一种基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统技术方案

本发明专利技术一种基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统，涉及智慧农业技术领域，为解决现有光环境调控系统忽略光合作用光诱导阶段对光合速率的影响，以及未考虑光合作用暗反应阶段中不同环境条件下的P

【技术实现步骤摘要】
一种基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统


[0001]本专利技术涉及智慧农业
，具体而言，涉及一种基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统。

技术介绍

[0002]农业属于第一产业，其发展关系国计民生。近年来，我国设施农业在由现代化向数字化的推广过程中逐步形成以现代电力电子技术、计算机技术和物联网技术为驱动的“智慧农业”这一智慧经济的组成部分。当前，植物工厂、智能温室作为智慧农业领域的重要应用，伴随现代信息技术和传感器研制能力蓬勃发展，国内外植物工厂中的实验室创新与商业化生产均取得显著进展。光环境调控作为人工光型植物工厂智能控制体系中的基础组成部分之一，该环节通过调控光源的功率输出水平改善作物生长情况和有机物积累水平以提高产量，对植物工厂经济效益的正向影响显著。
[0003]不同作物的生理水平和习性各异、同种作物在不同生长阶段或同一生长阶段的不同生长时期下生长代谢水平存在差异，作物在适宜生长环境下其生理指标随强相关环境变量的变化而浮动、在实验室调控中作物响应普遍存在滞后性。针对这些问题，当前的实验室制定植物工厂环境响应控制策略的相关研究在理论和应用创新方面主要围绕设计对比实验并根据结果确定各环境参数最优点进行定量调控，这些研究都着眼于以作物最大净光合速率下的光饱和点为调控指标，且存在一系列诸如没有从机理角度即模拟光合作用全过程制定控制策略、缺少调控结果对比、忽略了环境响应中部分可调生理指标对作物光合水平的影响等问题，有待探究和完善。
[0004]另一方面，设施农业的人工光环境控制在商务生产领域的应用较为广泛，对于LED光源输出精准化定量问题的实践创新相对滞后，普遍根据生产经验设计优化光质、控制日累积光照时间，鲜有从作物生理出发探究由于光照强度增加经济效益随之上升等这类生产结论的内因，在精准农业发展日新月异的背景下，现阶段基于光合作用经验模型的无人化控制或包含了对生产潜力和能耗的浪费。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：
[0006]现有光环境调控系统忽略光合作用光诱导阶段对光合速率的影响，以及未考虑光合作用暗反应阶段中不同环境条件下的P
nmax
及光饱和点的差异性。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统，该系统包括：
[0009]数据采集模块，用于采集植物工厂的环境参数，包括CO2浓度、温度和光合有效辐射强度(PAR)，并将采集的环境数据发送至控制模块及监测模块；
[0010]控制模块，采用两阶段控制策略，包括光诱导阶段及光合作用暗反应促进阶段，所
述光诱导阶段，通过调控光合有效辐射强度和光照时间，控制Fv/Fm及气孔导度均达到正常值；其中，Fv/Fm为光合系统II的最大光化学量子产量；所述光合作用暗反应促进阶段，通过构建调控模型，基于采集到的CO2浓度、温度和光合有效辐射强度(PAR)以及达到的气孔导度正常值，计算净光合速率P
n
，求解净光合速率P
n
的极值，得到最大净光合速率P
nmax
、光饱和点I
sat
及暗呼吸速率R
d
，根据光饱和点I
sat
确定驱动信号的占空比，发送至全光谱光源调控模块，并将最大净光合速率P
nmax
、暗呼吸速率R
d
及光饱和点I
sat
发送至监测模块；
[0011]全光谱光源调控模块，用于对接收到的驱动信号进行放大增益，并将放大增益的驱动信号发送至执行模块。
[0012]执行模块，包括光量子通量密度(PPFD)可调的LED全光谱光源；
[0013]监测模块，用于接收CO2浓度、温度、最大净光合速率P
nmax
、暗呼吸速率R
d
及光饱和点I
sat
，对环境参数进行监测；
[0014]供能模块，用于向系统提供电能。
[0015]进一步地，所述数据采集模块包括多个采集器，每个采集器包括CO2浓度传感器、温度传感器、光合有效辐射强度传感器，所述执行模块设有与所述采集器相对应的执行器，每个执行器包括光量子通量密度(PPFD)可调的LED光源。
[0016]进一步地，所述光诱导阶段，通过采集作物不同梯度的光合有效辐射强度和光照时间下的Fv/Fm及气孔导度值，得到Fv/Fm及气孔导度均达到正常值的光合有效辐射强度及光照时间，以通过调控光合有效辐射强度和光照时间控制Fv/Fm及气孔导度均达到正常值。
[0017]进一步地，对于叶菜，所述光诱导阶段的光合有效辐射强度大于等于800μ mol.m
‑2.s
‑1，光照时间为大于等于20min。
[0018]进一步地，所述调控模型基于的计算公式为：
[0019][0020]基于采集到的CO2浓度、温度和光合有效辐射强度(PAR)以及达到的气孔导度正常值，计算净光合速率P
n
；
[0021]基于直角双曲线修正模型求解净光合速率P
n
的极值，得到最大净光合速率P
nmax
、光饱和点I
sat
及暗呼吸速率R
d
，即：
[0022][0023][0024][0025][0026]其中，x
PAR
，y
Tair
,u
Cond
依次分别为光合作用有效辐射强度、温度、二氧化碳浓度及气孔导度，b0～b9、c1～c9、d1～d8均为模型的参数，α、β和γ为直角双曲线修正模型无量纲。
[0027]进一步地，所述光量子通量密度(PPFD)可调的LED全光谱光源的功率不低于300W。
[0028]进一步地，所述植物工厂光环境调控系统还包括光谱调控模块，所述光谱调控模块基于光谱叠加原理用于将光谱调控至自然光谱，所述光谱调控模块包括多路输出光源，所述多路输出光源包括多路矩阵式排列的LED单元，所述多路输出光源的光谱波段覆盖范围为：380
‑
700nm；通过调节与自然光谱波长对应的LED单元的光谱辐射强度至与自然光谱的辐射强度相同，以实现对光谱调控。
[0029]进一步地，多路输出光源中的LED单元数量大于18路，且各路LED单元的波峰之间相差大于等于15nm，各路LED单元的半高全宽不大于20nm，每路LED单元包括数量相同的多个串联的相同规格的LED灯珠。
[0030]相较于现有技术，本专利技术的有益效果是：
[0031]本专利技术所建立一种基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统，基于植物光合作用的光诱导阶段和暗反应阶段，光诱导阶段基于作物在气孔导度
‑
环境参数协同对光合水平的影响，控制Fv/Fm及气孔导度均达到正常值。暗反应阶段，基于当前环境下浮动的最大净光合速率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统，其特征在于，该系统包括：数据采集模块，用于采集植物工厂的环境参数，包括CO2浓度、温度和光合有效辐射强度(PAR)，并将采集的环境数据发送至控制模块及监测模块；控制模块，采用两阶段控制策略，包括光诱导阶段及光合作用暗反应促进阶段，所述光诱导阶段，通过调控光合有效辐射强度和光照时间，控制Fv/Fm及气孔导度均达到正常值；其中，Fv/Fm为光合系统II的最大光化学量子产量；所述光合作用暗反应促进阶段，通过构建调控模型，基于采集到的CO2浓度、温度和光合有效辐射强度(PAR)以及达到的气孔导度正常值，计算净光合速率P
n
，求解净光合速率P
n
的极值，得到最大净光合速率P
nmax
、光饱和点I
sat
及暗呼吸速率R
d
，根据光饱和点I
sat
确定驱动信号的占空比，发送至全光谱光源调控模块，并将最大净光合速率P
nmax
、暗呼吸速率R
d
及光饱和点I
sat
发送至监测模块；全光谱光源调控模块，用于对接收到的驱动信号进行放大增益，并将放大增益的驱动信号发送至执行模块。执行模块，包括光量子通量密度(PPFD)可调的LED全光谱光源；监测模块，用于接收CO2浓度、温度、最大净光合速率P
nmax
、暗呼吸速率R
d
及光饱和点I
sat
，对环境参数进行监测；供能模块，用于向系统提供电能。2.根据权利要求1所述的基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统，其特征在于，所述数据采集模块包括多个采集器，每个采集器包括CO2浓度传感器、温度传感器、光合有效辐射强度传感器，所述执行模块设有与所述采集器相对应的执行器，每个执行器包括光量子通量密度(PPFD)可调的LED光源。3.根据权利要求1所述的基于光合模拟和光谱叠加的植物工厂光环境调控系统，其特征在于，所述光诱导阶段，通过采集作物不同梯度的光合有效辐射强度和光照时间下的Fv/Fm及气孔导度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张喜海，王政达，陈泽瑞，王浩，宋伟先，李鸿博，郑书朋，谭克竹，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：