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摘要：随着时代的发展，人们对食物的安全以及营养问题越来越重视，尤其是一些地方，因没有土地耕种条件或土地污染严重导致人们无法吃到新鲜安全的蔬菜，为解决上述问题，“LED绿色新光源植物生长柜”应运而生，因温度对植物有非常大的影响，长期以来人们一直将柜内温度控制作为最主要的控制参数之一。本研究设计了1种具有二维控温功能的控温装置。验证试验结果表明，与装有市场上购买的温控装置的LED绿色新光源植物生长柜相比，装有二维控温功能的控温装置的LED绿色新光源植物生长柜更有利于油菜的生长发育。
关键词：环境温度；控制装置；二维控温
中图分类号： S24文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0365-03
收稿日期：2014-03-03
基金项目：国家自然科学基金（编号：61178048、61275169、61178081）；国家社会科学基金（编号：BFA110049）；天津职业技术师范大学基金（编号：KJY11-10、KYQD13022）。
作者简介：吴兴利（1960—），男，天津人，高级工程师，主要从事机械制造及其自动化研究。E-mail：wxl600724@163.com。
通信作者：梁帆，博士，讲师。E-mail：bachelormd10@163.com。 为了我国农业的可持续发展、为了满足人们对食品数量和质量的需求，高产、优质、低耗、高效的现代化农业的发展已经突显得格外重要。随着社会经济的发展和生活质量的提高，人们对“安全饮食”“健康饮食”问题日益关注，保证日常人们能吃到健康、优质、新鲜的蔬菜越来越成为一种社会需求，特别是礁石岛屿、高寒高海拔哨所和潜艇士兵，常年吃不到新鲜的蔬菜，在此背景下“LED智能植物生长柜”应运而生。智能植物生长柜根据植物生长发育的需要，通过传感器技术、嵌入式技术等控制各种环境参数（如柜内的温度、湿度、光照度等）使植物在外界不适宜生长的情况下，人为创造适应其生长的环境，达到早熟、优质、高产的目的。在众多环境参数中，温度这一参数显得格外重要，因为温度影响着植物生长发育中一系列暗反应，而暗反应则是一系列酶促反应过程[1]，这一系列酶促反应直接影响着植物的光合作用和呼吸作用[2]，如若控制不善使温度过高或过低，会导致植物产生冷害、冻害、高温危害，这些危害会导致叶片细胞间隙结冰[3]或二氧化碳吸收受阻[4]从而影响到植物进行光合作用，甚至导致其死亡。
温控系统在我们的生活中也得到了广泛的应用，例如冰箱使用的氨吸收方式制冷[5]，空调多采用溴化锂吸收式制冷机[6]，等。虽然温控系统在植物生长柜中的应用起步较晚但也有了很大的发展，例如日本生产的植物生长箱温度可按昼夜规律逐时变化[7]，加拿大生产的植物生长箱可实现数月甚至数年的自动控制[8]。而我国在温度控制方面还处于初级阶段，鉴于此，本试验设计一种精确控温系统，用于LED绿色新光源植物生长柜。
1材料与方法
智能植物生长柜中温度控制装置的工作环境与培养室内的空调系统工作环境完全不同，因为箱体保温层相对于室内种植的墙体保温层单薄，箱体本身结构紧凑无法装载较大的调控能力较强的温控设备，导致柜内工作温度对柜体内外的温差十分敏感，此外，不同的植物对于温度的要求也各不相同，所以能否根据不同植物的生长要求对温度控制装置进行设定，并且能保证很高的温控精度要求就成了设计温度控制装置的重中之重。本温控系统在保留现有温控装置优点的前提下采用二维控温法。
1.1温度控制系统硬件结构
智能植物生长柜温度控系统使用多个远红外碳纤维加热管、轴流风机和一台三洋冷藏展示柜自带制冷装置，对植物生长柜内部进行加热制冷操作，并通过温度传感器，对柜体内温度进行实时监测并将数据传输到显示屏上，以便操作人员及时掌握柜体内温度变化（图1）。
本系统结构包括控制器、温度检测模块、加热装置、制冷装置、触摸屏，其中控制器采用低功耗微控制器Atmega16单片机，温度检测模块采用华控兴业生产的CO2-T100 温湿度CO2一体变送器，加热装置采用奥世朗品牌的远红外碳纤维加热管，制冷装置采用三洋两门封闭式冷藏展示柜SRM-CD471自带制冷装置，此控制系统可在保证温度恒定的前提下根据不同植物，对温度进行二阶控温，并保证系统运行稳定，柜体内部温度均匀，升、降温迅速、准确，且不受柜体外部温度干扰。本控制系统见图2。
1.2温控制装置软件设计
1.2.1传感器数据处理软件中采用中值滤波算法对传感器进行数据处理，中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术，中值滤波的基本原理是将数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，从而消除孤立的噪声点。因在此控制系统中温控波形为一条围绕中轴上下波动的波形，所以中值滤波算法完全适合用于此系统设计，中值滤波输出公式：g（x，y）=med{f（x-k，y-l），（k，l∈W），其中，f（x，y）、g（x，y）分别为原始值和处理后值。
1.2.2系统控制算法控制是系统的核心，在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确地描述系统的动态模型，于是人们便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。因此本系统以模糊数学来处理这些控制问题[9-10]。软件中采用模糊控制，模糊控制就是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。本系统中，将最理想温度值设为t0，测量值记作t（K），误差作为模糊控制的输入变量，则（K）= t0- t（K），u变量为控制变量。
描述输入、输出变量的语言值的模糊子集为{NB，NS，O，PS，PB}，其中NB=负大，NS=负小，O=零，PS=正小，PB=正大。 1.3试验方法
以油菜为实验对象，因为油菜苗期时间长，占总生育期的1/3～1/2，不易培养，且对环境温度变化较为敏感，有一定代表性，品种为先优7号，以此观察环境温度对油菜生长的影响。
根据植物生长与温度的特殊关系，我们对温度的控制采用独创的二维控温法，即温度按照昼夜规律逐时变化的同时还根据植物生育阶段的不同逐期变化，我们根据油菜在不同生长阶段对环境温度的要求设定温度，如表2和图5所示。
使用A、B 2台LED智能植物生长柜作对比试验，A柜搭载具有二维控温功能的温控装置，B柜使用市场上购买的温控装置。其他参数设置：光照度0～3 000 lx、湿度（65±2）%、二氧化碳浓度700～1 000 μmol/L、根部温度15～23 ℃等2柜均相同。将油菜幼苗从育苗室中取出， 放入水槽上面表2二维温控时间表
时间温度（℃）发芽出苗期苗期蕾薹期开花期角果发育成熟期06：00—17：0018～22 14～18 15～20 12～14 16～18 17：00—21：0024～2618～20 22～25 14～18 18～22 21：00—06：0010～18 10～14 6～10 10～12 14～16
的定植板中，水槽中加入营养液进行水培，试验周期为30 d。
2结果与分析
经过为期30 d的对比试验，在A柜生长的油菜在植株高度、叶片长度、叶片宽度、叶片氮素含量、叶片叶绿素含量以及叶片叶面温度几个参数方面均高于B柜中生长的油菜（表3、图6）。
表3不同LED智能植物生长柜中油菜生长参数
7
3讨论
温度对植物生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，由于参与代谢活动的酶的活性在不同温度下有不同的表现，所以温度对植物生长的影响也具有最低、最适和最高温度三基点[9]。植物只能在最低温度与最高温度范围内生长。植物生长的最适温度，就是指植物生长最快的温度，但这并不是植物生长最健壮的温度。因为在最适温度下，植物体内的有机物消耗过多，植株反而长得细长柔弱。因此在生产实践上培育健壮植株，常常要求温度低于最适温度。由于不同的植物生长的温度三基点不同，即便是同一种植物因品种差异温度三基点也略有不同，所以温度控制装置是否能稳定生长柜内温度就显得十分重要。
本试验设计的具有二维控温功能的温控系统在保留原有温控装置优点的基础上进一步提高了其稳定性、灵敏度和可操作性，根据植物生长的不同阶段提供其最适合生长的环境温度。通过验证，装有本温控系统的LED智能植物生长柜有利于油菜的生长发育。参考文献：
[1]张其德. 温度对植物光合作用的影响[J]. 植物杂志，1989（3）：28-30.
[2]张广会. 基于模糊控制的中央空调节能群控系统研发[D]. 广州：华南理工大学，2012.
[3]张俊. 温度对油菜生长的影响[J]. 安徽农学通报，2009，15（10）：138，146.
[4]吴韶辉，蔡妙珍，石学根. 高温对植物叶片光合作用的抑制机理[J]. 现代农业科技，2010（15）：16-18.
[5]杨思文. 氨水吸收式制冷机的基础理论与设计[J]. 流体机械，1990（10）：59-60.
[6]戴永庆. 溴化锂吸收式制冷技术及应用[M]. 北京：机械工业出版社，1996.
[7]陈春，何国庚，郑贤德，等. 日光型植物生长环境试验箱制冷系统工作稳定性分析研究[J]. 制冷学报，1996（4）：26-30.
[8]欧进萍，张吉礼. 作用模糊子集推理方法的研究与应用[J]. 模糊系统与数学，2000，14（3）：58-65.
[9]张慧，乌兰巴干. 生态环境对植物生长的影响及其环境的监测[J]. 农村牧区机械化，2011（4）：47-48.
[10]韩庆文，尚淑敏，朱颖合. 基于模糊控制的认知无线电路由选择策略[J]. 计算机应用研究，2011，28（1）：262-264.柏建彩，丁启朔，陈青春，等. 农田原状土壤压实测试系统的设计及操作方法[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：368-370.
关键词：环境温度；控制装置；二维控温
中图分类号： S24文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0365-03
收稿日期：2014-03-03
基金项目：国家自然科学基金（编号：61178048、61275169、61178081）；国家社会科学基金（编号：BFA110049）；天津职业技术师范大学基金（编号：KJY11-10、KYQD13022）。
作者简介：吴兴利（1960—），男，天津人，高级工程师，主要从事机械制造及其自动化研究。E-mail：wxl600724@163.com。
通信作者：梁帆，博士，讲师。E-mail：bachelormd10@163.com。 为了我国农业的可持续发展、为了满足人们对食品数量和质量的需求，高产、优质、低耗、高效的现代化农业的发展已经突显得格外重要。随着社会经济的发展和生活质量的提高，人们对“安全饮食”“健康饮食”问题日益关注，保证日常人们能吃到健康、优质、新鲜的蔬菜越来越成为一种社会需求，特别是礁石岛屿、高寒高海拔哨所和潜艇士兵，常年吃不到新鲜的蔬菜，在此背景下“LED智能植物生长柜”应运而生。智能植物生长柜根据植物生长发育的需要，通过传感器技术、嵌入式技术等控制各种环境参数（如柜内的温度、湿度、光照度等）使植物在外界不适宜生长的情况下，人为创造适应其生长的环境，达到早熟、优质、高产的目的。在众多环境参数中，温度这一参数显得格外重要，因为温度影响着植物生长发育中一系列暗反应，而暗反应则是一系列酶促反应过程[1]，这一系列酶促反应直接影响着植物的光合作用和呼吸作用[2]，如若控制不善使温度过高或过低，会导致植物产生冷害、冻害、高温危害，这些危害会导致叶片细胞间隙结冰[3]或二氧化碳吸收受阻[4]从而影响到植物进行光合作用，甚至导致其死亡。
温控系统在我们的生活中也得到了广泛的应用，例如冰箱使用的氨吸收方式制冷[5]，空调多采用溴化锂吸收式制冷机[6]，等。虽然温控系统在植物生长柜中的应用起步较晚但也有了很大的发展，例如日本生产的植物生长箱温度可按昼夜规律逐时变化[7]，加拿大生产的植物生长箱可实现数月甚至数年的自动控制[8]。而我国在温度控制方面还处于初级阶段，鉴于此，本试验设计一种精确控温系统，用于LED绿色新光源植物生长柜。
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智能植物生长柜温度控系统使用多个远红外碳纤维加热管、轴流风机和一台三洋冷藏展示柜自带制冷装置，对植物生长柜内部进行加热制冷操作，并通过温度传感器，对柜体内温度进行实时监测并将数据传输到显示屏上，以便操作人员及时掌握柜体内温度变化（图1）。
本系统结构包括控制器、温度检测模块、加热装置、制冷装置、触摸屏，其中控制器采用低功耗微控制器Atmega16单片机，温度检测模块采用华控兴业生产的CO2-T100 温湿度CO2一体变送器，加热装置采用奥世朗品牌的远红外碳纤维加热管，制冷装置采用三洋两门封闭式冷藏展示柜SRM-CD471自带制冷装置，此控制系统可在保证温度恒定的前提下根据不同植物，对温度进行二阶控温，并保证系统运行稳定，柜体内部温度均匀，升、降温迅速、准确，且不受柜体外部温度干扰。本控制系统见图2。
1.2温控制装置软件设计
1.2.1传感器数据处理软件中采用中值滤波算法对传感器进行数据处理，中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术，中值滤波的基本原理是将数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，从而消除孤立的噪声点。因在此控制系统中温控波形为一条围绕中轴上下波动的波形，所以中值滤波算法完全适合用于此系统设计，中值滤波输出公式：g（x，y）=med{f（x-k，y-l），（k，l∈W），其中，f（x，y）、g（x，y）分别为原始值和处理后值。
1.2.2系统控制算法控制是系统的核心，在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确地描述系统的动态模型，于是人们便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。因此本系统以模糊数学来处理这些控制问题[9-10]。软件中采用模糊控制，模糊控制就是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。本系统中，将最理想温度值设为t0，测量值记作t（K），误差作为模糊控制的输入变量，则（K）= t0- t（K），u变量为控制变量。
描述输入、输出变量的语言值的模糊子集为{NB，NS，O，PS，PB}，其中NB=负大，NS=负小，O=零，PS=正小，PB=正大。 1.3试验方法
以油菜为实验对象，因为油菜苗期时间长，占总生育期的1/3～1/2，不易培养，且对环境温度变化较为敏感，有一定代表性，品种为先优7号，以此观察环境温度对油菜生长的影响。
根据植物生长与温度的特殊关系，我们对温度的控制采用独创的二维控温法，即温度按照昼夜规律逐时变化的同时还根据植物生育阶段的不同逐期变化，我们根据油菜在不同生长阶段对环境温度的要求设定温度，如表2和图5所示。
使用A、B 2台LED智能植物生长柜作对比试验，A柜搭载具有二维控温功能的温控装置，B柜使用市场上购买的温控装置。其他参数设置：光照度0～3 000 lx、湿度（65±2）%、二氧化碳浓度700～1 000 μmol/L、根部温度15～23 ℃等2柜均相同。将油菜幼苗从育苗室中取出， 放入水槽上面表2二维温控时间表
时间温度（℃）发芽出苗期苗期蕾薹期开花期角果发育成熟期06：00—17：0018～22 14～18 15～20 12～14 16～18 17：00—21：0024～2618～20 22～25 14～18 18～22 21：00—06：0010～18 10～14 6～10 10～12 14～16
的定植板中，水槽中加入营养液进行水培，试验周期为30 d。
2结果与分析
经过为期30 d的对比试验，在A柜生长的油菜在植株高度、叶片长度、叶片宽度、叶片氮素含量、叶片叶绿素含量以及叶片叶面温度几个参数方面均高于B柜中生长的油菜（表3、图6）。
表3不同LED智能植物生长柜中油菜生长参数
7
3讨论
温度对植物生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，由于参与代谢活动的酶的活性在不同温度下有不同的表现，所以温度对植物生长的影响也具有最低、最适和最高温度三基点[9]。植物只能在最低温度与最高温度范围内生长。植物生长的最适温度，就是指植物生长最快的温度，但这并不是植物生长最健壮的温度。因为在最适温度下，植物体内的有机物消耗过多，植株反而长得细长柔弱。因此在生产实践上培育健壮植株，常常要求温度低于最适温度。由于不同的植物生长的温度三基点不同，即便是同一种植物因品种差异温度三基点也略有不同，所以温度控制装置是否能稳定生长柜内温度就显得十分重要。
本试验设计的具有二维控温功能的温控系统在保留原有温控装置优点的基础上进一步提高了其稳定性、灵敏度和可操作性，根据植物生长的不同阶段提供其最适合生长的环境温度。通过验证，装有本温控系统的LED智能植物生长柜有利于油菜的生长发育。参考文献：
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[10]韩庆文，尚淑敏，朱颖合. 基于模糊控制的认知无线电路由选择策略[J]. 计算机应用研究，2011，28（1）：262-264.柏建彩，丁启朔，陈青春，等. 农田原状土壤压实测试系统的设计及操作方法[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：368-370.