植物工厂补光系统及自适应调控的设计与实现

来自上海应用技术大学金德智的文章《植物工厂补光系统及自适应调控的设计与实现》

      摘要：

      近年来,耕地面积的缩减以及极端天气等问题不断地影响着全球的粮食生产情况。而设施农业因其不受地形、气候等条件影响的优势受到越来越多的农业工作者的青睐。植物工厂采用人工光源，可实时针对其光质、光强、光周期等光照参数进行调控，解决了在户外种植中自然光不可控的环境因素，辅以调控装置，实现了作物的高效率、高质量种植。为了满足植物工厂实际应用中对植物补光的需求，本文在现有的植物补光技术上进行改进，结合光学设计和热学设计改进了灯具的结构和排布，通过控系统的设计实现了光学参数可调，最终在实际生产中做了应用，完成了一整套高效实用的植物补光系统，以满足植物工厂光照的需求。

      本文通过对植物光合作用原理以及光质、光强、光周期对植物的具体影响的分析，总结出了对植物影响的关键光参数，并根据光能利用效率和电能利用效率确定了所需要设计的补光系统的功率的阈值，结合LED光源的特点确定了所设计的植物补光设备的尺寸、光分布、功率等参数。根据所计算出的尺寸进行等比例建模，采用光学模拟和热学模拟的方式进行优化设计，寻找最佳的设计参数，节省研发成本，增加补光效果。

      采用STM32作为本系统的主控制器，以STC单片机作为PWM信号发生器，以模块化设计并采用恒流驱动的方式完成对LED光质和光强的调控，提高了电路的灵活性，方便后期扩展。设计后的植物补光系统可以完成光质、光量、光周期的调节，用户可在触控板上实现光质0:10～10:0的变化，并根据实际应用情况对植物补光灯具的光照性能进行了测量。

      在完成整体系统设计后，对植物补光系统的性能进行了测试，采用所设计的系统在植物工厂的黄瓜育苗中进行应用，通过调节不同的光质和光强，分别观察幼苗的生长状态，根据测得的生长量和光合特性进行分析，发现红光蓝光比例为7:3时,光照强度为2808)7)·8)-2·-1时植物得到最佳的生长状态。判断影响植物的最主要的光参数，为后期植物补光系统的再次升级积累数据基础。本文通过光学优化设计和热学优化设计提高了植物补光灯具的光照均匀度和层间的空气流动，提高了植物补光系统整体的性能。采用本套系统对黄瓜幼苗进行培育，探究出了黄瓜幼苗生长所需的最佳光质配比和光强。为植物工厂实际生产中的补光系统设计提出了可供参考意见，也为植物补光的光学参数设计提供了可供选择的数据。