多波长多频谱促进植物生长的光源的研究

1、南玄;博国家大学生创新性实验计划项目申请书多波长多频谱促进植物生长的光源的项目名称：研究申请者：郑奎学院：南京农业大学工学院专业：电气工程系指导教师：徐进职称:副教授2009年10月8日南京农业大学教务处制一、简表申请人姓名学号班级年级大三电话E-mail项目名称多波长多频谱促进植物生长的光源的研究项目来源A自立项目，B、教师科研课题的子项目C、其它项目类型A实验研究VB、调查研究C、软件制作经费来源A国家资助VB、学校资助C、导师课题资助经费额度总计24690元指导教师姓名指导教师职称参加人姓名学院班级学号合作者签名申请时问2009年10月8号完成时间2010年12月30日项目光环境是影响植

2、物光合作用最重要的因素，随着科技的进步及农业生产形式的研改变，用人工光源来取代或者补充自然光的不足在植物栽培中变得常见。本系统拟采究用LED产生多波长多频谱的光源来解决因光照不足而导致的植物生长的一系列问内题。米用本系统不仅可以为植物提供合适光环境，提高植物生长的效率，缩短生长容周期；还可以大幅度降低植物栽培系统的能耗,使作物栽培层的间距和空间利用率摘成倍提高,进而促进植物工厂的普及与应用。为响应国家节能政策，创造节约型社会要做出贝献。二、立论依据（包括项目的研究意义、现状分析，并附主要参考文献及出处）项目的研究意义：我国是一个农业大国，农业在我国有着重要的地位。但我国农业的现状在极大程度上依

3、然按传统方式，投入较高，产值较低，这些特征使得农业成为我国国民经济中亟待发展的一环。传统植物设施栽培中使用的光源一般是荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯。这些光源是依据人眼对光的适应性所选择的，其光谱有很多不必要的波长，对植物生长的促进作用少。作为第四代新型照明光源，LED具有节能环保、安全可靠、使用寿命长、响应时间短、体积小、重量轻、发热量少、易于分散或组合控制等许多不同于其他电光源的重要特点。图1反映的是植物生长方式的演变过程。利用科学的多波长多频谱促进植物生长的光源提高农产品的产量是解决农业现状的一个有效途径。光合作用是植物生长、合成有机物的关键环节，如果能有效的提高植物对于光的利用

4、率，有效的增加有机物的合成，则会对改善我国农业发展现状大有裨益。植物生长灯这样不仅可以使植物长期处于一种稳定的生长环境下，不受外界自然气候的影响，植物健康地生长，也为栽培人员带来了极大的方便和利益。植物生长灯通过自身的发光体源源不断地为植物生长提供极高的光通量，该系统的设计是仿日光的光谱与光通量使其性能与日光相仿，这样便防止了在没有普通光照的情况下继续为植物创造出一个和谐的世界。由于以前没有类似的项目，此项目有着更加明显的创新性。该项目弥补了植物在荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯的光照不足。采用LED提供照明，调控光质和PPFD,不仅能够调控组培植物的生长发育和形态建成、缩短培养周期、提

5、高品质，而且能够大大减少能耗，降低成本，使植物生长在最佳生长环境下，提高生长效率。该技术还可推广应用于航天生态生保系统的研究。现状分析：光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，通过光质调节，控制植株形态建成是设施栽培领域的一项重要技术。近十年来，我国设施园艺面积发展迅速，植物生长的光环境控制照明技术已经引起重视。设施园艺照明技术主要应用于两个方面：一、在日照量少或日照时间短的时候作为植物光合作用的补充照明；二、作为植物光周期、光形态建成的诱导照明。图1植物生长方式的演变过程采用LED作为促进植物生长光源在植物组织培养中的应用是基于LED技术的发展和植物组织培养环境调控而发展起来的。

6、世界上最早将LED用于植物栽培的是日本的三菱公司，早在1982年就有关于波长为650nm的红光LED光源用于温室番茄补光的试验报告。后来，LED也被应用于植物组织培养中的环境调控，并对LED在节能方面的作用加以探讨。目前，LED在植物组织培养中的应用主要集中在光质和光强对组培苗生长影响方面，而对光周期等研究较少。就世界范围来说，LED在植物组织培养中的应用研究主要集中在日本和美国。日本的研究处于国际领先地位，不但开发了专门应用于植物组织培养的LED发光系统，而且与其它环境调控因子相结合，取得了一些重要的基础数据。不同物种不同时期生长特性，分析植物对LED光质调控响应机理的研究，因此也未能给出不

7、同植物在不同生育期中最佳LED光谱组成、PPFD及光照周期的可靠参数和系统资料。此外，中国虽然是植物设施栽培面积大国，但在设施栽培领域具有自主知识产权的LED技术产品的研发基本还是空白，急需工程学科和植物学科的研究者共同合作，研制开发出符合中国生产实际的LED植物光源、照明自动控制系统、新型植物生长调控装置和大型植物工厂化育苗设施等。中国一些科研机构也开始了这方面的研究，并自主开发了一些LED光源系统，用于植物组织培养研究工作。特定波长的LED还可影响植物的开花时间、品质和花期持续时间。如某些波长的LED能够提高植物的花芽数和开花数；某些波长的LED能够降低成花反应，调控了花梗长度和花期，有利

8、于切花生产和上市。由此可见通过LED调控可以调控植物的开花和随后的生长。LED在植物设施栽培环境中的大量应用研究结果表明，LED能够解决这些难题，特别适合应用于人工光控制型植物设施栽培环境。该系统在现有的基础上进一步创新改进，促进作物生长。到目前为止，LED已成功用于多种植物的栽培试验，包括：离苣、胡椒、胡瓜、小麦、菠菜、虎头兰、草莓、马铃薯、白鹤芋及藻类等。随着LED研究的不断深入，必将会有越来越多的植物栽培获得成功00：1。主要参考文献：.KimSJ,HahnEJ,HeoJW,etal.EffectsofLEDsonnetphotosyntheticrate,growthandleafst

9、omataofchrysanthemumplantletsinvitroJ.ScientiaHorticulturae,2004,101：143151.王声学，吴广宁，蒋伟，等.LED原理及其口明应用J.灯与口明，2006,30(4):32-35.魏灵玲，杨其长，刘水丽.LED在植物工厂中的研究现状与应用前景J.中国农学通报，2007,23(11):408-411.贺冬仙，杨其长，马承伟，等.植物生产中人工光环境调控C.第五次全国高等学校农业工程类学科专业教学改革暨国际学术研讨会,2002.JordanKA,OnoE,NorikaneJ,etal.ControlofLEDstoachievel

10、ightqualityandintensityintissuecultureandmicro-propagationstudiesJ.Acta-Horticulturae,2001,(562):135140.崔瑾，徐志刚，邸秀茹，等.LED在植物设施栽培中的应用和前景J.农业工程学报，2008,24(8):249-253.王尔镇，周启芳.园艺照明技术的应用与发展J.照明工程学报，1996,7(1):28-35.杨其长，张成波.植物工厂概论M.北京：中国农业科学技术出版社，2005.刘再亮，马承伟，杨其长.设施环境中红光与远红光比值调控的研究进展J.农业工程学报,2004,20(1):270-2

11、73.郭双生，艾为党，赵成坚，等.受控生态生保系统中植物生长光源的选择J.航天医学与医学工程，2003,(16):490-493.三、研究方案.项目研究目标、内容和拟解决的关键问题研究的目标：采用自动控制的方法和理论，以控制器为核心，根据植物的生长规律和对外界光线的检测，该光源系统能自动判断和调整输出光线，以此高效地控制植物的生长全过程，通过调节不同的频谱与波长达到植物最佳生长环境。在控制植物的生长全过程中，能人工设定植物生长的各个阶段所需光源的波长，并能实时显示当前的光照条件，光源波长等信息，达到良好的人机界面，同时追求最佳的电源方案，最大程度上节约电能损耗。研究的内容：a.传感器采集电路设

12、计以及调理电路设计b.液晶显示模块设计c.LED的基本知识以及波长调节技术d.电源电路设计e.了解和掌握植物在各阶段的生长规律f.系统软件的设计与调试g.系统硬件、软件的统调拟解决的关键问题：a.LED驱动电路设计b.传感器的选择以及采集电路设计c.LED的选型d.频谱波长调节方案的设计e.节能方案设计f.提高发光效率以及亮度g.降低成本.拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析研究方法：本光源系统主要根据阳光中有用光线对植物光合作用的规律，以及检测系统检测出来的信息，判断生长环境信息自动控制LED光源产生这些有用光线，可自动调节不同的频谱与波长输出。技术路线、实验方案：(1)主要包括

13、：CPU、控制部分、驱动部分、显示部分、信号采集电路、调理电路等。其主要设计思想是：预先根据植物的生长规律设定最佳生长环境的标准，在对外界光线的检测后，判断与标准差值自动调整输出光线，以此高效地控制植物的生长全过程。整个框架图如下图2所示。(2)软件实现采用行程，主程序流程如图3所示。图2多波长多频谱促进植物生长的光源系统AD转换器初始化LED光源工作传感器开启检测外部光环境单片机初始化显示器初始化AD开始转换检测模拟量母口转换结果与标街寸一比按键设置最佳标港环境显木器显不（包括夕闾环境参数、LED电源参数等）1光源各参光源各参数光源翱数数增加保持减小图3主程序流程图可行性分析a.LED可提供

14、不同波长的单色光，可根据不同的作物提供相应的光谱组合，行光质的研究；LED具有光量可调的特性，可以模拟太阳光强度的变化；发光频率与占空比可调节的特性可以提供高频间歇给光模式。另外，LE*身还具有：(1)使用电源电压低、节能高效；(2)冷光源；(3)可以在极短的时间内发出脉冲光；(4)体积小，稳定性强，响应时间快；(5)对环境无污染；(6)结构紧凑且寿命长。基于以上LED勺优势，用LED这种结构简便、可靠性高的节能光源代替已有的人工光源来进行植物的高效生产，具有广阔的前景和较高的实用价值。由于目前LED的成本较高，在植物栽培领域的推广应用还需要有一个过程。但随着LED向高亮度、低价格的方向飞速发

15、展，LED光源在植物栽培领域的应用逐渐成为可能。b.目前我校有着先进的单片机实验室、数字、模拟电子实验室等可以为我们提供良好的实验条件。并且有着一支高素质的教师队伍可以为我们提供指导。c.我们的团队是一支团结的、创新的队伍。我们有着不怕吃苦，勇于挑战的精神。这次，我们三人都参加了全国电子设计大赛，无论在理论上还是动手能力上，都有翻天覆地的变化，还深刻地了解到自己的不足之处，知道自己以后的学习的方向。.本项目的创新之处1)提高LED灯的光效，使其能耗更低，光电转换效率更高。2)确定最佳红蓝光配比。3)增加紫外线了LED的比例，紫外线能起到消毒杀菌的效果，使植物生长得更加健壮叫4)LED灯实现脉冲

16、发光以减少能耗、节约能源。5)采用各种LED辐射的多种光质，针对于各种农作物，进行生长发育的调控，实现了增加所需农产品的营养成分、缩短生产周期的目的。.项目研究计划及预期进展2009年10月8日：提交申请材料。2009年10月一2009年11月：前期调研准备工作，学习相应的知识。完成系统初步方案设计。分析项目要求，根据题目要求初步判断所需学哪些知识，在这阶段好好学习。2009年11月一2010年1月：完成系统方案设计细节化及方案的选择。查阅相关的资料，完成电源电路、LED驱动电路、传感器采集电路、调理电路等的方案选择，并对这些电路进行仿真。2010年1月一2010年4月：设计完成硬件部分并反复

17、进行调试。将软件仿真成功的电路制成PCB板，用相关实验设备进行测试。2010年4月一2010年7月：设计完成软件部分，并反复进行调试。2010年7月一2010年10月：软硬件统调，修改设计方案，并形成原理样机和论文写作。.预期研究成果1）能显示作物各个阶段生长的时间。2）能输出不同比例的红蓝光。3）能自动调节光的强度和波长。4）在核心期干J上发表1-2篇论文。5）通过最终项目验收。四、研究基础.与本项目有关的研究工作积累和已有的研究工作成绩项目成员现为工学院电气系三年级学生。通过暑假为期两个月的培训，无论在理论上还是动手能力上，我们都有了翻天覆地的变化。对数模电掌握的更加牢固，对单片机有了更深

18、入的认识。在这一学期学习过程中，更加加深了暑假一些知识点的学习。最为重要的是：我们对所学专业有着浓厚的兴趣，渴望自己能有动手的机会。同时各成员具有较强的自学能力和一定的创新意识及团结协作精神。我们坚信：只要我们努力不放弃，没有什么事情是完成不了的。李云霞：学习能力强，成绩优秀，思维比较活跃；对C语言有较深刻的了解，对电子技术有着浓厚的兴趣，对数模电掌握比较牢固。熟悉一些仿真软件的操作，如：Protel、Multilism、Proteus等，以及熟知Smartdraw的操作。姜旭慧：对电子科学技术有浓厚的兴趣，自学能力强，成绩优秀；动手能力强，创新意识好，熟悉计算机操作，对计算机语言也有较深刻的

19、认识。会画PCB图，能较好地使用各种仿真软件，对编程有着浓厚的兴趣。郑奎：创新意识强，动手能力好，对编程有着浓厚的兴趣和爱好，能熟练地运用各种仿真软件，在电路设计方面有较多的经验。在此次全国电子设计大赛中，其领导的团队荣获江苏省二等奖。.已具备的条件、尚缺少的条件和拟解决的途径（包括利用教学实验室、科，实验室和实习基地等的计划与落实情况）本项目组成员具有一定的制作相关电子设备系统的实践经验，掌握了一定的电子技术和软件知识；同时具有对相应的系教学实验室调试仪器设备（示波器，信号发生器万用表，电路实验箱）的调试能力。而且参与者都学过C语言，对微处理器和单片机有深刻的认识，而且都有电脑和相关软件以协助设计。尚缺少制作所需工具和器件，还有资金购买一部分工具和器件