光是影响植物生长发育的重要因子，它可以为光合作用提供能量，也可作为环境信号调节植物的生命活动，如种子萌发、光形态建成、气孔运动等[1]。21世纪以来，植物照明在LED(Lighting Emitting Diode）技术加持下飞速发展。以半导体LED为核心的照明技术有力地促进了植物工厂的大规模应用[2]。近年来，越来越多的研究人员投入到LED对植物生长影响的研究中，其原因是红蓝LED光可作为电子传递的驱动器，调节植物激素的合成与运输，从而影响植物的生长代谢，其主要吸收光谱为400～800 nm。LED不仅是光生物学研究的工具，也是植物工厂中人工光源应用的手段。光生物学研究和应用的目标是对植物以不同形式的光照进行处理，从而认清其生物学规律，通过植物全生育期LED光质、强度、光照时长的时空调配，缩短植物生长周期，提高农产品商品性产量、营养品质及形态价值，实现植物工厂高效、节能和智能化生产[3]。

农业物联网就是将农业应用与物联网技术相结合[4]，将传感器部署到大棚或者农田当中，然后通过不同的无线传输方式，将获取的农作物信息实时地发送到本地计算机或者手机上，实现了产前、产后的全程监控，可进行科学分析及预测，从而使农业生产变得更加高效优质，提高农业综合效益[5-6]。国内外研究人员为了更好地改善植物生长的光条件，对结合物联网的光控制进行了大量的研究。姜晓君等研究了光质对植物光合作用过程的调控作用[7]。胡瑾等进行了设施农业补光系统的研究，设计了定光质补光的植物补光系统[8]。陶佰睿等进行了温室大棚中的LED补光系统的设计，在补光方面采用固定光质比对植物进行补光[9]。Ilieva等在空间温室环境中采用LED给植物补光，实验表明不同植物都有其最佳光谱，通过提供更好的照明条件即可实现温室植物增产[10]。传统的白炽灯作为光源，一方面辐射光谱中红蓝光的比例很低，因此被植物吸收的有效辐射能更少，效率不高；另一方面，白炽灯的光能转化率低，所耗电能大部分转化为了热能，而且这种热辐射会增加温室的温度，对于给植物补单色光明显不合适[11]。而荧光灯作为灯源，光照效率相对较高，但是荧光灯具有灯丝发光易烧、光衰减等缺点，且不易于智能控制，所以不适合作为一种理想补光灯具[12]。

LED发光效率高，单色性好；绿色环保，对环境无污染；节能省电，相对于高压钠灯节电达到80%以上；灵活性强，因其体积较小，可根据需要进行不同组合，更适合作为光型控制的灯源[13]。目前很多实验都表明红蓝光比的动态可调会对不同植物不同生长阶段的发育情况产生较大影响。虽然在温室大棚中对植物光的控制领域初步实现了自动化，但是在对植物育苗进行精确、定质补光方面明显存在不足。因此，针对各种植物幼苗培育周期、其要求的生长环境（光照）的不同，开发普适大多数作物的基于智慧物联的智慧育苗光照控制系统，使幼苗成活率提高、育苗成本降低是非常必要的。

本文提出了基于智慧物联的智慧育苗光照控制系统，首先通过光照传感等物联技术搭建相关硬件控制系统，实现植物育苗工厂光照等生长环境要素的实时获取；其次采用无线移动网络和有线网络结合的方式，形成苗床控制系统分布式组网方案；最后建立育苗生长要素模型，实现对育苗的光照要素智慧控制。

1、系统设计

1.1 系统组成结构

基于智慧物联的智慧育苗光照控制系统的组成结构如图1所示，本系统主要由云端服务平台、边缘运算网关、灯光控制器及多种现场传感器、红蓝光谱LED灯具构成。

图1 智慧育苗光照控制系统组成结构

云端服务平台可实时对植物工厂的数据进行分析[14]，并结合不同植物生命周期所需要的环境条件，控制执行硬件设备，最终为植物生产创造一个合适条件，提高农作物的产量和品质。

边缘运算网关安装于植物工厂现场，主要负责环境数据的实时采集、过滤、清洗，通过基础运算和一个粗调实时的微动作，同时把采集到的现场数据通过网络传递给云端服务平台并接收云端服务平台的指令进行执行管理[15]。

灯光控制器采用分布式设计理念，所有灯光控制器都可以独立工作，每一个灯光控制器可以管理4路独立、可编程的农业LED灯具通道，每路具有1 024级调节能力。

现场传感器主要包括光照度传感器、二氧化碳传感器、土壤温湿度传感器、光谱传感器、环境光照度传感器、环境温湿度传感器，可实现环境参数的采集。本系统采用恒流红绿可调光谱LED灯具，调光级别设计为1 024级，调节比例更细腻。

1.2 硬件系统

智慧育苗光照控制系统的设计采用物联网分布式架构体系与云数据中心相连，采用RS485工业总线技术接入智能物联网网关，采用4G/5G、以太网等网络通信技术接入云平台，实现按植物育苗时段、按需求对设备进行控制，硬件系统设计如图2所示。

图2 智慧育苗光照控制系统的硬件系统设计

本智能网关主要包括电源输入单元、有线网络Enternet单元、移动无线网络以及定位装置4G/GNSS单元、无线LoRa网络单元、存储器单元、实时时钟单元、继电器输出单元、多路信号输入单元、工业总线Modbus计量电表通信单元、Modbus接口协议传感器采集单元、输出灯光控制单元、灯光回路电流采集单元和主控微处理器单元等。智慧育苗光照控制系统的硬件系统主要分为三个部分，具体如下。

1）中心控制部分：主要产生控制命令，实现对分布式LED终端控制，控制命令可以通过工业遥控器、智能手机等在控制现场实时产生，也可以通过笔记本、计算机等在控制中心产生。

2）网络通信部分：主要进行控制信号的传输，信号传输可以通过4G移动网络实现，也可以通过TCP/IP等有线网络实现。

3）终端控制部分：接收各种通信网络传输的控制信号，并实时快速作用于LED终端，实现对育苗灯等受控终端的准确控制。

基于以上架构的智慧育苗光照控制系统可以灵活、可靠地实现光要素控制：

1）根据受控灯具的环境状况，可以灵活地调整系统结构，增减灯具灵活方便，系统扩展性和灵活性好。

2）通过嵌入式模块与网络相连，实现LED灯具与Internet或无线移动网络的信息交互。

3）将控制系统接入网络，可通过远程控制中心实时控制分布式LED灯具，实现LED的开关控制和亮度调节，也可以把控制信息存储到控制器中，提前设置LED灯的控制命令，实现预先控制，实时采集LED的电参数信息，方便日常维修和诊断。

4）系统采用模块化设计、多种控制结构（集中控制、分散控制、分布式控制等），支持多种控制方式（本地电脑、远程电脑和手机等），用户可以根据具体环境和功能需求选择合适的控制结构和控制方式，可在任意地方实时控制LED灯具。

5）整个LED灯光控制系统融入了边缘计算和人工智能，可以支持数据分析和预测，实现光照条件的自适应控制。

1.3 通信组网方案

智慧育苗光照控制系统采用无线移动网络和有线网络结合的通信方式，苗床控制系统分布式组网方案整体架构如图3所示。采用CAT1移动网络，更适合大范围的控制领域管理和项目实施，不依赖基础预埋网络。育苗场所设备通信以有线网络为主，无线LoRa网络为辅。有线网络采用RS485电气规约的工业总线，其具有标准Modbus协议，且成熟、可靠性高，同时与市面广泛应用的传感器设备兼容。对于难以布线的环境，采用无线LoRa网络实现组网通信，LoRa网络具有抗干扰性强、通信距离远、功耗极低等优点，且可以电池供电，组网方便，具有标准接口协议。

图3 苗床控制系统分布式组网方案整体架构

1.4 植物育苗光型建模和智慧控制

本系统综合考虑植物育苗过程中光照对其生长的影响，建立生长要素模型，准确实现育苗每个阶段的光型要素预测，实现光照的自适应调节[16]。光环境智能调控系统方案如图4所示，灯光控制命令主要分为两种。

1）预先设置命令：可完成LED灯具控制命令的提前设置，预先设置好命令的执行时间，并完成校时，设置时间后，系统会自动执行相应命令。每条预先设置命令分为控制命令、命令执行时间指令和校时指令三个部分。

2）实时控制命令：此命令需要结合边缘计算技术，通过收集相关植物育苗信息以及光照信息，预测每个阶段最适合的光照条件，并自适应控制光照条件，包括开、关、渐亮、渐暗、某个亮度值调节、电参数信息采集、场景效果呈现等，分为单灯控制和集中控制两种形式。通过两种方式结合可以实现高效节能的灯光控制，并促进植物育苗。

图4 光环境智能调控系统方案

在光照系统中，育苗场景是对照度恒定和均一性要求比较高的场合，灯具会因为使用时间的增加或者灰尘附着等原因导致实际亮度比预定亮度低，或者因为某盏灯的故障而导致整体亮度降低。光照自适应控制可以解决上述问题，保证亮度始终在规定的范围内。自适应控制流程如图5所示。

1）初始化：设定灯具的上电亮度、目标区域照度，给每盏灯具编号ID。

2）一次信息共享：在光照系统中，灯具间通过无线组网通信，彼此间可以共享亮度及身份信息。为使自适应控制侧重节能，把节能作为一个控制目标，增加对能耗信息数据的共享。增加照度传感器，共享目标照度和实时照度信息。

3）设定控制目标并计算。控制目标函数为：

式中，P为总灯具能耗；表示当前照度与目标照度存在差距的量化；w为权重比，当w取值较大时，控制目标更加侧重节能，反之侧重光环境的舒适性。

P的计算公式为：

式中，Φi为第i盏灯的光通量。同一种光源，功率越高，光通量越大，因此光通量可以间接反映光源的能源消耗。点光源下，光通量和光强的照度呈线性关系，如公式（3）所示。

gj的计算公式为：

式中，Lcj是第j个照度传感器所在区域的当前照度；Ltj为第j个照度传感器所在区域的目标照度。当Lcj大于Ltj时，且二者差距在50内，认为该区域完成照明任务，对目标函数f的贡献为0。当差距大于等于50时，对f的贡献即为二者差值。当Lcj小于Ltj时，说明当前照度未达到实际的要求，取差值的平方加大对f的贡献。

4）自适应调整灯具亮度。得到f后，要通过改变Lcj值使f尽可能地小。Lcj变化原则公式为：

5）二次信息共享。共享的数据同步骤2。

6）计算目标函数f。比较f与上一次的大小，如果f变小，则更新亮度值Lcj，返回步骤2，否则直接返回步骤2。

图5 自适应控制流程

2、系统功能

2.1 系统多层架构

结合上述调光技术及调光系统结构，基于智慧物联的智慧育苗光照控制系统多层架构[17]如图6所示，包括以下6层。

1）终端层：位于架构的底层，是实现光强、色彩和照明效果的最终承担者，主要为植物补光LED灯[18]。

2）感知层：由多个植物生长环境要素传感器组成，用于感知植物生长过程中的温度变化、湿度变化、实时光照强度等。

3）硬件层：包括各种单片机、服务器、微控制器终端、网关透传模块等传输终端及配套的供电设备。集中控制器主要包括供电单元、核心控制单元、存储单元、人机接口单元、通信单元、开关量控制单元。

4）通信层：通信模块包括以太网通信单元、电力载波通信单元、LoRa通信单元、RS485通信单元以及GPRS（或4G/5G）通信单元，可以通过以太网或者GPRS（或4G/5G）与中央控制器通信，通过电力载波与单灯控制器通信，通过RS485与智能电表通信，筑起上通下达的通信桥梁[19]。

5）控制层：与底层的微处理器不同，此层更加侧重对大量数据、多对象的逻辑分析和处理能力，面向全局的协调、判断和控制。

6）应用层：通过对来自感知层的数据进行加工、挖掘、统计、聚类分析、预测，形成数据决策与分析系统、智能调光系统、育苗环境要素优化系统等高附加值子模块系统。

图6 基于智慧物联的智慧育苗光照控制系统多层架构

2.2 育苗光照控制管理

基于智慧物联的智慧育苗光照控制系统界面如图7所示，可对平台接入的集控器进行集中管控。其主要包括网关、回路开关、回路电流、电表电量、执行场景、采集场景、时控计划、批量组控、干触点和设备日志等功能模块。

1）网关：这里展示选择的集控器详细信息，并提供了集控器设备层控制操作。设备控制大部分为读取跟配置两层，读取即发命令读取设备内存里的参数数据，配置即发命令设置设备相关参数，这里注意同步时钟、服务器地址、节假日等功能的操作。其中，设备本身联网但不会主动同步时钟，一旦出现采集数据偏差或时控偏差的情况，需要手动同步平台时间给设备重置，这一信息体现在“最近同步”上。当平台迁移变更IP地址时，需要提前配置设备侧连接服务器地址，让设备切换到设置的服务器地址重新注册，注意配置完成后要在30 s内手动重启设备，这一信息体现在“服务器地址”这一栏。当节假日数据维护后，在此处同步给设备，同步前一定注意选择对的节假日年份，这一信息体现在“节假日”上。

2）回路开关：用于设备管理的同一回路的所有灯具的开关调光功能，根据接入的灯具控制模块可以按需直接控制（正常由设备执行场景自动控制）。

3）回路电流：设备管理的回路上，灯具实时电流（需要灯具控制模块支持）。

4）电表电量：这里展示设备接入的电表采集的实时电量数据。

5）执行场景：由一组控制逻辑组成的批量控制命令，在平台基础配置位置配置的执行场景，这里可以进行切换场景、执行历史等操作。

6）采集场景：由一组控制逻辑组成的批量采集命令，在平台基础配置位置配置的采集场景，这里可以进行切换场景（正常由时控计划调度控制采集场景采集接入设备的数据）、执行历史等操作。

7）时控计划：由一组控制逻辑组成的批量定时命令，在平台基础配置位置配置的时控计划，这里可以查询当前设备正在执行的时控计划。

8）批量组控：在添加执行场景时可以分配分组，这里可以把关联了当前分组的执行场景批量发送给设备，便于用户快速操作。

9）干触点：负责采集设备的对接，干触点只有吸合与释放两种状态。

10）设备日志：这里点击补全按钮选择补全时间后，平台发送命令给设备，获取设备缓存的运行日志，用于观察设备运行情况。这里最长获取设备最近1 h的日志，由于设备传输的带宽问题，日志补全在后台执行，不会立即获取完全。

图7 基于智慧物联的智慧育苗光照控制系统界面

2.3 系统开发与工程验证

基于智慧物联的智慧育苗光照控制系统运用分布式传感技术对植物育苗厂的光照环境进行智能感知，基于物联网网络并结合云平台与边缘计算研究收集到的光照信息，进行数据处理，获得植物生长环境的最佳光照条件，实现植物育苗智能化管控[20]。

2.3.1 编辑配置

回路配置关联执行硬件，如灯具或继电器等。如图8所示，配置红、蓝、绿灯。

主界面点击基础配置，选择需要配置的设备，选择回路，即可看到以下界面，如图9所示。

通道配置后继续配置执行场景，如图10所示，选择执行场景，单击添加按键。选择需要的通道，例如蓝灯&红灯关闭，则选择前面配置的回路，配置预设值为0，渐变时间（N*20 ms）及通道命令间隔时间（N*20 ms）按照实际需求选择。

执行场景配置后，选择时控计划，单击添加按键。执行场景选择前面配置的场景。如需特定日期启动，需选择月&日，勾选所需。如每日重复进行，全选星期即可。偏移方式可选择绝对时间，即日出日落偏移时间。执行延时单位为100 ms，按需配置；图11为每日10点执行关灯场景的光型时控配置，图12为光照控制实景。

2.3.2 时控计划验证

主界面选择亮化管理，对上述配置进行验证。

选择回路调光按键，如图13所示。单击确定，可通过摄像头观察现场变化情况。

选择执行场景，单击确定执行，即可观察现场是否进行调光，如图14所示。

图8 回路配置

图9 添加回路

图1 0 光控编辑执行场景

图1 1 光型时控配置

图1 2 光照控制实景

图1 3 通道验证

图1 4 执行场景验证

3、结论

智慧育苗光照控制是通过计算机技术、通信技术和微型控制技术等实现对分散的照明设备进行集中管理和智能化的控制。本文提出了较为完整的智慧育苗光照控制系统解决方案，从终端层、感知层、硬件层、通信层、控制层和应用层6个层次分析了智慧育苗光照控制系统的多层架构。在此基础上，研发了一套分布式远程智慧育苗光照控制系统，该系统采用B/S和C/S混合架构，浏览器通过WCF通道与服务器并发通信，服务器通过移动4G/5G网络与微型控制器建立长连接。本文设计的基于智慧物联的育苗人工光型智能控制系统集成了智能照明领域先进的控制策略，包括网关、回路开关、回路电流、电表电量、执行场景、采集场景、时控计划、批量组控、干触点和设备日志等功能模块，该系统实际运行时能够达到高效、稳定、智能、节能等效果。

参考文献:

[1]梁竹君.基于模糊控制的温室大棚光照度测控系统设计[J].南方农机,2020,51(12):146-148.

[2]谭宁宁,蒋蘋,彭永康,等.LED红蓝组合光谱对水培奶油小白菜生长及品质的影响[J].南方农机,2019,50(13):10-11+14.

[3]朱舟,童向亚,郑书河.基于作物光照需求的温室光调控系统[J].农机化研究,2016,38(2):192-196.

[4]于莲花,高清芬.物联网技术在智慧农业中的应用研究[J].南方农机,2020,51(22):54-55.

[5]姜芳,曾碧翼.设施农业物联网技术的应用探讨与发展建议[J].农业网络信息,2013(5):10-12.

[6]何林娉.基于物联网技术的智慧农业发展策略探讨[J].农业与技术,2019,39(12):24-25.

[7]姜晓君,蒋英.不同LED光质对黄瓜叶片叶绿素荧光､光合参数及SPAD值的影响[J].天津农业科学,2019,25(9):7-9.

[8]胡瑾,田威,赵斌,等.基于LED的设施农业智能补光系统[J].农机化研究,2012,34(1):99-103.

[9]陶佰睿,衡文丽.基于单片机的温室大棚LED智能补光系统设计[J].中国农机化学报,2016,37(10):181-184.

[11]颜重光.蓝光“LED白炽灯”的设计思考[C]//上海市照明学会,上海照明电器行业协会.2013上海照明科技及应用趋势论坛论文集.[出版者不详],2013:50-54.

[12]姜凯.基于MERS技术的荧光灯节能技术的研究与开发[D].广州:华南理工大学,2014.

[13]徐文栋,李春兰.密闭式植物工厂内大黄育苗技术研究[J].南方农机,2022,53(12):25-27+31.

[14]吴思佳.基于“智能农业云”项目的智慧农业发展新模式研究[J].南方农机,2023,54(24):116-118.

[15]郭大方,杜岳峰,栗晓宇,等.云-雾-边-端协同的农业装备数字孪生系统研究[J].农业机械学报,2023,54(10):133-141.

[16]王振振.基于无线网络通信技术的植物光照系统的研究[D].武汉:华中科技大学,2020.

[17]余建波,宗卫周,王涛,等.城市智慧照明控制系统研究与实现[J].计算机工程与设计,2018,39(3):836-841.

[18]欧志鹏,李延国,李建军,等.温室植物高效栽培光照控制系统的研究[J].农业与技术,2019,39(14):44-46.

[19]任玲,夏俊,翟旭军,等.基于农业物联网技术的智能温室系统实现[J].南方农机,2022,53(3):5-10.

[20]周红亚,李红丽.基于物联网的智能农业系统设计与实现[J].时代农机,2019,46(8):60+62.

基金资助:上海市“科技创新行动计划”农业领域立项项目(22N21900100);

文章来源:李宁宁,金永均,叶壮,等.基于智慧物联的育苗人工光型智能控制系统研究[J].南方农机,2024,55(17):5-12+19.