2019， Vol.39， No.14 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 農(nóng)業(yè)科學(xué)溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)的研究歐志鵬 李延國(guó) 李建軍 趙紅星 孫雪嬌 黃雷 張航 任慧 楊眉 何禹( 長(zhǎng)春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院 ， 吉林 長(zhǎng)春 130000)摘 要 : 溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 、植物栽培區(qū)域 、單棟溫室 、植物栽培光照控制器 。植物栽培光照控制器包括植物種類確定單元 、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元 、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元 、波長(zhǎng)確定單元 、植物移動(dòng)決定單元和一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù) 。為解決了太陽(yáng)光無(wú)法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長(zhǎng)階段所需要的最佳光照條件 ， 研究了一種溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng) 。該控制系統(tǒng)能根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段 ， 提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳吸收波長(zhǎng)的光照 ， 營(yíng)造適宜生長(zhǎng)的光環(huán)境 ， 縮短生長(zhǎng)周期 ， 提高植物產(chǎn)量 ， 改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì) 。關(guān)鍵詞 : 溫室 ; 植物 ; 栽培 ; 光照 ; 波長(zhǎng) ; 控制系統(tǒng)中圖分類號(hào) : S3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A DOI: 10. 19754/j. nyyjs. 201907300151 研究領(lǐng)域及背景技術(shù)本文研究的是溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng) ，具體地說(shuō)是根據(jù)植物種類和生長(zhǎng)階段的不同 ， 有效調(diào)控溫室植物栽培的一種光照控制系統(tǒng) ， 屬于設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域 。溫室植物光照控制系統(tǒng)可調(diào)控溫室植物內(nèi)部環(huán)境 ， 保證溫室常年生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品而不受外界環(huán)境影響 ，如玻璃溫室 、日光溫室等被廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè) 。溫室獲取光照多數(shù)是利用自然光透過(guò)玻璃或者塑料薄膜進(jìn)入溫室內(nèi)部 ， 營(yíng)造一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境 ， 保證植物的正常生長(zhǎng) ， 進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn) 。植物生長(zhǎng)環(huán)境條件包括如光照強(qiáng)度 、土壤溫度 、土壤濕度 、環(huán)境溫度 、環(huán)境濕度 、二氧化碳濃度等 ，植物種類不同和不同生長(zhǎng)階段所需要的環(huán)境條件也有所差異 。一般情況下 ， 植物的生長(zhǎng)階段可分為發(fā)芽期 、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期 、生殖生長(zhǎng)期等 ， 所以可以根據(jù)植物的不同生長(zhǎng)階段 ， 對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行控制 ， 來(lái)提高作物的產(chǎn)量 。光照是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素之一 ， 許多試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段 ， 提供不同波長(zhǎng)或波段的光照 ， 對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的影響各有差異 。由于太陽(yáng)光是不同波長(zhǎng)的光組成的 ， 并不會(huì)根據(jù)植物的種類和生長(zhǎng)階段的變化需要而發(fā)生變化 ， 因此為了促進(jìn)植物生長(zhǎng) ， 縮短生長(zhǎng)周期 ， 可根據(jù)不同植物或同一植物的不同生長(zhǎng)階段提供最佳波長(zhǎng)或波段的光照 。2 技術(shù)特點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)是根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段 ， 提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳波長(zhǎng) ， 營(yíng)造適宜生長(zhǎng)的光環(huán)境 ， 縮短生長(zhǎng)周期 ，提高植物產(chǎn)量 ， 解決太陽(yáng)光無(wú)法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長(zhǎng)階段所需要的最佳光照條件 ，來(lái)改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì) 。3 附圖說(shuō)明圖 1 溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)示意圖圖 2 植物栽培光照控制器的控制示意圖圖 3 一個(gè)確定植物種類和植物栽培區(qū)域的實(shí)施例圖 4 可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件的實(shí)施例44農(nóng)業(yè)科學(xué) 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2019， Vol.39， No.14圖 1 中 : 1、2、3、4、5 和 6、可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 ; 7、8、9、10、11 和 12、植物栽培區(qū)域 ; 13、單棟溫室 ; 14、植物栽培光照控制器 ; 圖2 中 15、植物種類確定單元 ; 16、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元 ; 17、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元 ; 18、波長(zhǎng)確定單元 ;19、植物移動(dòng)決定單元 ; 20、數(shù)據(jù)庫(kù) ; 圖 3 中 21、22、23、24、25 和 26、射頻識(shí)別標(biāo)簽 ; 圖 4 中 27、連棟溫室 。4 研究?jī)?nèi)容本研究的目的是為了解決太陽(yáng)光無(wú)法滿足不同種類植物栽培和同種植物不同生長(zhǎng)階段所需要的最佳光照條件而開(kāi)發(fā)的一種溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng) 。該光照控制系統(tǒng)能夠根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段 ， 提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳波長(zhǎng) ， 營(yíng)造適宜生長(zhǎng)的光環(huán)境 ， 縮短生長(zhǎng)周期 ， 提高植物產(chǎn)量 ， 改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì) 。下面結(jié)合附圖對(duì)所研究的技術(shù)方案說(shuō)明如下 。溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件與植物栽培區(qū)域及植物栽培光照控制器 ?？蓮澢奶?yáng)能光伏電池組件安裝在單棟溫室的棚頂表面與植物栽培區(qū)域相對(duì)應(yīng) ， 每個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件都包含一個(gè)染色敏化太陽(yáng)能光伏電池 ， 且擁有不同的顏色 。植物栽培區(qū)域都對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻識(shí)別標(biāo)簽 ， 射頻識(shí)別標(biāo)簽用于植物種類信息以及相對(duì)應(yīng)的植物栽培區(qū)域信息 。植物栽培光照控制器由植物種類確定單元 、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元 、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元 、波長(zhǎng)確定單元 、植物移動(dòng)決定單元和一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成 。植物種類確定單元用于確定植物的種類 ， 生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元用于收集當(dāng)前植物的生長(zhǎng)狀態(tài)信息 ， 生長(zhǎng)區(qū)域確定單元用于確定植物栽培區(qū)域的最佳吸收波長(zhǎng) 。波長(zhǎng)確定單元用于確定植物的種類和當(dāng)前生長(zhǎng)階段需要的最佳吸收波長(zhǎng) 。植物移動(dòng)決定單元用于決定某一植物栽培區(qū)域內(nèi)的植物是否移動(dòng) 。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)植物的種類和植物栽培區(qū)域及根據(jù)植物生長(zhǎng)階段的最佳吸收波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息 。本發(fā)明的有益效果為 : 該光照控制系統(tǒng)能根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段 ， 提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳吸收波長(zhǎng) ， 促進(jìn)植物生長(zhǎng) ， 縮短生長(zhǎng)周期 ， 提高作物產(chǎn)量 。5 具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)所研究的溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng)的控制方法及實(shí)施方式作詳細(xì)敘述 。一般來(lái)說(shuō) ， 植物有一種感光色素可以根據(jù)入射光的波長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)階段 。植物生長(zhǎng)階段所涉及的感光色素包括 : 葉綠素 、類胡蘿卜素 、花青素 、植物色素等等 。一個(gè)感光色素的最佳吸收波長(zhǎng)葉綠素 A是 430nm 和 662664nm， 葉綠素 B 是 453460nm 和642647nm， 類胡蘿卜素的最佳吸收波長(zhǎng)為 430 500nm 和 640660nm。在光敏色素情況下 ， 藍(lán)色最佳吸收波長(zhǎng)是 650670nm， 綠色最佳吸收波長(zhǎng)是 705740nm， 花青素的最佳吸收波長(zhǎng)是 530 540nm。因此 ， 植物最佳吸收波長(zhǎng)是隨著生長(zhǎng)階段的不同而變化的 。此外 ， 根據(jù)栽培的植物種類不同也有不同的生長(zhǎng)變化模式 。以萵苣為例 ， 是在種子發(fā)芽后才需要營(yíng)養(yǎng)來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng) ， 原因是當(dāng)萵苣進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段 ( 開(kāi)花結(jié)實(shí)期 ) 時(shí) ， 萵苣就失去商品價(jià)值了 。然而 ， 紅葉萵苣在進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段時(shí) ， 則需要在紫外線的照射下才能使花青素顯現(xiàn) 。與此相反 ， 水果類蔬菜在進(jìn)行一段時(shí)間的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后 ， 才進(jìn)行生殖生長(zhǎng) 。另外 ， 水果類蔬菜在進(jìn)入市場(chǎng)前 ， 需要用紫外線對(duì)該區(qū)域進(jìn)行足夠的照射 ， 才能使水果的顏色呈現(xiàn)的更加鮮艷 。如上所述 ， 對(duì)植物所需的最佳吸收波長(zhǎng)是隨著栽培植物的種類和植物的生長(zhǎng)階段的不同而變化的 。參閱附圖 1， 溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng) ，該系統(tǒng)包括了一個(gè)單棟溫室 13、可彎曲的太陽(yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6 和植物栽培區(qū)域 7、8、9、10、11 和 12 及一個(gè)植物栽培光照控制器 14?？蓮澢耐该魈?yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6 安裝在單棟溫室 13 的棚頂表面上 ， 與單棟溫室13 中的植物栽培區(qū)域 7、8、9、10、11 和 12 相對(duì)應(yīng) 。每個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6 能傳輸一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光 ， 則相對(duì)應(yīng)的植物栽培區(qū)域 7、8、9、10、11 和 12 內(nèi)種植的植物可以吸收傳輸過(guò)來(lái)一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光 。每個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6 都包含一個(gè)染色敏化太陽(yáng)能光伏電池 ， 且擁有不同的顏色 。染色敏化太陽(yáng)能光伏電池包括一個(gè)涂覆在透明基板上的太陽(yáng)能透光性電極 、一個(gè)催化計(jì)數(shù)器電極 、一個(gè)涂覆在透光性電極和反電極之間填充的一種氧化 /還原劑 。透明基板能反射太陽(yáng)光中紫外線或紫外線相類似的短波 ， 未被反射的太陽(yáng)光一部分透過(guò)太陽(yáng)能電池進(jìn)入單棟溫室 13， 另一部分太陽(yáng)光則被太陽(yáng)能光伏電池吸收產(chǎn)生電能 ， 作為溫室運(yùn)行的輔助能源 。進(jìn)入單棟溫室 13 植物栽培區(qū)域 7、8、9、10、11 和 12 的太陽(yáng)光波長(zhǎng)取決于使用染色太陽(yáng)能光伏電池的顏色 ， 因此不同顏色的太陽(yáng)能光伏電池能為不同栽培區(qū)域提供不同波長(zhǎng)的光照 。植物栽培區(qū)域 7、8、9、10、11 和 12 種植不同植物時(shí) ， 植物生長(zhǎng)周期所需要的波長(zhǎng)由可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6 提供最佳吸收波長(zhǎng)的光照 。同理 ， 同種植物在不同的植物栽培區(qū)域542019， Vol.39， No.14 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 農(nóng)業(yè)科學(xué)7、8、9、10、11 和 12 內(nèi)種植時(shí) ， 多個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6 可以提供植物不同生長(zhǎng)階段的最佳吸收波長(zhǎng)的光照 。參閱附圖 2， 植物栽培光照控制器 14 包括植物種類確定單元 15、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元 16、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元 17、波長(zhǎng)確定單元 18、植物移動(dòng)決定單元 19及數(shù)據(jù)庫(kù) 20。其主要作用是根據(jù)溫室 13 中植物的種類和植物的生長(zhǎng)階段 ， 來(lái)確定某一栽培區(qū)是否要移動(dòng)合適生長(zhǎng)區(qū)域 ， 接受最佳光照波長(zhǎng) 。植物種類確定單元 15 可以從用戶種植的植物種類中獲得信息來(lái)確定植物的種類 ， 并將有關(guān)植物種類的信息傳送到波長(zhǎng)確定單元 18。植物生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元 16 包括一個(gè)傳感器 ， 用于感測(cè)植物葉子的數(shù)量 、大小等 ， 確定各植物栽培區(qū)域的植物生長(zhǎng)狀況的信息 ， 確定每株植物的生長(zhǎng)狀態(tài) ， 并將這些信息傳遞給波長(zhǎng)確定單元 18。植物生長(zhǎng)區(qū)域確定單元 17 把根據(jù)植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11 和 12 中獲得的信息傳遞到波長(zhǎng)確定單元 18， 用于確定植物栽培區(qū)域 7、8、9、10、11 和12 的最佳吸收波長(zhǎng) 。植物波長(zhǎng)確定單元 18 根據(jù)溫室栽培植物種類信息 、植物栽培區(qū)域信息以及收集植物生長(zhǎng)狀態(tài)信息確定植物需要的最佳吸收波長(zhǎng) ， 最后又植物移動(dòng)決定單元 19 確定是否對(duì)植物栽培區(qū)域 7、8、9、10、11 和12 內(nèi)的植物進(jìn)行移動(dòng) 。植物移動(dòng)決定單元 19 用于比較植物最佳吸收波長(zhǎng)和當(dāng)前植物栽培區(qū)域的波長(zhǎng) ， 然后確定是否對(duì)植物進(jìn)行移動(dòng) 。如果區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的植物的波長(zhǎng)與波長(zhǎng)確定單元 18 確定的最佳吸收波長(zhǎng)不相同的時(shí)候 ， 植物移動(dòng)決定單元 19 決定移動(dòng)植物到波長(zhǎng)確定單元 18 確定的最佳吸收波長(zhǎng)的區(qū)域 。反之 ， 如果提供給當(dāng)前植物栽培區(qū)域的波長(zhǎng)在波長(zhǎng)確定單元 18 確定的最大或者最小吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí) ， 植物移動(dòng)決定單元 19 決定不移動(dòng)相應(yīng)植物 。系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù) 20， 用于存儲(chǔ)植物的種類 、植物栽培區(qū)域和根據(jù)植物生長(zhǎng)階段的最佳吸收波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息 ， 為波長(zhǎng)確定單元 18 提供確定植物最佳吸收波長(zhǎng) 。參閱附圖 3， 射頻識(shí)別標(biāo)簽 21、22、23、24、25和 26 附著在各個(gè)區(qū)域多個(gè)植物上 ， 能儲(chǔ)存植物種類信息以及相應(yīng)植物栽培區(qū)域生長(zhǎng)狀態(tài)信息 ， 并把這些信息傳遞到波長(zhǎng)確定單元 18。在這種情況下 ， 植物生長(zhǎng)區(qū)域確定單元 17 可以根據(jù)射頻識(shí)別標(biāo)簽 21、22、23、24、25 和 26 傳遞的信息識(shí)別確定植物栽培區(qū)域7、8、9、10、11 和 12。根據(jù)以上研究的實(shí)施例所闡述的內(nèi)容 ， 單棟溫室13 被劃分為多個(gè)植物栽培區(qū)域 7、8、9、10、11 和12， 對(duì)應(yīng)多個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6。每個(gè)不同的植物栽培區(qū)域?qū)?yīng)傳輸不同的波長(zhǎng)的光照 ， 并且以不同的方式體現(xiàn) 。參見(jiàn)附圖 4， 是連棟溫室安裝多個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件的實(shí)施例 。多個(gè)的溫室可以作為一個(gè)整體來(lái)使用 ， 傳送不同波長(zhǎng)的可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6 可以分別安裝在連棟溫室 27 棚頂表面上 。當(dāng)傳輸不同波長(zhǎng)的可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 1、2、3、4、5 和 6 相應(yīng)地安裝在連棟溫室 27 棚頂表面上時(shí) ， 植物栽培光照控制器 14 根據(jù)植物的種類和生長(zhǎng)階段需要決定是否移動(dòng)每個(gè)溫室中植物以獲得最佳吸收波長(zhǎng) 。以上實(shí)施例不僅需要通過(guò)上述的方法和設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn) ， 還需要通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能 。6 系統(tǒng)特點(diǎn)該系統(tǒng)包括可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件 、植物栽培區(qū)域 、單棟溫室和植物栽培光照控制器 ， 植物栽培光照控制器包括植物種類確定單元 、生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元 、生長(zhǎng)區(qū)域確定單元 、波長(zhǎng)確定單元 、植物移動(dòng)決定單元和數(shù)據(jù)庫(kù) ; 每一個(gè)可彎曲的透明太陽(yáng)能光伏電池組件擁有一個(gè)染色敏化太陽(yáng)能光伏電池 ， 且擁有不同的顏色 ; 植物種類確定單元用于確定植物的種類 ; 生長(zhǎng)狀態(tài)收集單元用于收集當(dāng)前植物的生長(zhǎng)狀態(tài)信息 ; 生長(zhǎng)區(qū)域確定單元用于確定植物栽培區(qū)域的最佳吸收波長(zhǎng) ; 波長(zhǎng)確定單元用于確定植物的種類和當(dāng)前生長(zhǎng)階段需要的最佳吸收波長(zhǎng) 。植物移動(dòng)決定單元用于決定某一區(qū)域內(nèi)的植物是否移動(dòng) 。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)植物的種類 、植物栽培區(qū)域和根據(jù)植物生長(zhǎng)階段的最佳吸收波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息 。7 結(jié)論溫室植物高效栽培光照控制系統(tǒng) ， 其架構(gòu)形式能夠靈活多變 ， 可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換并派生系列產(chǎn)品 ， 其有益效果是該光照控制系統(tǒng)能夠根據(jù)植物的種類和不同生長(zhǎng)階段 ， 提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳吸收波長(zhǎng) ， 促進(jìn)植物生長(zhǎng) ， 縮短生長(zhǎng)周期 ， 提高作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量 。作者簡(jiǎn)介 : 歐志鵬 ( 1981) ， 男 ， 工程師 ， 研究方向 : 農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域科研 、推廣 。64