植物生长全自动节能补光系统设计

　　【摘 要】根据不同植物在生长周期的不同阶段对光照的需求，设计了一种植物生长自动补光系统。以PLC和人机界面为控制核心，自动检测植物生长的光环境，当自然光照满足植物生长时，采用自然光照；当阴雨天太阳光照较弱或晚上不满足植物生长要求时，通过系统自带的太阳能光伏发电系统储备的电能供电，由LED植物生长灯提供光源，进行自动补光，促进植物生长，缩短植物生长周期。 

　　【关键词】节能补光系统；植物生长；补光 

　　1 研究意义 

　　面对越来越严重的空气、土壤污染，如何更快、更安全的获得绿色无污染的蔬菜满足于人们的日常生活需要已经成为越来越迫切的问题，各国都在研究植物工厂，方向之一就是全自动植物工厂。其中有为满足市场需求的大型全封闭植物工厂，为植物生产提供适宜的、稳定的生长环境，北大核心期刊缩短植物生长周期；也有小型的家用阳台式植物工厂，主要为市民体验种植乐趣，丰富市民生活，同时让市民吃上自己种植的真正无公害洁净蔬菜。 

　　本文在这一方面进行了初步尝试，旨在设计一套小型的、全自动植物生长节能补光系统模型，主要用于为植物生长补光，缩短植物生长周期。促进植物生长，缩短生长周期。 

　　2 研究内容 

　　根据不同植物及植物生长的不同阶段（幼苗期、挂果期等）对光质、光照强度、光照时间的需求，利用可编程控制器（PLC）、太阳能光伏电源、LED植物生长灯、人机界面等设备，通过程序设计，自动调节植物生长的光环境，为植物提供一个和谐的光世界，促进植物的健康生长，并提高光合作用的效率，减少能源损耗。 

　　3 理论根据 

　　光能促进植物组织和器官的分化，对植物生长及形态结构有重要作用，只要光照强度不低于2000LX，就不会影响植物生长。但强光会导致高温，造成水分亏缺、气孔关闭和CO2供应不足，引起光合作用下降。 

　　不同植物对光照强度的要求不同，阴天、夜晚光照强度减弱，也会影响了植物的光合作用。因此为了缩短植物生长周期，提高植物生长品质，必须合理控制植物生长灯的光照强度。 

　　植物光照强度调节的原理如图1所示。 

　　图1 植物光照强度调节原理 

　　植物光合作用所需的光照强度为I，由光照度传感器测量的当前太阳光的光照强度为Ia，则需要植物生长灯提供的光照强度Ib=I-Ia，占空比（植物生长灯的光照强度与P成正比）P=Ib/I，通过PLC控制在周期T内的接通时间Ton=PT。通过控制周期T内植物生长灯的通断时间，调节占空比P，从而实现对植物生长灯的光照强度的调控。 

　　4 系统组成 

　　该系统由光伏发电系统、电源自动选择开光、光测量设备、控制系统、LED植物生长灯等组成。如图2所示。 

　　图2 系统组成框图 

　　4.1 光伏发电系统 

　　选用太阳能光伏电源作为补光的主电源，为植物生长灯供电。但由于太阳能发电容易受阴雨天气的影响，所以在太阳能电池不能提供足够的电量时，通过自动转换开关，改由电网供电，使系统仍能正常工作。 

　　4.2 LED植物生长灯 

　　植物生长灯主要是在自然光照不充足的情况下进行光源的补充。使用过程中主要是结合被照作物的原有生长特性，进行适当的补光。长日照作物根据其日照需求可多照，短日照作物少照，如果自然光已经基本满足植株本身对光照的需求，就不需补光。合理利用植物生长灯，可以有效提高经济效益。 

　　4.2.1 灯光颜色的选择 

　　植物在生长过程中会吸收特定波长的光进行光合作用，这些光主要是集中在640～680nm之间的红光和430～470nm之间的蓝光。红光是有利于叶绿素的形成及碳水化合物的合成，加速长日照植物的生长发育，延迟短日照植物的发育，并促进种子萌发，促使植物的茎生长。蓝光可以促进气孔开放，有助于外界的二氧化碳进入细胞，从而提高光合作用速率，有利于蛋白质合成，加速短日照植物的发育，延迟长日照植物的发育，促进植物的叶生长。理论和实验证明，红光的光合作用最强，用富含红光的光源补光，会引起植物较早开花结实，可促进植物体内干物质的积累，促使鳞茎、块根、叶球以及其他植物器官的形成。用富含蓝光的光源进行人工补光可延迟开花，使以获取营养器官为目的的植物充分生长。适当的红光和蓝光的比才能保证培育出形态健全的植物。 

　　选取最易被植物吸收的660nm的红光与450nm的蓝光为植物补光，并且根据不同植物对光质的不同要求，选择不同比例的红蓝灯数量，同时根据植物的生长周期调整红色光和蓝色光比例。 

　　植物生长灯基本都是做成红蓝组合、全蓝、全红三种形式，覆盖光合作用所需的波长范围。在视觉效果上，红蓝组合的植物灯呈现粉红色。植物生长灯的红蓝灯色谱比例一般在5：1～10：1之间为宜，常可选7～8：1的比例。当然有条件的可根据植物生长周期调整红色和蓝色光的比例最好。用植物生长灯给植物补光时，一般距离叶片的高度为0.5～1米。 

　　4.2.2 光照时间的控制 

　　光合作用分为光反应和碳反应，前者提供后者所需的ATP（三磷酸腺苷）以及NADPH（还原态氢），为碳反应的原料，后者利用CO2合成有机物。光照的时间越长，光反应发生的时间就越长，光反应提供的ATP以及NADPH越多，那么在CO2越多的情况下，光合作用就会越多。光照时间短，碳反应虽然可以在无光的条件下反应，但是由于ATP以及NADPH生成不足，最终导致的结果是碳反应也无法发生。 

　　但并不是光照时间越长，对植物生长越好。根据植物对光周期反应的不同，可将植物分为长日照植物、短日照植物和中间性植物。长日照植物光照时间越长，生长越快。短日照植物在生长发育过程中，需要有一段时间白天短（少于12小时，但不少于8小时）、夜间长的条件。中间性植物在生长发育过程中，对光照长短没有严格的要求。因此，针对不同植物对光照的不同要求，有必要对光照时间进行调控。 

　　将植物在不同生长时期所需要的光照时间输入计算机，通过PLC控制植物生长灯的通断，来控制补光时间。补光时间由PLC内部的计时器控制，达到设定的补光时间时，PLC控制断开植物生长灯，停止补光。 

　　4.3 控制系统 

　　控制系统主要由PLC和人机界面组成。 

　　PLC作为整个补光系统的核心，通过程序控制植物生长灯的光照强度及通断时间。人机界面用于PLC的运行控制及显示、监控，以及选择并显示植物生长所需的光照环境参数，实时显示植物各阶段的生长状况。 

　　系统控制原理如图3所示。 

　　4.4 系统特点 

　　（1）动态LED植物补光系统可以实时、精确调控植物生长所需的光照环境：合理的光质比、适宜的光照强度和光照时间。 

　　（2）采用植物生长灯为植物补光，提高了光能利用率，降低了能源消耗和运行成本，清洁无污染。 

　　（3）由PLC控制植物LED生长灯，进行人工补光，提高了光合作用的效率，缩短了生长周期，提高了单位面积的产出比，降低了生产成本。 

　　【参考文献】 

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　　[3]张红艳.植物生长灯在温室番茄生产中应用效果初探[J].辽宁农业科学，2013（1）：72-73. 

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