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作者：王智永西北农林科技大学

学位级别：硕士

光照是作物生长发育的必备条件,由于受设施条件和自然环境约束,设施光照难以满足作物生长需求。人工补光技术可有效改善设施作物生长光环境,提高作物光合作用效率,已成为光环境调控的重要手段。在人工补光过程中,光环境调控目标值决定... 详细信息

光照是作物生长发育的必备条件,由于受设施条件和自然环境约束,设施光照难以满足作物生长需求。人工补光技术可有效改善设施作物生长光环境,提高作物光合作用效率,已成为光环境调控的重要手段。在人工补光过程中,光环境调控目标值决定调控效率,其模型研究具有重要意义。现有光环境调控目标值模型,在建模方法上,未考虑作物不同生长时期光合需求的差异,无法应用于作物全生长期光环境调控;在调控方式上,主要以光饱和点为调控目标,调控效率低且易造成补光过量;在推广应用上,未形成通用的建模流程,无法满足多类设施作物的调控需求。针对上述问题,本文研究环境因子关联的全生长期光合速率建模方法、高效调控目标值获取方法,集成建模方法并开发建模软件工具,为面向多类设施作物的光环境高效调控提供新的思路。本文主要研究内容和结论如下:(1)基于多种群遗传支持向量机的全生长期光合速率建模方法。以设施黄瓜为例,通过全生长期光合速率试验获取不同生长时间,环境因子下光合速率样本,以支持向量机为非线性回归算法,并利用多种群遗传算法优化支持向量机结构参数,建立了黄瓜全生长期光合速率模型,异校验结果表明,模型预测值与实测值决定系数为0.998,平均绝对误差为0.280μmol·m·s,最大绝对误差为2.462μmol·m·s,优于标准支持向量机、BP神经网络模型和多元非线性回归,为设施光环境调控提供描述作物光合需求的定量生理模型。(2)基于曲率理论的光环境高效目标值获取方法。本文通过研究曲率定义和光响应曲线生理意义,将光响应曲线曲率值与光合速率变化率相关联,提出了以曲线曲率最大值作为高效目标值点的调控思路。在此基础上,对比分析多种局部寻优算法时效性,提出基于三分法的光响应曲线曲率最大值获取方法,并完成160组不同生长时期、环境下目标值寻优,进而以支持向量机建立光环境高效调控目标值模型。模型决定系数R为0.987,实现了以生长天数、温度、CO浓度为参数的调控目标值动态计算。异校验结果表明,模型预测值实测值拟合直线斜率为0.975,截距为22.04μmol·m·s,且最大相对误差为4.5%,表明目标值模型具有较高预测精度,调控效果相比于光饱和点调控,光合速率平均损失5%,补光能耗下降30.38%,有效提高光环境调控效率。(3)基于PyQt的光环境调控建模软件。在分析黄瓜全生长期光合速率模型和光环境调控目标值模型建模算法的基础上,设计了通用建模流程、模型结构、模型模板,以Qt应用开发框架和python开发语言为技术支撑,结合光环境调控相关需求,设计作物光环境调控建模软件。为验证建模软件的通用性,以设施番茄为对象,试验获取528组光合测试数据,采用模型重构方式完成软件功能和性能验证。结果显示,软件可实现番茄光合速率模型和光环境调控模型自动生成,其中,光合速率模型预测值与实测值决定系数为0.989,平均绝对误差为0.473μmol·m·s,具有较高的光合速率预测精度;光环境调控目标值模型决定系数0.979,平均绝对误差23.69μmol·m·s,可实现光环境调控目标值的准确输出。因此,本光环境调控建模软件具有良好的通用性和可靠性。

关键词：设施光环境光合速率智能调控支持向量机 PyQt

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基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统

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智慧农业（中英文） 2020年第2期2卷 94-104页

作者：张仲雄李斌冯盼张盼来海斌胡瑾张海辉西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100 农业农村部农业物联网重点试验室陕西杨凌712100 陕西省农业信息感知与智能服务重点试验室陕西杨凌712100

光是植物进行光合作用的主要能量来源,光照好坏直接影响作物的产量和品质。本研究针对现有植物补光系统多以功能叶光合能力为基准进行冠层补光,导致冠层新生叶光抑制、株间功能叶位补光不足以及补光位置不能适应作物生长进行动态调整的... 详细信息

光是植物进行光合作用的主要能量来源,光照好坏直接影响作物的产量和品质。本研究针对现有植物补光系统多以功能叶光合能力为基准进行冠层补光,导致冠层新生叶光抑制、株间功能叶位补光不足以及补光位置不能适应作物生长进行动态调整的问题,以黄瓜为研究对象,设计了一种基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统。该系统由智能控制子系统、冠层-株间LED补光子系统、冠层-株间环境监测子系统和补光灯升降子系统组成,通过ZigBee技术实现各子系统间无线通信。其中冠层-株间环境监测子系统分别获取冠层和株间环境信息并发送至智能控制子系统,智能控制子系统根据环境实时信息调用冠层调控模型和株间适宜叶位调控模型获得相应调控目标值,并将其下发至冠层-株间补光灯,实现冠层与株间补光灯的动态实时调控。在陕西省泾阳县蔬菜产业综合服务区蔬菜基地分别部署立体补光设备和传统冠层补光设备,并进行系统调控效果验证试验。结果表明,立体补光区黄瓜植株的株高和茎粗显著增长,其中相比传统冠层补光区平均株高、茎粗分别增长了8.03%和7.24%,相比自然处理区平均株高、茎粗分别增长了26.51%和36.03%;在一个月的采摘期内,立体补光区相比传统冠层补光区和自然处理区产量分别提升了0.28和1.39 kg/m2,经济效益分别增加了2.82和4.88 CNY/m2,说明立体光环境调控系统能够提高经济效益,具有应用推广价值。

关键词：设施光环境 ZigBee 黄瓜叶位立体补光智能调控 PWM

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基于黄瓜植株需光差异特性的立体补光调控系统设计

基于黄瓜植株需光差异特性的立体补光调控系统设计

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作者：来海斌西北农林科技大学

学位级别：硕士

光照是植物进行光合作用的首要条件,但近年受雾霾天气影响,设施内光照不足严重制约了设施作物的生长,为了实现冬春季设施农业增产提质必须采用人工补光。传统的补光模式多将补光灯悬挂在设施大棚顶部,出现植株顶端功能叶位光抑制和中下... 详细信息

光照是植物进行光合作用的首要条件,但近年受雾霾天气影响,设施内光照不足严重制约了设施作物的生长,为了实现冬春季设施农业增产提质必须采用人工补光。传统的补光模式多将补光灯悬挂在设施大棚顶部,出现植株顶端功能叶位光抑制和中下部叶位光照不足问题,从而导致植株光合能力下降。研究发现黄瓜植株不同叶位间存在显著的需光差异,但现有的植物补光技术并未考虑到这一点,因而会造成补光量与植株实际需求不匹配。本文针对现有植物补光技术存在的不足,开发了基于黄瓜植株不同叶位需光差异特性的立体补光调控系统。调控系统可以获取设施内不同叶位环境信息、调整立体补光灯悬挂位置、动态反馈修正顶灯和株间灯补施量,最终实现设施内光环境的优化调控,达到设施黄瓜增产提质的目标。本文主要研究内容和结论如下:（1）基于Arduino控制的补光灯升降机构研发。综合考虑立体补光灯应用过程中所存在的悬挂高度调整困难、影响农事活动等问题,开发了可自动测距及精确调整补光灯悬挂位置的升降机构。升降机构由CC2530模块接收升降指令、TFmini激光雷达自动测距、TB6600驱动57步进电机,Arduino板通过控制程序实现对升降机构的控制,主动轴旋转缠绕柔性钢丝实现顶灯和株间灯悬挂位置的精确调整。（2）立体补光调控系统补光节点与监测节点研发。综合考虑植株叶位需光差异特性以及LED补光灯制造成本,研发了灯管间距可调及补光值动态反馈修正的灯管式补光灯。补光灯包括3个红灯管和2个蓝灯管,红灯管窄带铝基板焊接14个植物红LED灯珠,蓝灯管为10个植物蓝LED灯珠,实现补光灯红蓝光质比2:1,CC2530模块接收并解析指令产生PWM信号,由驱动电路实现补光灯亮度的控制。监测节点在实验室已有监测设备的基础上完成制作,可以获取设施内不同叶位的环境信息。（3）基于树莓派的智能补光控制终端研发。综合考虑立体补光调控系统的多方位需求,开发了能处理设施内环境数据、控制升降机构运行、动态反馈调控补施量的智能控制终端。控制终端以树莓派为硬件开发核心,触摸显示屏实现人机交互,协调器组建无线通信网络;在PyQt5软件中开发智能控制终端的人机交互界面,由Python语言编写调控系统的主程序;控制终端通过对监测、补光和升降节点的控制,实现设施内光环境的优化调控。（4）立体补光调控系统性能测试和调控效果验证。性能测试包括补光灯光场实验和升降机构运行精度测试,其中补光灯下20 cm处的光强和有效光照覆盖范围最优,升降机构运行平均相对误差为1.06%,满足实际应用要求。在陕西省泾阳县蔬菜产业综合服务区示范基地进行实地部署验证,通过立体补光处理、传统补光处理与自然对照处理对比实验,最终结果表明:立体补光区黄瓜植株的株高和茎粗显著增长,其中相比自然处理区平均株高、茎粗分别增长了26.51%、36.03%;通过相同叶位净光合速率的对比可知立体补光区的黄瓜植株光合能力更强、生长更加健硕;一个月的采摘期内立体补光区相比于自然处理区产量提升了1.39 kg/m~2,经济效益增加了4.87元/m~2,因此立体补光调控系统具有良好的补光效果。

关键词：设施光环境叶位需光差异立体补光升降机构智能调控

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