2020 年6 月 第2 卷 第2 期 Jun 2020 Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 基 于 植 株 需 光 差 異 特 性 的 設(shè) 施 黃 瓜 立 體 光 環(huán) 境 智 能 調(diào) 控 系 統(tǒng) 張 仲 雄 1 2 3 李 斌 1 2 3 馮 盼 1 2 3 張 盼 1 2 3 來 海 斌 1 2 3 胡 瑾 1 2 3 張 海 輝 1 2 3 1 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學(xué) 機(jī) 械 與 電 子 工 程 學(xué) 院 陜 西 楊 凌 7 1 2 1 0 0 2 農(nóng) 業(yè) 農(nóng) 村 部 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 重 點 試 驗 室 陜 西 楊 凌 7 1 2 1 0 0 3 陜 西 省 農(nóng) 業(yè) 信 息 感 知 與 智 能 服 務(wù) 重 點 試 驗 室 陜 西 楊 凌 7 1 2 1 0 0 摘 要 光 是 植 物 進(jìn) 行 光 合 作 用 的 主 要 能 量 來 源 光 照 好 壞 直 接 影 響 作 物 的 產(chǎn) 量 和 品 質(zhì) 本 研 究 針 對 現(xiàn) 有 植 物 補(bǔ) 光 系 統(tǒng) 多 以 功 能 葉 光 合 能 力 為 基 準(zhǔn) 進(jìn) 行 冠 層 補(bǔ) 光 導(dǎo) 致 冠 層 新 生 葉 光 抑 制 株 間 功 能 葉 位 補(bǔ) 光 不 足 以 及 補(bǔ) 光 位 置 不 能 適 應(yīng) 作 物 生 長 進(jìn) 行 動 態(tài) 調(diào) 整 的 問 題 以 黃 瓜 為 研 究 對 象 設(shè) 計 了 一 種 基 于 植 株 需 光 差 異 特 性 的 設(shè) 施 黃 瓜 立 體 光 環(huán) 境 智 能 調(diào) 控 系 統(tǒng) 該 系 統(tǒng) 由 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 冠 層 株 間 L E D 補(bǔ) 光 子 系 統(tǒng) 冠 層 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 子 系 統(tǒng) 和 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 組 成 通 過 Z i g B e e 技 術(shù) 實 現(xiàn) 各 子 系 統(tǒng) 間 無 線 通 信 其 中 冠 層 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 子 系 統(tǒng) 分 別 獲 取 冠 層 和 株 間 環(huán) 境 信 息 并 發(fā) 送 至 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 根 據(jù) 環(huán) 境 實 時 信 息 調(diào) 用 冠 層 調(diào) 控 模 型 和 株 間 適 宜 葉 位 調(diào) 控 模 型 獲 得 相 應(yīng) 調(diào) 控 目 標(biāo) 值 并 將 其 下 發(fā) 至 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 實 現(xiàn) 冠 層 與 株 間 補(bǔ) 光 燈 的 動 態(tài) 實 時 調(diào) 控 在 陜 西 省 涇 陽 縣 蔬 菜 產(chǎn) 業(yè) 綜 合 服 務(wù) 區(qū) 蔬 菜 基 地 分 別 部 署 立 體 補(bǔ) 光 設(shè) 備 和 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 設(shè) 備 并 進(jìn) 行 系 統(tǒng) 調(diào) 控 效 果 驗 證 試 驗 結(jié) 果 表 明 立 體 補(bǔ) 光 區(qū) 黃 瓜 植 株 的 株 高 和 莖 粗 顯 著 增 長 其 中 相 比 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 區(qū) 平 均 株 高 莖 粗 分 別 增 長 了 8 0 3 和 7 2 4 相 比 自 然 處 理 區(qū) 平 均 株 高 莖 粗 分 別 增 長 了 2 6 5 1 和 3 6 0 3 在 一 個 月 的 采 摘 期 內(nèi) 立 體 補(bǔ) 光 區(qū) 相 比 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 區(qū) 和 自 然 處 理 區(qū) 產(chǎn) 量 分 別 提 升 了 0 2 8 和 1 3 9 k g m 2 經(jīng) 濟(jì) 效 益 分 別 增 加 了 2 8 2 和 4 8 8 C N Y m 2 說 明 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 系 統(tǒng) 能 夠 提 高 經(jīng) 濟(jì) 效 益 具 有 應(yīng) 用 推 廣 價 值 關(guān) 鍵 詞 設(shè) 施 光 環(huán) 境 Z i g B e e 黃 瓜 葉 位 立 體 補(bǔ) 光 智 能 調(diào) 控 P W M 中 圖 分 類 號 S 1 2 3 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A 文 章 編 號 2 0 2 0 0 5 S A 0 0 7 引 文 格 式 張 仲 雄 李 斌 馮 盼 張 盼 來 海 斌 胡 瑾 張 海 輝 基 于 植 株 需 光 差 異 特 性 的 設(shè) 施 黃 瓜 立 體 光 環(huán) 境 智 能 調(diào) 控 系 統(tǒng) J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 2020 2 2 94 104 ZHANG Zhongxiong LI Bin FENG Pan ZHANG Pan LAI Haibin HU Jin ZHANG Haihui Stereoscopic light environment intelligent control system based on characteristic differences of facility cucumber plants light require ments J SmartAgriculture 2020 2 2 94 104 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 光 照 是 植 物 進(jìn) 行 光 合 作 用 的 首 要 條 件 直 接 影 響 作 物 的 產(chǎn) 量 和 品 質(zhì) 1 3 設(shè) 施 栽 培 受 溫 室 結(jié) 構(gòu) 薄 膜 覆 蓋 霧 霾 及 雨 雪 天 氣 等 因 素 影 響 設(shè) doi 10 12133 j smartag 2020 2 2 202005 SA007 收 稿 日 期 2020 05 22 修 訂 日 期 2020 06 17 基 金 項 目 國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 31671587 31501224 陜 西 省 重 點 研 發(fā) 計 劃 2018TSCXL NY 05 02 作 者 簡 介 張 仲 雄 1994 男 博 士 研 究 生 研 究 方 向 為 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 智 能 調(diào) 控 E mail zzx9519 通 訊 作 者 張 海 輝 1977 2020 男 博 士 教 授 研 究 方 向 為 精 準(zhǔn) 農(nóng) 業(yè) 和 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 電 話 13572501098 E mail zhang hh 張 仲 雄 等 基 于 植 株 需 光 差 異 特 性 的 設(shè) 施 黃 瓜 立 體 光 環(huán) 境 智 能 調(diào) 控 系 統(tǒng) Vol 2 No 2 施 內(nèi) 自 然 光 投 透 射 率 僅 為 外 界 環(huán) 境 的 30 60 造 成 作 物 光 合 能 力 受 限 不 能 滿 足 生 長 發(fā) 育 需 求 進(jìn) 而 影 響 產(chǎn) 量 和 品 質(zhì) 4 6 因 此 借 助 人 工 補(bǔ) 光 技 術(shù) 是 實 現(xiàn) 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 增 產(chǎn) 提 質(zhì) 的 重 要 保 障 措 施 近 年 來 科 研 團(tuán) 隊 在 設(shè) 施 光 環(huán) 境 智 能 調(diào) 控 方 面 已 開 展 了 部 分 研 究 7 10 Pinho 等 11 研 究 發(fā) 現(xiàn) 動 態(tài) 調(diào) 整 光 強(qiáng) 度 不 僅 可 以 促 進(jìn) 生 菜 鮮 重 增 加 還 可 以 降 低 能 耗 進(jìn) 而 設(shè) 計 了 一 種 適 用 于 植 物 工 廠 的 動 態(tài) 補(bǔ) 光 控 制 系 統(tǒng) 劉 曉 英 等 12 開 發(fā) 了 一 種 光 參 數(shù) 柔 性 可 調(diào) 的 發(fā) 光 二 極 管 L i g h t E m i t t i n g D i o d e LED 光 源 系 統(tǒng) 為 探 究 光 質(zhì) 光 強(qiáng) 度 光 周 期 對 設(shè) 施 作 物 生 長 相 互 影 響 規(guī) 律 提 供 了 一 種 靈 活 的 光 參 數(shù) 配 比 系 統(tǒng) 上 述 兩 種 光 調(diào) 控 系 統(tǒng) 用 于 植 物 工 廠 中 葉 菜 類 的 種 植 其 環(huán) 境 因 素 相 對 穩(wěn) 定 可 控 調(diào) 控 策 略 相 對 簡 單 而 溫 室 中 藤 蔓 類 作 物 的 光 環(huán) 境 調(diào) 控 系 統(tǒng) 較 為 復(fù) 雜 不 僅 要 考 慮 環(huán) 境 動 態(tài) 變 化 如 光 照 溫 度 二 氧 化 碳 等 對 光 調(diào) 控 系 統(tǒng) 的 影 響 還 需 考 慮 作 物 不 同 生 長 階 段 的 需 光 差 異 性 為 此 胡 瑾 等 13 設(shè) 計 了 基 于 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 光 環(huán) 境 調(diào) 控 系 統(tǒng) 該 系 統(tǒng) 利 用 自 然 光 中 太 陽 高 度 角 與 紅 藍(lán) 光 比 例 關(guān) 系 可 根 據(jù) 作 物 實 際 需 光 量 進(jìn) 行 精 準(zhǔn) 定 量 補(bǔ) 光 具 有 部 署 靈 活 易 擴(kuò) 展 低 能 耗 等 優(yōu) 勢 14 蘇 戰(zhàn) 戰(zhàn) 等 15 為 滿 足 溫 室 番 茄 光 環(huán) 境 的 自 適 應(yīng) 調(diào) 控 設(shè) 計 了 一 種 基 于 隨 機(jī) 森 林 螢 火 蟲 群 優(yōu) 化 算 法 Radom Forest Glow worm Swarm Optimization RF GSO 模 型 的 溫 室 番 茄 自 適 應(yīng) 調(diào) 光 系 統(tǒng) 還 有 一 些 學(xué) 者 嘗 試 改 變 補(bǔ) 光 的 方 式 來 提 高 作 物 的 光 合 速 率 16 18 并 取 得 了 一 定 的 成 效 但 現(xiàn) 有 的 設(shè) 施 光 環(huán) 境 調(diào) 控 方 式 多 采 用 冠 層 定 量 補(bǔ) 光 方 式 未 考 慮 植 物 冠 層 新 生 葉 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 育 不 健 全 導(dǎo) 致 光 抑 制 或 光 破 壞 現(xiàn) 象 19 20 和 株 間 功 能 葉 片 相 互 遮 擋 導(dǎo) 致 光 照 不 足 未 能 達(dá) 到 按 需 補(bǔ) 光 需 求 研 究 表 明 植 物 不 同 葉 位 光 合 能 力 存 在 明 顯 差 異 21 24 因 此 針 對 作 物 不 同 葉 位 進(jìn) 行 按 需 補(bǔ) 光 對 提 升 整 株 光 合 能 力 和 促 進(jìn) 植 株 物 質(zhì) 積 累 具 有 重 要 的 意 義 針 對 上 述 問 題 本 研 究 以 黃 瓜 不 同 葉 位 需 光 差 異 性 為 理 論 依 據(jù) 25 構(gòu) 建 了 一 種 可 實 現(xiàn) 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 算 法 移 植 的 樹 莓 派 Raspberry Pi 系 統(tǒng) 框 架 和 智 能 光 環(huán) 境 調(diào) 控 平 臺 設(shè) 計 了 基 于 植 株 需 光 差 異 特 性 的 設(shè) 施 黃 瓜 立 體 環(huán) 境 光 智 能 調(diào) 控 系 統(tǒng) 其 中 采 用 冠 層 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 子 系 統(tǒng) 和 冠 層 株 間LED 補(bǔ) 光 子 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 黃 瓜 整 株 光 環(huán) 境 信 息 感 知 與 精 準(zhǔn) 補(bǔ) 光 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 滿 足 黃 瓜 整 個 生 長 周 期 補(bǔ) 光 位 置 自 動 調(diào) 整 ZigBee 無 線 傳 輸 協(xié) 議 實 現(xiàn) 各 子 系 統(tǒng) 間 相 互 通 信 本 系 統(tǒng) 可 有 效 解 決 冠 層 新 生 葉 光 抑 制 和 株 間 功 能 葉 位 補(bǔ) 光 不 足 以 及 補(bǔ) 光 位 置 不 能 適 應(yīng) 作 物 生 長 而 動 態(tài) 調(diào) 整 的 問 題 為 設(shè) 施 黃 瓜 光 環(huán) 境 精 準(zhǔn) 調(diào) 控 提 供 技 術(shù) 支 撐 2 系 統(tǒng) 整 體 設(shè) 計 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 系 統(tǒng) 由 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 冠 層 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 子 系 統(tǒng) 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 及 冠 層 株 間LED 補(bǔ) 光 子 系 統(tǒng) 四 部 分 組 成 通 過ZigBee 技 術(shù) 實 現(xiàn) 各 子 系 統(tǒng) 之 間 無 線 通 信 整 體 結(jié) 構(gòu) 如 圖1 所 示 系 統(tǒng) 設(shè) 計 時 充 分 考 慮 黃 瓜 植 株 整 株 中 冠 層 和 株 間 的 需 光 差 異 以 及 不 同 葉 位 環(huán) 境 差 異 通 過 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 協(xié) 調(diào) 各 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 黃 瓜 整 株 立 體 光 環(huán) 境 按 需 調(diào) 控 冠 層 株 間 監(jiān) 測 子 系 統(tǒng) 分 別 采 集 溫 度 二 氧 化 碳 濃 度 光 強(qiáng) 度 等 環(huán) 境 信 息 發(fā) 送 至 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 調(diào) 用 移 植 在 樹 莓 派 中 智 能 光 環(huán) 境 調(diào) 控 模 型 根 據(jù) 冠 層 株 間 環(huán) 境 信 息 動 態(tài) 計 算 補(bǔ) 光 值 并 下 發(fā) 至 冠 層 株 間 LED 補(bǔ) 光 子 系 統(tǒng) 采 用 脈 沖 寬 度 調(diào) 制 Pulse Width Modulation PWM 技 術(shù) 分 別 實 現(xiàn) 冠 層 與 株 間LED 補(bǔ) 光 陣 列 的 動 態(tài) 調(diào) 控 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 自 動 監(jiān) 測 燈 與 作 物 間 的 距 離 實 現(xiàn) 補(bǔ) 光 位 置 的 手 動 和 自 動 調(diào) 整 3 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計 3 1 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計 如 圖2 所 示 主 要 包 括 樹 莓 派 控 制 器 Raspberry Pi 3B 1 4 GHz 四 核ARM Cortex A53 處 理 器 觸 摸 顯 示 屏 9 5Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e CC2530 模 塊 和 電 源 模 塊 四 個 部 分 具 有 數(shù) 據(jù) 處 理 模 型 在 線 尋 優(yōu) 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 組 建 及 控 制 指 令 下 發(fā) 等 功 能 由 于 傳 統(tǒng) 低 性 能 的 嵌 入 式 設(shè) 備 無 法 移 植 智 能 算 法 采 用 樹 莓 派 為 控 制 器 可 實 現(xiàn) 基 于 機(jī) 器 學(xué) 習(xí) 的 光 環(huán) 境 調(diào) 控 模 型 高 精 度 移 植 完 成 調(diào) 控 目 標(biāo) 值 的 在 線 尋 優(yōu) 和 動 態(tài) 實 時 調(diào) 控 觸 摸 顯 示 屏 通 過 高 清 多 媒 體 接 口 High Definition Multi media Interface HDMI 方 式 與 樹 莓 派 相 連 ZigBee 協(xié) 調(diào) 器 與 樹 莓 派 依 靠 通 用 異 步 收 發(fā) 傳 輸 器 Universal Asynchronous Receiver Transmitter UART 方 式 進(jìn) 行 相 互 通 信 電 源 模 塊 分 別 為 樹 莓 派 觸 摸 屏 及CC2530 模 塊 提 供5 5 和3 3 V 工 作 電 壓 3 2 冠 層 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 子 系 統(tǒng) 冠 層 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 子 系 統(tǒng) 由 冠 層 和 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 模 塊 組 成 實 現(xiàn) 對 設(shè) 施 環(huán) 境 內(nèi) 植 物 冠 層 和 株 間 溫 度 二 氧 化 碳 濃 度 和 光 照 強(qiáng) 度 的 實 時 監(jiān) 測 并 通 過ZigBee 將 環(huán) 境 信 息 發(fā) 送 至 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 其 中 二 氧 化 碳 傳 感 器 采 用 Telaire 6615 F 雙 通 道 非 分 光 紅 外 傳 感 器 測 量 范 圍 為 0 10 000 mol mol 光 照 傳 感 器 為 電 壓 型 SY HGY 型 光 合 有 效 輻 射 傳 感 器 測 量 范 圍 為 0 2500 mol m 2 s CC2530 芯 片 將 上 述 傳 感 器 采 集 的 模 擬 量 轉(zhuǎn) 化 為 相 應(yīng) 的 數(shù) 字 量 通 過 無 線 方 式 將 數(shù) 據(jù) 打 包 發(fā) 送 至 協(xié) 調(diào) 器 溫 度 傳 感 器 采 用DS18B20 測 量 范 圍 為 55 125 電 源 模 塊 為CC2530 模 塊 傳 感 器 分 別 提 供3 3 和5V 工 作 電 壓 設(shè) 計 框 圖 如 圖3 所 示 3 3 冠 層 株 間 L E D 補(bǔ) 光 子 系 統(tǒng) 研 究 發(fā) 現(xiàn) 不 同 波 段 的 光 對 植 物 光 合 作 用 影 響 不 同 26 28 因 此 本 系 統(tǒng) 選 擇 光 合 作 用 直 接 相 關(guān) 的 紅 藍(lán) 光 源 其 中 紅 光LED 波 段 為655 660nm 藍(lán) 光LED 波 段 為450 455nm 選 用PT4115 作 為 恒 流 源 驅(qū) 動 芯 片 通 過PWM 精 準(zhǔn) 控 制LED 紅 藍(lán) 燈 珠 光 照 強(qiáng) 度 采 用 窄 帶 鋁 基 板 和 透 明 燈 管 進(jìn) 行 封 裝 最 終 設(shè) 計 了 一 種 燈 管 間 距 可 調(diào) 的LED 補(bǔ) 光 燈 LED 補(bǔ) 光 燈 由 透 明 燈 管 固 定 鋁 板 和 驅(qū) 動 盒 三 部 分 組 成 具 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 見 專 利 一 種 設(shè) 施 作 物 株 間 補(bǔ) 光 范 圍 可 調(diào) 的LED 燈 管 式 補(bǔ) 光 裝 置 CN201820353650 8 單 側(cè) 安 裝 燈 管 為 冠 層 補(bǔ) 光 燈 部 署 方 式 為 燈 管 向 下 如 圖4 a 所 HDMI 電 源 模 塊 智能控制子系統(tǒng) 3 3 V 5 V 觸摸顯示屏 CC2530 模塊 樹莓派 5 V UART 圖 2 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 設(shè) 計 框 圖 Fig 2 Blockdiagramofintelligentcontrolsubsystem 圖 3 冠 層 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 模 塊 設(shè) 計 框 圖 Fig 3 Blockdiagramofcanopy plantinter environment monitoringsubsystemdesign 圖 1 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 系 統(tǒng) 整 體 結(jié) 構(gòu) 圖 Fig 1 Overallstructureofstereofilllightenvironment controlsystem 9 6張 仲 雄 等 基 于 植 株 需 光 差 異 特 性 的 設(shè) 施 黃 瓜 立 體 光 環(huán) 境 智 能 調(diào) 控 系 統(tǒng) Vol 2 No 2 示 兩 側(cè) 安 裝 燈 管 為 株 間 補(bǔ) 光 燈 部 署 方 式 為 燈 管 向 兩 側(cè) 方 向 株 間 補(bǔ) 光 燈 實 物 圖 如 圖4 b 所 示 燈 管 式 補(bǔ) 光 燈 可 以 實 現(xiàn) 不 同 燈 管 位 置 調(diào) 整 改 變 補(bǔ) 光 燈 補(bǔ) 施 范 圍 同 時 具 有 組 裝 方 便 散 熱 性 能 好 及 后 期 維 修 便 捷 等 優(yōu) 點 3 4 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 整 體 框 圖 如 圖5 所 示 主 要 包 括CC2530 模 塊 Arduino 控 制 器 TFmini 激 光 雷 達(dá) TB6600 驅(qū) 動 器 和57 步 進(jìn) 電 機(jī) 等 具 有 接 受 控 制 指 令 測 量 距 離 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 等 功 能 其 中Arduino 控 制 器 通 過 串 口 通 信 方 式 與CC2530 模 塊 TFmini 激 光 雷 達(dá) 通 信 控 制 器 和TB6600 驅(qū) 動 器 采 用 共 陽 極 接 法 步 進(jìn) 電 機(jī) 通 過 聯(lián) 軸 器 將 動 力 傳 遞 給 主 動 軸 主 動 軸 旋 轉(zhuǎn) 纏 繞 柔 性 鋼 絲 實 現(xiàn) 冠 層 株 間 燈 懸 掛 位 置 的 精 確 調(diào) 整 電 源 模 塊 分 別 為Arduino 控 制 器 TB6600 驅(qū) 動 器 及CC2530 模 塊 提 供5 24 和3 3V 的 工 作 電 壓 4 系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計 4 1 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 設(shè) 計 基 于Raspberry Pi 的 智 能 嵌 入 式 子 系 統(tǒng) 是 整 個 調(diào) 控 系 統(tǒng) 的 核 心 組 成 其 具 體 運(yùn) 行 流 程 如 下 首 先 系 統(tǒng) 通 電 各 子 系 統(tǒng) 初 始 化 ZigBee 協(xié) 調(diào) 器 組 建 好 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 并 負(fù) 責(zé) 冠 層 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 節(jié) 點 的 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 匯 集 與 樹 莓 派 控 制 指 令 發(fā) 送 其 次 樹 莓 派 根 據(jù) 冠 層 株 間 實 時 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 輸 入 調(diào) 用 冠 層 株 間 光 環(huán) 境 調(diào) 控 模 型 得 到 調(diào) 控 目 標(biāo) 光 強(qiáng) 值 然 后 動 態(tài) 計 算 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 的 高 度 位 置 最 后 利 用 無 線 傳 感 技 術(shù) 下 發(fā) 補(bǔ) 光 指 令 和 升 降 指 令 從 而 實 現(xiàn) 立 體 補(bǔ) 光 調(diào) 控 系 統(tǒng) 對 設(shè) 施 內(nèi) 黃 瓜 植 株 光 環(huán) 境 的 立 體 精 準(zhǔn) 和 動 態(tài) 反 饋 調(diào) 控 4 1 1 調(diào) 控 模 型 集 成 與 移 植 光 環(huán) 境 調(diào) 控 模 型 主 要 包 括 冠 層 調(diào) 控 模 型 和 株 間 調(diào) 控 模 型 課 題 組 前 期 開 展 了 融 合 葉 位 光 合 差 異 的 黃 瓜 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 模 型 研 究 25 發(fā) 現(xiàn) 黃 瓜 整 株 第 五 至 第 七 葉 位 葉 綠 素 含 量 高 葉 位 向 上 或 向 下 葉 綠 素 含 量 均 呈 下 降 趨 勢 因 此 將 第 五 至 第 七 葉 位 作 為 株 間 補(bǔ) 光 適 宜 區(qū) 間 將 葉 位 參 數(shù) 代 入 立 體 光 環(huán) 境 優(yōu) 化 調(diào) 控 模 型 中 首 先 構(gòu) 建 了 不 同 葉 位 光 照 強(qiáng) 度 溫 度 及 二 氧 化 碳 濃 度 耦 合 的 回 歸 型 支 持 向 量 機(jī) Support Vactor Regression SVR 光 合 速 率 預(yù) 測 模 型 其 次 以 光 合 速 率 預(yù) 測 模 型 為 適 應(yīng) 度 函 數(shù) 建 立 了 基 于 粒 子 群 優(yōu) 化 算 法 a 頂 燈 設(shè) 計 圖 b 株 間 補(bǔ) 光 燈 實 物 圖 圖 4 立 體 補(bǔ) 光 燈 設(shè) 計 Fig 4 Stereolight compensatinglamp Arduino 控制器 TB6600 驅(qū)動器 57 步進(jìn)電機(jī) 控制 信號 UART 電 源 模 塊 頂燈 株間燈 冠層 株間補(bǔ)光燈升降 子系統(tǒng) CC2530 模塊 主 動 軸 電流 驅(qū)動 TFmini 激光雷達(dá) UART 3 3 V 24 V 5 V 圖 5 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 設(shè) 計 框 圖 Fig 5 Blockdiagramofcanopy plantlight compensating lampliftingsubsystem 9 7Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e ParticleSwarm Optimization POS 的 光 飽 和 點 尋 優(yōu) 模 型 最 后 采 用SVR 算 法 構(gòu) 建 了 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 模 型 其 模 型 決 定 系 數(shù)R 2 為0 9993 均 方 根 誤 差 為2 349 mol m 2 s 為 了 提 高 樹 莓 派 上 運(yùn) 行 模 型 精 度 首 先 在 電 腦 上 進(jìn) 行 模 型 訓(xùn) 練 形 成Model pkl 文 件 然 后 將 其 復(fù) 制 到 樹 莓 派 主 程 序 路 徑 下 并 通 過 主 程 序 使 用pickle load 命 令 進(jìn) 行 模 型 加 載 模 型 移 植 具 體 過 程 如 圖6 所 示 4 1 2 立 體 補(bǔ) 光 燈 P W M 反 饋 控 制 算 法 設(shè) 計 補(bǔ) 光 燈PWM 算 法 用 于 實 現(xiàn) 動 態(tài) 反 饋 修 正 補(bǔ) 光 值 考 慮 頂 燈 對 株 間 燈 輸 出 值 的 影 響 采 取 的 控 制 策 略 為 先 運(yùn) 行 冠 層 調(diào) 控 模 型 延 時2min 即 環(huán) 境 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 更 新 頻 率 再 運(yùn) 行 株 間 調(diào) 控 模 型 立 體 補(bǔ) 光 燈PWM 反 饋 控 制 算 法 流 程 圖 如 圖 7 所 示 其 中 PAR T 為 頂 葉 環(huán) 境 光 強(qiáng) mol m 2 s PAR M 為 株 間 葉 位 環(huán) 境 光 強(qiáng) mol m 2 s PAR T G 為 頂 葉 目 標(biāo) 光 強(qiáng) mol m 2 s PAR M G 為 株 間 葉 位 目 標(biāo) 光 強(qiáng) mol m 2 s PAR T 為 頂 葉 光 強(qiáng) 變 化 量 mol m 2 s PAR M 為 株 間 葉 位 光 強(qiáng) 變 化 量 mol m 2 s Z T 為 頂 燈PWM 占 空 比 Z M 為 株 間 燈PWM 占 空 比 Z B T 為 頂 燈 上 次PWM 占 空 比 Z B M 為 株 間 燈 上 次PWM 占 空 比 PWM T 為 頂 燈 PWM 占 空 比 調(diào) 整 量 PWM M 為 株 間 燈PWM 占 空 比 調(diào) 整 量 k 為 補(bǔ) 光 燈 光 強(qiáng) 和 輸 入PWM 對 應(yīng) 系 數(shù) 由 補(bǔ) 光 燈 光 強(qiáng) 驅(qū) 動 電 流 PWM 占 空 比 三 者 之 間 的 關(guān) 系 曲 線 確 定 4 1 3 智 能 控 制 模 塊 交 互 界 面 設(shè) 計 基 于PyQt5 軟 件 應(yīng) 用Python 語 言 開 發(fā) 了 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 系 統(tǒng) 的 用 戶 界 面 User Interface UI 采 用Pycharm 編 譯 器 將UI 文 件 轉(zhuǎn) 化 成 樹 莓 派 可 執(zhí) 行 文 件 系 統(tǒng) 主 界 面 如 圖8 所 示 通 過 主 界 面 可 進(jìn) 行 作 物 種 類 補(bǔ) 光 區(qū) 域 作 物 生 長 期 的 輸入冠層 株間環(huán)境數(shù)據(jù)集 開始 采用SVR 算法構(gòu)建黃瓜整株 光合速率預(yù)測模型 生成model pkl 文件 Y 采用POS算法構(gòu)建不同條 件下光飽和點尋優(yōu) 建立頂葉和株間適宜葉 位調(diào)控模型 模型是否滿 足調(diào)控要求 調(diào)整預(yù)測 尋優(yōu)和調(diào) 控模型參數(shù) N 在 計 算 機(jī) 平 臺 上 實 現(xiàn) 將model pkl 文件復(fù)制到樹 莓派主程序文件中 樹莓派設(shè)備上電初始化 系統(tǒng)程序 是否可以實現(xiàn) 加載模型 檢查模型存放路徑及 模型的加載方式 Y N 運(yùn)行立體光環(huán)境調(diào)控程序 斷電結(jié)束 在 樹 莓 派 嵌 入 式 設(shè) 備 上 實 現(xiàn) 圖 6 算 法 模 型 移 植 步 驟 Fig 6 Migrationstepsofthealgorithm 圖 7 立 體 補(bǔ) 光 燈 P W M 反 饋 控 制 算 法 流 程 圖 Fig 7 FlowchartofPWMfeedbackcontrolalgorithmfor stereolight compensatinglamp 9 8張 仲 雄 等 基 于 植 株 需 光 差 異 特 性 的 設(shè) 施 黃 瓜 立 體 光 環(huán) 境 智 能 調(diào) 控 系 統(tǒng) Vol 2 No 2 選 擇 主 界 面 下 方 有 對 應(yīng) 功 能 的 二 級 界 面 按 鈕 并 連 接 到 相 對 應(yīng) 的 槽 函 數(shù) 上 用 戶 可 根 據(jù) 需 求 進(jìn) 入 經(jīng) 緯 參 數(shù) 設(shè) 定 環(huán) 境 信 息 查 看 升 降 機(jī) 構(gòu) 控 制 光 環(huán) 境 調(diào) 控 和 歷 史 數(shù) 據(jù) 查 詢 等 操 作 4 2 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 設(shè) 計 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 接 收 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 的 控 制 指 令 解 析 處 理 后 下 發(fā) 至Arduino 處 理 器 執(zhí) 行 并 將TFmini 測 量 的 距 離 數(shù) 據(jù) 上 傳 至 智 能 控 制 子 系 統(tǒng) 使 得 整 個 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 是 一 個 閉 環(huán) 反 饋 的 系 統(tǒng) 當(dāng) 未 接 收 到 控 制 指 令 時 該 模 塊 處 于 低 功 耗 等 待 狀 態(tài) 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 流 程 如 圖9 所 示 5 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 系 統(tǒng) 驗 證 5 1 系 統(tǒng) 部 署 驗 證 試 驗 于2018 年11 月15 日 在 陜 西 省 涇 陽 縣 蔬 菜 產(chǎn) 業(yè) 綜 合 服 務(wù) 區(qū) 蔬 菜 基 地 開 展 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 設(shè) 備 部 署 在 基 地 內(nèi) 作 物 是 博 耐14 3 品 種 黃 瓜 試 驗 場 地 選 擇 西 區(qū)4 號 日 光 溫 室 溫 室 大 棚 尺 寸30 m 10 m 實 際 試 驗 區(qū) 為 東 側(cè) 的 15 m 6 m 區(qū) 域 將 試 驗 區(qū) 域 分 為A B C 三 個 試 驗 區(qū) 每 個 試 驗 區(qū) 面 積 為18 m 2 A 區(qū) 部 署 立 體 補(bǔ) 光 設(shè) 備 B 區(qū) 部 署 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 設(shè) 備 C 區(qū) 為 自 然 對 照 區(qū) 具 體 試 驗 區(qū) 域 分 布 如 圖 10 所 示 A 區(qū) 部 署4 個 頂 燈 和2 個 株 間 燈 1 個 冠 層 監(jiān) 測 節(jié) 點 1 個 株 間 監(jiān) 測 節(jié) 點 1 套 升 降 機(jī) 構(gòu) 和1 個 智 能 控 制 終 端 升 降 機(jī) 構(gòu) 由 鐵 鏈 固 定 在 距 地2 m 處 補(bǔ) 光 燈 通 過 升 降 機(jī) 構(gòu) 實 現(xiàn) 懸 掛 高 度 的 靈 活 調(diào) 整 冠 層 補(bǔ) 光 燈 懸 掛 在 距 離 作 物 冠 層 上20 cm 處 株 間 補(bǔ) 光 燈 懸 掛 在 壟 間 植 株 的 第5 至 第7 葉 位 B 區(qū) 部 署 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 燈 包 括4 個 冠 層 補(bǔ) 光 燈 1 個 環(huán) 境 監(jiān) 測 節(jié) 點 和1 個 主 控 節(jié) 點 冠 層 補(bǔ) 光 燈 懸 掛 在 距 離 作 物 冠 層 上20 cm 的 處 在 生 長 過 程 中 需 人 工 手 動 調(diào) 整 補(bǔ) 光 燈 與 作 物 的 距 離 圖 8 立 體 光 環(huán) 境 調(diào) 控 系 統(tǒng) 主 界 面 Fig 8 Themaininterfaceofthestereoscopicenvironment controlsystem 圖9 冠 層 株 間 補(bǔ) 光 燈 升 降 子 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 流 程 圖 Fig 9 Runningflowchartofthecanopy plantlight compen satinglampliftingsubsystem 圖 1 0 試 驗 區(qū) 域 分 布 圖 Fig 10 Experimentalareadistribution 9 9Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e B 區(qū) 的 光 調(diào) 控 模 型 采 用A 區(qū) 的 頂 燈 動 態(tài) 光 調(diào) 控 模 型 C 區(qū) 不 采 取 任 何 補(bǔ) 光 措 施 試 驗 期 間 由 基 地 管 理 員 對3 個 試 驗 區(qū) 統(tǒng) 一 管 理 包 括 施 肥 澆 灌 等 農(nóng) 事 操 作 確 保3 個 區(qū) 域 除 了 光 環(huán) 境 不 同 其 他 基 本 條 件 保 持 一 致 圖11 分 別 為 立 體 補(bǔ) 光 燈 與 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 燈 實 際 部 署 圖 5 2 系 統(tǒng) 調(diào) 控 效 果 驗 證 博 耐14 3 黃 瓜 生 長 發(fā) 育 經(jīng) 歷 發(fā) 芽 幼 苗 初 花 和 成 熟 期4 個 階 段 其 生 長 周 期 約90 120 天 采 期 為50 天 根 據(jù) 黃 瓜 植 株 生 長 指 標(biāo) 產(chǎn) 量 和 經(jīng) 濟(jì) 效 益 進(jìn) 行 補(bǔ) 光 效 果 評 價 5 2 1 黃 瓜 植 株 生 長 指 標(biāo) 驗 證 從2018 年12 月1 日 開 始 在A B C 三 個 區(qū) 域 各 隨 機(jī) 標(biāo) 定6 株 生 長 狀 態(tài) 一 致 的 黃 瓜 苗 從 幼 苗 期 進(jìn) 行 生 長 數(shù) 據(jù) 測 量 直 到 成 熟 期 每 兩 周 測 量 一 次 測 量 的 生 長 指 標(biāo) 包 括 作 物 莖 粗 和 株 高 其 中 植 株 莖 粗 采 用 游 標(biāo) 卡 尺 測 量 測 量 點 為 植 株 主 桿 距 離 地 表10 cm 處 植 株 高 度 采 用 卷 尺 測 量 測 量 范 圍 為 植 株 從 地 表 到 冠 層 的 距 離 生 長 指 標(biāo) 統(tǒng) 計 如 圖12 所 示 由 圖12 可 知 立 體 補(bǔ) 光 區(qū) 黃 瓜 植 株 的 株 高 和 莖 粗 顯 著 增 長 其 中A 區(qū) 相 比B 區(qū) 平 均 株 高 莖 粗 分 別 增 長 了8 03 和7 24 相 比C 區(qū) 平 均 株 高 莖 粗 分 別 增 長 了26 51 和36 03 A 區(qū) 在 有 效 避 免 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 不 足 的 同 時 對 株 高 莖 粗 等 生 長 指 標(biāo) 方 面 具 有 明 顯 的 促 進(jìn) 優(yōu) 勢 5 2 2 黃 瓜 葉 片 凈 光 合 速 率 驗 證 葉 片 凈 光 合 速 率 是 反 映 植 株 生 長 狀 態(tài) 的 重 要 指 標(biāo) 在 花 果 期 對 不 同 試 驗 區(qū) 域 中 黃 瓜 不 同 葉 位 a 立 體 補(bǔ) 光 燈 b 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 燈 圖 1 1 實 驗 中 不 同 補(bǔ) 光 燈 實 際 部 署 對 比 Fig 11 Comparisonofactualdeploymentofdifferentlight compensatinglampsintheexperiment a 株 高 統(tǒng) 計 b 莖 粗 統(tǒng) 計 圖 1 2 黃 瓜 植 株 生 長 指 標(biāo) 統(tǒng) 計 圖 Fig 12 Statisticaldiagramofcucumberplant growthindicators 1 0 0張 仲 雄 等 基 于 植 株 需 光 差 異 特 性 的 設(shè) 施 黃 瓜 立 體 光 環(huán) 境 智 能 調(diào) 控 系 統(tǒng) Vol 2 No 2 的 凈 光 合 速 率 進(jìn) 行 對 比 試 驗 選 取 三 株 生 長 態(tài) 勢 相 近 的 黃 瓜 植 株 采 用LI 6800 光 合 速 率 儀 的 透 明 葉 室 測 量 黃 瓜 凈 光 合 速 率 設(shè) 定 透 明 葉 室 內(nèi) 溫 度 為28 二 氧 化 碳 濃 度 為600 mol mol 測 量 當(dāng) 天 天 氣 晴 自 然 界 光 照 強(qiáng) 度 約 為450 mol m 2 s 不 同 試 驗 區(qū) 黃 瓜 葉 片 凈 光 合 速 率 隨 葉 位 變 化 趨 勢 如 圖13 所 示 由 上 圖 可 知 A 區(qū) 與B 區(qū) 相 對C 區(qū) 均 具 有 顯 著 的 凈 光 合 速 率 提 升 但A 區(qū) 較C 區(qū) 提 升 效 果 顯 著 其 中 A 區(qū) 較C 區(qū) 凈 光 合 速 率 提 升31 3 B 區(qū) 較C 區(qū) 凈 光 合 速 率 提 升17 6 A 區(qū) 較B 區(qū) 凈 光 合 速 率 提 升20 立 體 補(bǔ) 光 針 對 株 間 葉 位 進(jìn) 行 按 需 補(bǔ) 光 促 進(jìn) 葉 片 發(fā) 育 提 升 葉 綠 素 含 量 進(jìn) 而 凈 光 合 速 率 值 較 高 5 2 3 黃 瓜 產(chǎn) 量 及 效 益 驗 證 植 物 補(bǔ) 光 的 最 終 目 的 是 實 現(xiàn) 增 產(chǎn) 和 提 高 經(jīng) 濟(jì) 效 益 從2019 年2 月25 日 開 始 統(tǒng) 計 三 個 試 驗 區(qū) 域 的 黃 瓜 產(chǎn) 量 同 時 計 算 每 個 區(qū) 域 黃 瓜 的 銷 售 額 A B 兩 個 區(qū) 裝 有 電 表 統(tǒng) 計 整 個 補(bǔ) 光 時 期 A B 兩 個 區(qū) 域 的 耗 電 量 通 過 總 銷 售 額 和 補(bǔ) 光 耗 電 量 來 判 斷 立 體 補(bǔ) 光 系 統(tǒng) 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 系 統(tǒng) 和 自 然 對 照 區(qū) 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 其 中 立 體 補(bǔ) 光 系 統(tǒng) 與 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 成 本 分 別 為17 9 和 14 18CNY m 2 由 于 立 體 補(bǔ) 光 系 統(tǒng) 需 部 署 冠 層 和 株 間 環(huán) 境 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 補(bǔ) 光 燈 系 統(tǒng) 和 補(bǔ) 光 燈 升 降 系 統(tǒng) 導(dǎo) 致 其 設(shè) 備 開 發(fā) 成 本 比 傳 統(tǒng) 冠 層 補(bǔ) 光 系 統(tǒng) 略 高 但 考 慮 到LED 補(bǔ) 光 燈3 5 年 的 使 用 壽 命 上 述 成 本 的 差 異 就 可 以 忽 略 每 次 采 收 黃 瓜 時 都 記 錄 三 個 試 驗 區(qū) 域 的 產(chǎn) 量 銷 售 單 價 采 收 時 市 場 價 格 銷 售 總 額 為 方 便 比 較 計 算 每 平 方 米 不 同 評 價 指 標(biāo) 具 體 統(tǒng) 計 結(jié) 果 如 表1 所 示 產(chǎn) 量 和 耗 電 量 統(tǒng) 計 截 至 于2019 年3 月26 日 統(tǒng) 計 時 間 為1 個 月 由 表1 可 知 在 相 同 的 種 植 面 積 內(nèi) 實 驗 區(qū) 面 積 為18 m 2 立 體 補(bǔ) 光 區(qū) 相 對 于 傳 統(tǒng) 補(bǔ) 光 區(qū) 產(chǎn) 量 增 加 了0 28 kg m 2 增 加 效 益 2 82 CNY m 2 立 體 補(bǔ) 光 區(qū) 相 對 于 自 然 對 照 區(qū) 產(chǎn) 量 增 加 了1 39 kg m 2 增 加 效 益