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摘要:光是植物进行光合作用的主要能量，光照好坏直接影响作物的产量和品质。本研究针对现有植物补光系统多以功能叶光合能力为基准进行冠层补光，导致冠层新生叶光抑制、株间功能叶位补光不足以及补光位置不能适应作物生长进行动态调整的问题，以黄瓜为研究对象，设计了一种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。该系统由智能控制子系统、冠层-株间LED补光子系统、冠层-株间环境监测子系统和补光灯升降子系统组成，通过ZigBee技术实现各子系统间无线通信。其中冠层-株间环境监测子系统分别获取冠层和株间环境信息并发送至智能控制子系统，智能控制子系统根据环境实时信息调用冠层调控模型和株间适宜叶位调控模型获得相应调控目标值，并将其下发至冠层-株间补光灯，实现冠层与株间补光灯的动态实时调控。在陕西省泾阳县蔬菜产业综合服务区蔬菜基地分别部署立体补光设备和传统冠层补光设备，并进行系统调控效果验证试验。结果表明，立体补光区黄瓜植株的株高和茎粗显著增长，其中相比传统冠层补光区平均株高、茎粗分别增长了8.03%和7.24%，相比自然处理区平均株高、茎粗分别增长了26.51%和36.03%；在一个月的采摘期内，立体补光区相比传统冠层补光区和自然处理区产量分别提升了0.28和1.39kg/m2，经济效益分别增加了2.82和4.88CNY/m2，说明立体光环境调控系统能够提高经济效益，具有应用推广价值。关键词:设施光环境；ZigBee；黄瓜叶位；立体补光；智能调控；PWM:S123文献标志码:A:202005-SA007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.Citation:ZHANGZhongxiong,LIBin,FENGPan,ZHANGPan,LAIHaibin,HU激n,ZHANGHaihui.Stereoscopiclightenvironmentintelligentcontrolsystembasedoncharacteristicdifferencesoffacilitycucumberplantslightrequirements[J].SmartAgriculture,2020,2(2):94-104.1引言光照是植物进行光合作用的首要条件，直接影响作物的产量和品质[1-3]。设施栽培受温室结构、薄膜覆盖、雾霾及雨雪天气等因素影响，设施内自然光投透射率仅为外界环境的30%~60%，造成作物光合能力受限，不能满足生长发育需求，进而影响产量和品质[4-6]，因此，借助人工补光技术是实现设施农业增产提质的重要保障措施。近年来，科研团队在设施光环境智能调控方面已开展了部分研究[7-10]。Pinho等[11]研究发现动态调整光强度不仅可以促进生菜鲜重增加，还可以降低能耗，进而设计了一种适用于植物工厂的动态补光控制系统。刘晓英等[12]开发了一种光参数柔性可调的发光二极管（Light-EmittingDiode，LED）光源系统，为探究光质、光强度、光周期对设施作物生长相互影响规律提供了一种灵活的光参数配比系统。上述两种光调控系统用于植物工厂中叶菜类的种植，其环境因素相对稳定可控，调控策略相对简单。而温室中藤蔓类作物的光环境调控系统较为复杂，不仅要考虑环境动态变化，如光照、温度、二氧化碳等对光调控系统的影响，还需考虑作物不同生长阶段的需光差异性。为此，胡瑾等[13]设计了基于无线传感器网络的光环境调控系统，该系统利用自然光中太阳高度角与红蓝光比例关系，可根据作物实际需光量进行精准定量补光，具有部署灵活、易扩展、低能耗等优势[14]。苏战战等[15]为满足温室番茄光环境的自适应调控，设计了一种基于随机森林-萤火虫群优化算法（RadomForest-GlowwormSwarmOptimization，RF-GSO）模型的温室番茄自适应调光系统。还有一些学者尝试改变补光的方式来提高作物的光合速率[16-18]，并取得了一定的成效。但现有的设施光环境调控方式多采用冠层定量补光方式，未考虑植物冠层新生叶结构发育不健全导致光抑制或光破坏现象[19,20]和株间功能叶片相互遮挡导致光照不足未能达到按需补光需求。研究表明植物不同叶位光合能力存在明显差异[21-24]，因此针对作物不同叶位进行按需补光对提升整株光合能力和促进植株物质积累具有重要的意义。针对上述问题，本研究以黄瓜不同叶位需光差异性为理论依据[25]...