用于LED綠色新光源植物生長柜的一種精確控溫系統

吳興利　魏鳴泉　崔世鋼　等

摘要：隨著時代的發展，人們對食物的安全以及營養問題越來越重視，尤其是一些地方，因沒有土地耕種條件或土地污染嚴重導致人們無法吃到新鮮安全的蔬菜，為解決上述問題，“LED綠色新光源植物生長柜”應運而生，因溫度對植物有非常大的影響，長期以來人們一直將柜內溫度控制作為最主要的控制參數之一。本研究設計了1種具有二維控溫功能的控溫裝置。驗證試驗結果表明，與裝有市場上購買的溫控裝置的LED綠色新光源植物生長柜相比，裝有二維控溫功能的控溫裝置的LED綠色新光源植物生長柜更有利于油菜的生長發育。

關鍵詞：環境溫度；控制裝置；二維控溫

中圖分類號： S24文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0365-03

收稿日期：2014-03-03

基金項目：國家自然科學基金（編號：61178048、61275169、61178081）；國家社會科學基金（編號：BFA110049）；天津職業技術師范大學基金（編號：KJY11-10、KYQD13022）。

作者簡介：吳興利（1960—），男，天津人，高級工程師，主要從事機械制造及其自動化研究。E-mail：wxl600724@163.com。

通信作者：梁帆，博士，講師。E-mail：bachelormd10@163.com。 為了我國農業的可持續發展、為了滿足人們對食品數量和質量的需求，高產、優質、低耗、高效的現代化農業的發展已經突顯得格外重要。隨著社會經濟的發展和生活質量的提高，人們對“安全飲食”“健康飲食”問題日益關注，保證日常人們能吃到健康、優質、新鮮的蔬菜越來越成為一種社會需求，特別是礁石島嶼、高寒高海拔哨所和潛艇士兵，常年吃不到新鮮的蔬菜，在此背景下“LED智能植物生長柜”應運而生。智能植物生長柜根據植物生長發育的需要，通過傳感器技術、嵌入式技術等控制各種環境參數（如柜內的溫度、濕度、光照度等）使植物在外界不適宜生長的情況下，人為創造適應其生長的環境，達到早熟、優質、高產的目的。在眾多環境參數中，溫度這一參數顯得格外重要，因為溫度影響著植物生長發育中一系列暗反應，而暗反應則是一系列酶促反應過程[1]，這一系列酶促反應直接影響著植物的光合作用和呼吸作用[2]，如若控制不善使溫度過高或過低，會導致植物產生冷害、凍害、高溫危害，這些危害會導致葉片細胞間隙結冰[3]或二氧化碳吸收受阻[4]從而影響到植物進行光合作用，甚至導致其死亡。

溫控系統在我們的生活中也得到了廣泛的應用，例如冰箱使用的氨吸收方式制冷[5]，空調多采用溴化鋰吸收式制冷機[6]，等。雖然溫控系統在植物生長柜中的應用起步較晚但也有了很大的發展，例如日本生產的植物生長箱溫度可按晝夜規律逐時變化[7]，加拿大生產的植物生長箱可實現數月甚至數年的自動控制[8]。而我國在溫度控制方面還處于初級階段，鑒于此，本試驗設計一種精確控溫系統，用于LED綠色新光源植物生長柜。

1材料與方法

智能植物生長柜中溫度控制裝置的工作環境與培養室內的空調系統工作環境完全不同，因為箱體保溫層相對于室內種植的墻體保溫層單薄，箱體本身結構緊湊無法裝載較大的調控能力較強的溫控設備，導致柜內工作溫度對柜體內外的溫差十分敏感，此外，不同的植物對于溫度的要求也各不相同，所以能否根據不同植物的生長要求對溫度控制裝置進行設定，并且能保證很高的溫控精度要求就成了設計溫度控制裝置的重中之重。本溫控系統在保留現有溫控裝置優點的前提下采用二維控溫法。

1.1溫度控制系統硬件結構

智能植物生長柜溫度控系統使用多個遠紅外碳纖維加熱管、軸流風機和一臺三洋冷藏展示柜自帶制冷裝置，對植物生長柜內部進行加熱制冷操作，并通過溫度傳感器，對柜體內溫度進行實時監測并將數據傳輸到顯示屏上，以便操作人員及時掌握柜體內溫度變化（圖1）。

本系統結構包括控制器、溫度檢測模塊、加熱裝置、制冷裝置、觸摸屏，其中控制器采用低功耗微控制器Atmega16單片機，溫度檢測模塊采用華控興業生產的CO2-T100 溫濕度CO2一體變送器，加熱裝置采用奧世朗品牌的遠紅外碳纖維加熱管，制冷裝置采用三洋兩門封閉式冷藏展示柜SRM-CD471自帶制冷裝置，此控制系統可在保證溫度恒定的前提下根據不同植物，對溫度進行二階控溫，并保證系統運行穩定，柜體內部溫度均勻，升、降溫迅速、準確，且不受柜體外部溫度干擾。本控制系統見圖2。

1.2溫控制裝置軟件設計

1.2.1傳感器數據處理軟件中采用中值濾波算法對傳感器進行數據處理，中值濾波是基于排序統計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術，中值濾波的基本原理是將數字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，從而消除孤立的噪聲點。因在此控制系統中溫控波形為一條圍繞中軸上下波動的波形，所以中值濾波算法完全適合用于此系統設計，中值濾波輸出公式：g（x，y）=med{f（x-k，y-l），（k，l∈W），其中，f（x，y）、g（x，y）分別為原始值和處理后值。

1.2.2系統控制算法控制是系統的核心，在傳統的控制領域里，控制系統動態模式的精確與否是影響控制優劣的最主要關鍵，系統動態的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的系統，由于變量太多，往往難以正確地描述系統的動態模型，于是人們便利用各種方法來簡化系統動態，以達成控制的目的，但卻不盡理想。因此本系統以模糊數學來處理這些控制問題[9-10]。軟件中采用模糊控制，模糊控制就是利用模糊數學的基本思想和理論的控制方法。本系統中，將最理想溫度值設為t0，測量值記作t（K），誤差作為模糊控制的輸入變量，則（K）= t0- t（K），u變量為控制變量。

描述輸入、輸出變量的語言值的模糊子集為{NB，NS，O，PS，PB}，其中NB=負大，NS=負小，O=零，PS=正小，PB=正大。endprint

1.3試驗方法

以油菜為實驗對象，因為油菜苗期時間長，占總生育期的1/3～1/2，不易培養，且對環境溫度變化較為敏感，有一定代表性，品種為先優7號，以此觀察環境溫度對油菜生長的影響。

根據植物生長與溫度的特殊關系，我們對溫度的控制采用獨創的二維控溫法，即溫度按照晝夜規律逐時變化的同時還根據植物生育階段的不同逐期變化，我們根據油菜在不同生長階段對環境溫度的要求設定溫度，如表2和圖5所示。

使用A、B 2臺LED智能植物生長柜作對比試驗，A柜搭載具有二維控溫功能的溫控裝置，B柜使用市場上購買的溫控裝置。其他參數設置：光照度0～3 000 lx、濕度（65±2）%、二氧化碳濃度700～1 000 μmol/L、根部溫度15～23 ℃等2柜均相同。將油菜幼苗從育苗室中取出， 放入水槽上面表2二維溫控時間表

時間溫度（℃）發芽出苗期苗期蕾薹期開花期角果發育成熟期06：00—17：0018～22 14～18 15～20 12～14 16～18 17：00—21：0024～2618～20 22～25 14～18 18～22 21：00—06：0010～18 10～14 6～10 10～12 14～16

的定植板中，水槽中加入營養液進行水培，試驗周期為30 d。

2結果與分析

經過為期30 d的對比試驗，在A柜生長的油菜在植株高度、葉片長度、葉片寬度、葉片氮素含量、葉片葉綠素含量以及葉片葉面溫度幾個參數方面均高于B柜中生長的油菜（表3、圖6）。

表3不同LED智能植物生長柜中油菜生長參數

7

3討論

溫度對植物生長的影響是綜合的，它既可以通過影響光合、呼吸、蒸騰等代謝過程，也可以通過影響有機物的合成和運輸等代謝過程來影響植物的生長，由于參與代謝活動的酶的活性在不同溫度下有不同的表現，所以溫度對植物生長的影響也具有最低、最適和最高溫度三基點[9]。植物只能在最低溫度與最高溫度范圍內生長。植物生長的最適溫度，就是指植物生長最快的溫度，但這并不是植物生長最健壯的溫度。因為在最適溫度下，植物體內的有機物消耗過多，植株反而長得細長柔弱。因此在生產實踐上培育健壯植株，常常要求溫度低于最適溫度。由于不同的植物生長的溫度三基點不同，即便是同一種植物因品種差異溫度三基點也略有不同，所以溫度控制裝置是否能穩定生長柜內溫度就顯得十分重要。

本試驗設計的具有二維控溫功能的溫控系統在保留原有溫控裝置優點的基礎上進一步提高了其穩定性、靈敏度和可操作性，根據植物生長的不同階段提供其最適合生長的環境溫度。通過驗證，裝有本溫控系統的LED智能植物生長柜有利于油菜的生長發育。參考文獻：

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