设施黄瓜立体环境光智能调控系统设计

引文格式：张仲雄, 李斌, 冯盼, 张盼, 来海斌, 胡瑾, 张海辉. 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[J]. 智慧农业（中英文）, 2020, 2(2): 94-104.

ZHANG Zhongxiong, LI Bin, FENG Pan, ZHANG Pan, LAI Haibin, HU Jin, ZHANG Haihui.

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设施黄瓜立体环境光智能调控系统设计

1 系统整体设计

立体光环境调控系统由智能控制子系统、冠层-株间环境监测子系统、冠层-株间补光灯升降子系统及冠层-株间LED补光子系统四部分组成，通过ZigBee技术实现各子系统之间无线通信，整体结构如图1所示。系统设计时充分考虑黄瓜植株整株中冠层和株间的需光差异以及不同叶位环境差异，通过智能控制子系统协调各系统实现黄瓜整株立体光环境按需调控。冠层-株间监测子系统分别采集温度、二氧化碳浓度、光强度等环境信息，发送至智能控制子系统，调用移植在树莓派中智能光环境调控模型，根据冠层-株间环境信息动态计算补光值，并下发至冠层-株间LED补光子系统。采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术分别实现冠层与株间LED补光阵列的动态调控。冠层-株间补光灯升降子系统自动监测灯与作物间的距离，实现补光位置的手动和自动调整。

图1 立体光环境调控系统整体结构图

Fig. 1 Overall structure of stereo fill light environment control system

2 系统硬件设计

2.1

智能控制子系统

智能控制子系统硬件设计如图2所示，主要包括树莓派控制器（Raspberry Pi 3B+，1.4 GHz四核ARM Cortex-A53处理器）、触摸显示屏、CC2530模块和电源模块四个部分，具有数据处理、模型在线寻优、无线 络组建及控制指令下发等功能。由于传统低性能的嵌入式设备无法移植智能算法，采用树莓派为控制器，可实现基于机器学习的光环境调控模型高精度移植，完成调控目标值的在线寻优和动态实时调控。触摸显示屏通过高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）方式与树莓派相连，ZigBee协调器与树莓派依靠通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)方式进行相互通信。电源模块分别为树莓派、触摸屏及CC2530模块提供5、5和3.3 V工作电压。

图2 智能控制子系统设计框图

Fig. 2 Block diagram of intelligent control subsystem

2.2

冠层-株间环境监测子系统

冠层-株间环境监测子系统由冠层和株间环境监测模块组成，实现对设施环境内植物冠层和株间温度、二氧化碳浓度和光照强度的实时监测，并通过ZigBee将环境信息发送至智能控制子系统。其中二氧化碳传感器采用Telaire 6615-F双通道非分光红外传感器，测量范围为0~10，000 μmol/mol光照传感器为电压型SY-HGY型光合有效辐射传感器，测量范围为0~2500μmol/(m2·s)；CC2530芯片将上述传感器采集的模拟量转化为相应的数字量，通过无线方式将数据打包发送至协调器。温度传感器采用DS18B20，测量范围为-55℃~125℃；电源模块为CC2530模块、传感器分别提供3.3和5 V工作电压，设计框图如图3所示。

图3 冠层-株间环境监测模块设计框图

Fig. 3 Block diagram of canopy-plant inter-environment monitoring subsystem design

2.3

冠层-株间LED补光子系统

研究发现不同波段的光对植物光合作用影响不同，因此本系统选择光合作用直接相关的红蓝光源。其中，红光LED波段为655~660 nm，蓝光LED波段为450~455 nm。选用PT4115作为恒流源驱动芯片，通过PWM精准控制LED红蓝灯珠光照强度。采用窄带铝基板和透明灯管进行封装，最终设计了一种灯管间距可调的LED补光灯。LED补光灯由透明灯管、固定铝板和驱动盒三部分组成，具体结构设计见专利“一种设施作物株间补光范围可调的LED灯管式补光装置（CN201820353650.8）”。单侧安装灯管为冠层补光灯，部署方式为灯管向下，如图4（a）所示；两侧安装灯管为株间补光灯，部署方式为灯管向两侧方向，株间补光灯实物图如图4（b）所示；灯管式补光灯可以实现不同灯管位置调整，改变补光灯补施范围，同时具有组装方便、散热性能好及后期维修便捷等优点。

图4 立体补光灯设计

Fig. 4 Stereo light-compensating lamp

2.4

冠层-株间补光灯升降子系统

冠层-株间补光灯升降子系统整体框图如图5所示，主要包括CC2530模块、Arduino控制器、TFmini激光雷达、TB6600驱动器和57步进电机等。具有接受控制指令、测量距离、冠层-株间补光灯升降等功能。其中Arduino控制器通过串口通信方式与CC2530模块、TFmini激光雷达通信，控制器和TB6600驱动器采用共阳极接法；步进电机通过联轴器将动力传递给主动轴，主动轴旋转缠绕柔性钢丝实现冠层-株间灯悬挂位置的精确调整。电源模块分别为Arduino控制器、TB6600驱动器及CC2530模块提供5、24和3.3 V的工作电压。

图5 冠层-株间补光灯升降子系统设计框图

Fig. 5 Block diagram of canopy-plant light-compensating lamp lifting subsystem

3 系统软件设计

3.1

智能控制子系统设计

基于Raspberry Pi的智能嵌入式子系统是整个调控系统的核心组成，其具体运行流程如下。首先系统通电，各子系统初始化，ZigBee协调器组建好无线 络，并负责冠层-株间环境监测节点的传感器数据汇集与树莓派控制指令发送；其次树莓派根据冠层-株间实时环境数据输入，调用冠层-株间光环境调控模型，得到调控目标光强值；然后动态计算冠层-株间补光灯的高度位置；最后利用无线传感技术下发补光指令和升降指令，从而实现立体补光调控系统对设施内黄瓜植株光环境的立体、精准和动态反馈调控。

3.1.1 调控模型集成与移植

光环境调控模型主要包括冠层调控模型和株间调控模型。课题组前期开展了融合叶位光合差异的黄瓜立体光环境调控模型研究，发现黄瓜整株第五至第七叶位叶绿素含量高，叶位向上或向下叶绿素含量均呈下降趋势，因此将第五至第七叶位作为株间补光适宜区间，将叶位参数代入立体光环境优化调控模型中。首先构建了不同叶位、光照强度、温度及二氧化碳浓度耦合的回归型支持向量机（Support Vactor Regression，SVR）光合速率预测模型，其次以光合速率预测模型为适应度函数，建立了基于粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，POS）的光饱和点寻优模型，最后采用SVR算法，构建了立体光环境调控模型，其模型决定系数R2为0.9993，均方根误差为2.349μmol/(m2·s)。

为了提高树莓派上运行模型精度，首先在电脑上进行模型训练，形成Model.pkl文件，然后将其复制到树莓派主程序路径下，并通过主程序使用pickle.load命令进行模型加载，模型移植具体过程如图6所示。

图6 算法模型移植步骤

Fig. 6 Migration steps of the algorithm

3.1.2 立体补光灯PWM反馈控制算法设计

补光灯PWM算法用于实现动态反馈修正补光值，考虑顶灯对株间灯输出值的影响，采取的控制策略为：先运行冠层调控模型，延时2 min，即环境监测数据更新频率，再运行株间调控模型，立体补光灯PWM反馈控制算法流程图如图7所示。

图7 立体补光灯PWM反馈控制算法流程图

Fig. 7 Flow chart of PWM feedback control algorithm for stereo light-compensating lamp

其中，PAR_T为顶叶环境光强，μmol/(m2·s)；PAR_M为株间叶位环境光强，μmol/(m2·s)；PAR_T_G为顶叶目标光强，μmol/(m2·s)；PAR_M_G为株间叶位目标光强，μmol/(m2·s)；ΔPAR_T为顶叶光强变化量，μmol/(m2·s)；ΔPAR_M为株间叶位光强变化量，μmol/(m2·s)；Z_T为顶灯PWM占空比；Z_M为株间灯PWM占空比；Z_B_T为顶灯上次PWM占空比；Z_B_M为株间灯上次PWM占空比；ΔPWM_T为顶灯PWM占空比调整量；ΔPWM_M为株间灯PWM占空比调整量；k为补光灯光强和输入PWM对应系数，由补光灯光强、驱动电流、PWM占空比三者之间的关系曲线确定。

3.1.3 智能控制模块交互界面设计

基于PyQt5软件应用Python语言开发了立体光环境调控系统的用户界面（User Interface，UI），采用Pycharm编译器将UI文件转化成树莓派可执行文件，系统主界面如图8所示。通过主界面可进行作物种类、补光区域、作物生长期的选择。主界面下方有对应功能的二级界面按钮，并连接到相对应的槽函数上，用户可根据需求进入经纬参数设定、环境信息查看、升降机构控制、光环境调控和历史数据查询等操作。

图8 立体光环境调控系统主界面

Fig. 8 The main interface of the stereoscopic environment control system

3.2

冠层-株间补光灯升降子系统设计

补光灯升降子系统接收智能控制子系统的控制指令，解析处理后下发至Arduino处理器执行，并将TFmini测量的距离数据上传至智能控制子系统，使得整个冠层-株间补光灯升降子系统是一个闭环反馈的系统；当未接收到控制指令时，该模块处于低功耗等待状态。冠层-株间补光灯升降子系统运行流程如图9所示。

图9 冠层-株间补光灯升降子系统运行流程图

Fig. 9 Running flow chart of the canopy-plant light-compensating lamp lifting subsystem

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