(1)还基于数字图像处理技术得到对应植物的当前叶绿素含量，所述当前叶绿素含量能够用于对植物所处的生长阶段进行校对。
10.如权利要求1～9任一项所述的调控植物生育周期多阶段光照的种植系统，其特征在于，所述环境模块(3)在进行光照前选择光照强度；
当植物处于育苗阶段时，光周期为12≤T≤15，控制光质配比为红∶蓝＝3～5∶1；
当所述小麦处于营养阶段时，光周期为14≤T≤20，控制光质配比为白∶红光∶蓝光＝0.5～1.0∶0～1.0∶0.0～0.5；
当所述小麦处于生殖阶段时，光周期为16≤T≤20，控制光配比为白∶红光∶蓝光＝0.5～1.0∶0～1.0∶0.0～0.5。
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