[发明专利]一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统

说明书

本发明是一种融合光照频率与占空比的嵌入式植物光环境调控系统。本发明基于植物生理学特征，通过摄像头实时获取植物的生长状况，使系统根据植物当前状态来调用其对应的生长阶段最优的调控模型，同时调节光照频率对植物进行补光，以达到进一步提高补光效率的目的。首先获取大量的实验数据，归一化处理后使用matlab语言构建基于支持向量机(SVM)算法得到不同环境下的植物光合速率预测模型。根据所得预测模型基于matlab语言编写遗传算法构建补光目标值寻优模型，得到每条数据的曲率最大值所对应的光环境目标值，再基于python语言编写随机森林算法，最终构建出可移植于嵌入式设备的设施光环境优化调控模型。通过本发明系统，可以有效地提高植物光合作用效率，提高设施农业的经济效益。

技术领域

本发明属于智能农业技术领域，涉及温室大棚内光环境的实时调控，特别涉及一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统。

背景技术

光合作用是植物生理活动的重要环节，光照不仅是植物光合作用中一项不可或缺的环境因子，它还作为一种植物生理信号对植物的分化、生长和发育起着重要的调节作用，使其能够更好的适应外界的环境。随着我国现代设施农业的发展以及雾霾天气的日益增多，对植物光合作用的效率要求也在逐渐提高，如何科学、合理、高效的构建植物周边的光环境已经成为了亟待解决的重要问题。针对这种情况，相应的设施农业补光设备也应运而生。然而，现有的植物补光设备并不完善。现阶段的补光设备采用连续光照的方式进行补光，但是根据现有的研究发现，高频的间歇光不仅不会降低植物的产量，反而可以促进植物的生长，提高植物的光合荧光效率。例如，Brown和Escombe在不改变光质的条件下，使用旋转的圆盘使得光照强度减少25％，但是光合速率未下降；Warburg的研究发现在0.067～133Hz，占空比为50％的高光强下，小球藻的单位数量光氧气产量较连续光提高了10％～100％；在蔬菜方面的研究中，Mori等发现，平均光照强度为50μmol/(m²·s)、频率为2.5KHz间歇光下生菜的生长速率和光合速率较连续光下提高了20％以上；Tennessen等采用LED灯光对番茄植株进行培养时发现，当番茄叶接收占空比仅为1％的间歇光照时，其净光合速率却可以达到同等条件下连续光照的50％。以上研究说明，采用有别于传统连续补光方式的间歇补光方式可以提高植物的净光合速率，同时这种补光方式还可以减少能源消耗。由于植物自身光合作用具有一定的生理周期，当接受连续光照时，在反应周期之外的光子会和植物本身用于反应的光子产生光化学淬灭现象，导致实际参与反应的光子减少，植物净光合速率降低，同时多余的光照也产生了能源的浪费。综上所述，现阶段的连续光照补光方式的有效性和环境友好性还有可以进一步提升的空间。

近年来的补光设备也在逐渐发展，陆续出现了许多自适应的智能补光系统，但是这些系统通常采用采用固定频率、占空比的补光方式进行补光，其补光能效的限制在于没有考虑补光设备产生光照的频率和占空比之间的组合关系对于植物的生长过程的影响，导致设备产生较高能耗的同时却难以再提高补光效率，并且这些设备采用的补光算法没有考虑到植物在不同生长阶段的光照需求，始终采用一套固定的算法进行补光。因此，如何发明一种不仅拥有精度高、智能化程度高、处理数据能力强、可移植性良好的补光方法，而且在节约补光能耗的前提下最大程度地提高补光效率的植物光环境调控算法就显得尤为重要。