温室植物高效栽培光照控制系统的研究

欧志鹏 李延国 李建军 赵红星 孙雪娇 黄雷 张航 任慧 杨眉 何禹

摘 要：温室植物高效栽培光照控制系统包括可弯曲的透明太阳能光伏电池组件、植物栽培区域、单栋温室、植物栽培光照控制器。植物栽培光照控制器包括植物种类确定单元、生长状态收集单元、生长区域确定单元、波长确定单元、植物移动决定单元和一个数据库。为解决了太阳光无法满足不同种类植物栽培和同种植物不同生长阶段所需要的最佳光照条件，研究了一种温室植物高效栽培光照控制系统。该控制系统能根据植物的种类和不同生长阶段，提供植物生长发育的最佳吸收波长的光照，营造适宜生长的光环境，缩短生长周期，提高植物产量，改善农产品品质。

关键词：温室;植物;栽培;光照;波长;控制系统

中图分类号：S-3文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190730015

1 研究领域及背景技术

本文研究的是温室植物高效栽培光照控制系统，具体地说是根据植物种类和生长阶段的不同，有效调控温室植物栽培的一种光照控制系统，属于设施农业技术领域。

温室植物光照控制系统可调控温室植物内部环境，保证温室常年生产农产品而不受外界环境影响，如玻璃温室、日光温室等被广泛应用于设施农业。温室获取光照多数是利用自然光透过玻璃或者塑料薄膜进入温室内部，营造一个适宜的生长环境，保证植物的正常生长，进行农产品生产。

植物生长环境条件包括如光照强度、土壤温度、土壤湿度、环境温度、环境湿度、二氧化碳浓度等，植物种类不同和不同生长阶段所需要的环境条件也有所差异。一般情况下，植物的生长阶段可分为发芽期、营养生长期、生殖生长期等，所以可以根据植物的不同生长阶段，对作物生长环境进行控制，来提高作物的产量。

光照是植物生长发育的重要环境因素之一，许多试验已经证实根据植物的种类和不同生长阶段，提供不同波长或波段的光照，对植物的生长发育产生的影响各有差异。由于太阳光是不同波长的光组成的，并不会根据植物的种类和生长阶段的变化需要而发生变化，因此为了促进植物生长，缩短生长周期，可根据不同植物或同一植物的不同生长阶段提供最佳波长或波段的光照。

2 技术特点

研究开发的温室植物高效栽培光照控制系统是根据植物的种类和不同生长阶段，提供植物生长发育的最佳波长，营造适宜生长的光环境，缩短生长周期，提高植物产量，解决太阳光无法满足不同种类植物栽培和同种植物不同生长阶段所需要的最佳光照条件，来改善农产品品质。

3 附图说明

图1中：1、2、3、4、5和6、可弯曲的透明太阳能光伏电池组件;7、8、9、10、11和12、植物栽培区域;13、单栋温室;14、植物栽培光照控制器;图2中15、植物种类确定单元;16、生长状态收集单元;17、生长区域确定单元;18、波长确定单元;19、植物移动决定单元;20、数据库;图3中21、22、23、24、25和26、射频识别标签;图4中27、连栋温室。

4 研究内容

本研究的目的是为了解决太阳光无法满足不同种类植物栽培和同种植物不同生长阶段所需要的最佳光照条件而开发的一种温室植物高效栽培光照控制系統。该光照控制系统能够根据植物的种类和不同生长阶段，提供植物生长发育的最佳波长，营造适宜生长的光环境，缩短生长周期，提高植物产量，改善农产品品质。

下面结合附图对所研究的技术方案说明如下。

温室植物高效栽培光照控制系统包括可弯曲的透明太阳能光伏电池组件与植物栽培区域及植物栽培光照控制器。可弯曲的太阳能光伏电池组件安装在单栋温室的棚顶表面与植物栽培区域相对应，每个可弯曲的透明太阳能光伏电池组件都包含一个染色敏化太阳能光伏电池，且拥有不同的颜色。植物栽培区域都对应一个射频识别标签，射频识别标签用于植物种类信息以及相对应的植物栽培区域信息。植物栽培光照控制器由植物种类确定单元、生长状态收集单元、生长区域确定单元、波长确定单元、植物移动决定单元和一个数据库组成。

植物种类确定单元用于确定植物的种类，生长状态收集单元用于收集当前植物的生长状态信息，生长区域确定单元用于确定植物栽培区域的最佳吸收波长。波长确定单元用于确定植物的种类和当前生长阶段需要的最佳吸收波长。植物移动决定单元用于决定某一植物栽培区域内的植物是否移动。数据库用于存储植物的种类和植物栽培区域及根据植物生长阶段的最佳吸收波长的数据信息。

本发明的有益效果为：该光照控制系统能根据植物的种类和不同生长阶段，提供植物生长发育的最佳吸收波长，促进植物生长，缩短生长周期，提高作物产量。

5 具体实施方式

下面结合实施例和附图对所研究的温室植物高效栽培光照控制系统的控制方法及实施方式作详细叙述。

一般来说，植物有一种感光色素可以根据入射光的波长来调节植物的生长阶段。植物生长阶段所涉及的感光色素包括：叶绿素、类胡萝卜素、花青素、植物色素等等。一个感光色素的最佳吸收波长叶绿素A是430nm和662～664nm，叶绿素B是453～460nm和642～647nm，类胡萝卜素的最佳吸收波长为430～500nm和640～660nm。在光敏色素情况下，蓝色最佳吸收波长是650～670nm，绿色最佳吸收波长是705～740nm，花青素的最佳吸收波长是530～540nm。因此，植物最佳吸收波长是随着生长阶段的不同而变化的。

此外，根据栽培的植物种类不同也有不同的生长变化模式。以莴苣为例，是在种子发芽后才需要营养来促进生长，原因是当莴苣进入生殖生长阶段（开花结实期）时，莴苣就失去商品价值了。然而，红叶莴苣在进入生殖生长阶段时，则需要在紫外线的照射下才能使花青素显现。与此相反，水果类蔬菜在进行一段时间的营养生长后，才进行生殖生长。另外，水果类蔬菜在进入市场前，需要用紫外线对该区域进行足够的照射，才能使水果的颜色呈现的更加鲜艳。

如上所述，对植物所需的最佳吸收波长是随着栽培植物的种类和植物的生长阶段的不同而变化的。

参阅附图1，温室植物高效栽培光照控制系统，该系统包括了一个单栋温室13、可弯曲的太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6和植物栽培区域7、8、9、10、11和12及一个植物栽培光照控制器14。

可弯曲的透明太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6安装在单栋温室13的棚顶表面上，与单栋温室13中的植物栽培区域7、8、9、10、11和12相对应。每个可弯曲的透明太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6能传输一定波长的太阳光，则相对应的植物栽培区域7、8、9、10、11和12内种植的植物可以吸收传输过来一定波长的太阳光。

每个可弯曲的透明太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6都包含一个染色敏化太阳能光伏电池，且拥有不同的颜色。染色敏化太阳能光伏电池包括一个涂覆在透明基板上的太阳能透光性电极、一个催化计数器电极、一个涂覆在透光性电极和反电极之间填充的一种氧化/还原剂。透明基板能反射太阳光中紫外线或紫外线相类似的短波，未被反射的太阳光一部分透过太阳能电池进入单栋温室13，另一部分太阳光则被太阳能光伏电池吸收产生电能，作为温室运行的辅助能源。进入单栋温室13植物栽培区域7、8、9、10、11和12的太阳光波长取决于使用染色太阳能光伏电池的颜色，因此不同颜色的太阳能光伏电池能为不同栽培区域提供不同波长的光照。

植物栽培区域7、8、9、10、11和12种植不同植物时，植物生长周期所需要的波长由可弯曲的透明太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6提供最佳吸收波长的光照。同理，同种植物在不同的植物栽培区域7、8、9、10、11和12内种植时，多个可弯曲的透明太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6可以提供植物不同生长阶段的最佳吸收波长的光照。

参阅附图2，植物栽培光照控制器14包括植物种类确定单元15、生长状态收集单元16、生长区域确定单元17、波长确定单元18、植物移动决定单元19及数据库20。其主要作用是根据温室13中植物的种类和植物的生长阶段，来确定某一栽培区是否要移动合适生长区域，接受最佳光照波长。

植物种类确定单元15可以从用户种植的植物种类中获得信息来确定植物的种类，并将有关植物种类的信息传送到波长确定单元18。

植物生长状态收集单元16包括一个传感器，用于感测植物叶子的数量、大小等，确定各植物栽培区域的植物生长状况的信息，确定每株植物的生长状态，并将这些信息传递给波长确定单元18。

植物生长区域确定单元17把根据植物栽培区域7、8、9、10、11和12中获得的信息传递到波长确定单元18，用于确定植物栽培区域7、8、9、10、11和12的最佳吸收波长。

植物波长确定单元18根据温室栽培植物种类信息、植物栽培区域信息以及收集植物生长状态信息确定植物需要的最佳吸收波长，最后又植物移动决定单元19确定是否对植物栽培区域7、8、9、10、11和12内的植物进行移动。

植物移动决定单元19用于比较植物最佳吸收波长和当前植物栽培区域的波长，然后确定是否对植物进行移动。如果区域内相应的植物的波长与波长确定单元18确定的最佳吸收波长不相同的时候，植物移动决定单元19决定移动植物到波長确定单元18确定的最佳吸收波长的区域。反之，如果提供给当前植物栽培区域的波长在波长确定单元18确定的最大或者最小吸收波长范围内时，植物移动决定单元19决定不移动相应植物。

系统内部数据库20，用于存储植物的种类、植物栽培区域和根据植物生长阶段的最佳吸收波长的数据信息，为波长确定单元18提供确定植物最佳吸收波长。

参阅附图3，射频识别标签21、22、23、24、25和26附着在各个区域多个植物上，能储存植物种类信息以及相应植物栽培区域生长状态信息，并把这些信息传递到波长确定单元18。在这种情况下，植物生长区域确定单元17可以根据射频识别标签21、22、23、24、25和26传递的信息识别确定植物栽培区域7、8、9、10、11和12。

根据以上研究的实施例所阐述的内容，单栋温室13被划分为多个植物栽培区域7、8、9、10、11和12，对应多个可弯曲的透明太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6。每个不同的植物栽培区域对应传输不同的波长的光照，并且以不同的方式体现。

参见附图4，是连栋温室安装多个可弯曲的透明太阳能光伏电池组件的实施例。多个的温室可以作为一个整体来使用，传送不同波长的可弯曲的透明太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6可以分别安装在连栋温室27棚顶表面上。当传输不同波长的可弯曲的透明太阳能光伏电池组件1、2、3、4、5和6相应地安装在连栋温室27棚顶表面上时，植物栽培光照控制器14根据植物的种类和生长阶段需要决定是否移动每个温室中植物以获得最佳吸收波长。

以上实施例不仅需要通过上述的方法和设备来实现，还需要通过程序控制来实现控制功能。

6 系统特点

该系统包括可弯曲的透明太阳能光伏电池组件、植物栽培区域、单栋温室和植物栽培光照控制器，植物栽培光照控制器包括植物种类确定单元、生长状态收集单元、生长区域确定单元、波长确定单元、植物移动决定单元和数据库;每一个可弯曲的透明太阳能光伏电池组件拥有一个染色敏化太阳能光伏电池，且拥有不同的颜色;植物种类确定单元用于确定植物的种类;生长状态收集单元用于收集当前植物的生长状态信息;生长区域确定单元用于确定植物栽培区域的最佳吸收波长;波长确定单元用于确定植物的种类和当前生长阶段需要的最佳吸收波长。

植物移动决定单元用于决定某一区域内的植物是否移动。

数据库用于存储植物的种类、植物栽培区域和根据植物生长阶段的最佳吸收波长的数据信息。

7 结论

温室植物高效栽培光照控制系统，其架构形式能够灵活多变，可以做出若干简单推演或替换并派生系列产品，其有益效果是该光照控制系统能够根据植物的种类和不同生长阶段，提供植物生长发育的最佳吸收波长，促进植物生长，缩短生长周期，提高作物产量和农产品质量。