深圳市节能与资源综合利用专家联合会  孙长富  曹培俊

旭宇光电（深圳）股份有限公司  曹小兵

关键词：LED  植物光照  紫外  激光  病虫防治

　　近年来发展较快的农业植物工厂，采用传感器、智能技术和管理平台实现对植物生育的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度及营养液等环境条件进行控制，来实现农作物连续高效生产，使植物培育不受自然条件的制约。相关研究表明，植物在生长过程中由于光照及土壤等原因会出现各种病虫危害，例如雨水过多导致空气过于潮湿，植物将出现常见的白粉病等，初期主要体现在发芽叶子上有很多小白点，如果不及时处理，将会出现枝叶传染，严重时出现大面积枝叶没有充足养分而枯萎。因此，针对防治病虫害在植物工厂智能管控中的优化，已引起相关研究人员的关注^[1]。我国作为农业大国，为了防治农作物病虫害，保障国家粮食安全和农产品质量安全，保护生态环境，促进农业可持续发展，2020年3月26日，国务院发布《农作物病虫害防治条例》，鼓励及支持科研单位、相关院校和个人研究及推广绿色防控技术，推动专业化病虫害防治应用绿色防控技术^[2]。本文从光照等物理技术及信息系统应用角度，就植物工厂病虫害防治方法提出一些思路。

1.1  整体思路

　　植物典型病变如图1所示，白绢病在发病初期会在植物根部以及颈部出现白色丝状病菌，最先受到侵害的是植物的根部，并逐步导致整株植物因没有充足的养分而衰亡。通过人工去发现及防治相对来说会耗时耗力，有必要在智能植物光照系统增加具有防治病虫害的功能，实现对植物生长过程进行监控、预防及治疗的智能化系统管理。

　　典型植物工厂适合根叶茎菜、辛辣类蔬菜、草莓、药用植物和香料等低矮植物种类的高效生产，为了加强植物光照与病虫害防治技术的结合应用，应针对植物工厂病虫害防治进行综合评估与研究^[3]。植物工厂系统利用摄像头从不同角度拍摄种植物的根、叶和枝干的生长状况，并将植物所处生长阶段的状态与数据库的正常植物进行比对，当判断植物生长图像中植物的某个部位有病害或者虫害时，根据被检测区域内的植物生长图像确定植物的生长异常类型，确定植物生长变异及是否存在病虫害类型等情况，控制程序指令目标LED光源工作解决植物在生长过程中所产生的生长异常现象。智能预警系统对植物种植全生命周期进行智能化管理，收集信息建立虫害监控模型，将过程积累的经验转化为根据种植物的规划进行区域划分及系统管理。

图1  植物种植典型病变

1.2  技术关键点

　　在农业植物种植的工业化过程中，植物工厂的光、温、水、气和肥等是不可或缺的，在阳光不充足的情况下补光是必然的，植物灯光谱技术在不断的发展中，通过评估样本数据的不断积累，最终形成完整的种植专业数据，对科研与生产起到可持续的推动作用^[4]。植物工厂大面积种植过程中对于病虫害的早期发现尤为重要，通常植物发病初期只是具有褐色小圆点的溃疡病，另外如金龟子、地蚕会伤害植物的叶或根部，虫害也对植物生长产生重要影响^[3]。本次重点研究针对农业光照过程对病虫害防治，系统根据植物种类及生长周期内在不影响植物生长的前提下精准防治病虫害，快速高效地发现病虫害的起源及实施杀灭，系统在检测到生长异常类型为植物病变时，确定图像中植物害虫信息后，根据该害虫信息确定难易调节深紫外LED定向进行消杀，无需人工参与实施预防，通过智能控制系统的应用，丰富了LED在植物种植方面的使用范围，具有智能、高效和无需过多人工干预等优点。

1.3  实施方案

　　植物光照与智能防治病虫系统如图2所示，由LED光源、传感器、采集器、系统电源、摄像机和轨道等部件组成。工厂顶架安装布置植物光照所需的全光谱LED灯，防治病虫需要的深紫外LED，以及导轨安装具有360°旋转功能的摄像机，并根据需要拍摄种植植物的图片，通过对植物的观察与数据库中预先存储的各种病虫害症状的图片进行比对来判断植物的生长情况。当发现植物病害及需要切割病害叶子时，系统启动超声波传感器进行测距，检测出激光LED与叶子的距离，调整激光LED的角度、发光强度和频率等参数，确保在切割时对植物产生最小的伤害，尤其是不能影响到植物的正常无病虫害的其他部位。如确定在叶子上长有病菌时，需要根据采集的图像来判断先启动深紫外LED对染上病菌的叶子进行杀菌处理，或启动激光LED切割叶子脱离植物枝干。系统在保证植物正常生长周期的情况下，间隔一定时间发出特定波长的光进行病虫害防治。针对棉铃虫、金龟子、盲蝽和二点委夜蛾等重要害虫的趋光习性、对不同光波的行为反应以及利用杀虫灯监测与防治害虫。

图2  植物种植车间的光照与智能防治病虫系统

　　具有一定规模的植物工厂都会引进智能管理系统，对农作物生长所用的光、温、水、气和肥等进行智能化系统管理，针对植物病害的防治有待形成一套完善的管控体系^[5]。通过在现有植物光照系统中应用全光谱LED，并加入激光LED和可调节的260～285nm深紫外LED光源，将植物工厂内种植物划分成多个光照监控区域，每个区域根据植物分布情况适配安装高清摄像头分别从不同角度采集相关信息，对监测范围内的植物生长情况进行预定周期地监视。

　　以种植花草为例，在一个光照监控区域有多个摄像从不同角度检测植物叶子的生长情况，通过对系统的调教确保摄像采集图像和数据库预先存储图片进行比对，准确地识别出花草叶子是否有白粉病和溃疡病等病症，由于白粉病可能会蔓延到其他叶子，当识别出是白粉病时，则需要启动激光LED模组对准患白粉病的叶子进行切割。切割前需要确定叶子的切割范围以及切割后具有白粉病的叶子的处理，同时获得叶子所在植物的当前生长阶段等信息，对于发芽、开花或生长等不同生长阶段在切割时精准定位，如在发芽后不久，叶子处于比较嫩，而且根也不够强壮的阶段，进行切割需注意激光不能伤到根和枝干，因此需要调整激光LED的光线发射强度和角度。

1.4  智能控制

　　智能控制系统通过对光环境调控促进植物生长发育来提高植物生产力，同时嵌入病虫情况信息采集分析模块单元，其存储器存储了相关植物异常类型的数据及相应检测模型，包括生长异常、植物病变、虫害、光照不足及缺少生长元素等类型的识别，根据植物生长图像中的目标植物存在预设生长异常类型的概率比对。异常类型检测模型是基于预设样本库数据对预先构建的深度学习模型进行训练得到，其中预设样本集中的每条样本数据均包括样本植物生长图像和样本植物生长图像对应的生长异常类型概率矩阵，生长异常类型概率矩阵中的每个元素的值用于表示样本植物生长图像中的目标植物存在该元素对应的预设生长异常类型的概率。植物工厂的智能控制系统根据实时数据库的比对，当比对到异常类型概率矩阵中的每个元素的值均小于或等于该元素对应的预设概率阈值，系统确定植物生长图像中的植物不存在任何生长异常类型，当超过预设概率阈值时管理模块立即向系统报警，系统根据收集的信息进行研判后发出处理指令进行处置。

　　随着人们生活质量要求不断提高，加之全球土地应用日益紧张，植物工厂在世界各地得到大量的推广与应用，也为半导体和智能控制技术在照明细分领域的应用提供了市场，让更多传统照明企业切入到植物光照领域。国家出台更多鼓励和支持开展农作物病虫害防治科技创新、成果转化和推广应用的相关政策，让植物工厂推广智能控制技术及病虫害防治不断完善及更专业化。通过把栽培基质调配和优质遗传学导入研究范畴，把经费花在提升种植管理整体效果上，在植物工厂现有植物光照系统基础上，增强智能防治病虫害系统技术的应用，在实现农业智能化和智慧化进程中起到引领作用，助力现代化种植业迎来又一波增长。

参考文献：

[1]蒋三登.植物有害生物科学防控迎来“顶层设计”[N].中国花卉报,2020-06-04(W01).

[2]魏松红,姚平,刘永海,等.工厂化蔬菜生产中主要病害的发生规律及生态防治研究[J].沈阳农业大学学报,2002(3):182

[3]图雅.植物保护与病虫害综合防治技术[J].山西农经，2020(23):73-74.

[4]陈永快,王涛,兰婕,等.植物工厂内LED光调控在作物栽培中的研究进展[J].江苏农业科学,2020,48(23):40-46.

[5]曹小兵.基于Wi-Fi+ZigBee智能控制在农业照明的应用研究[J].中国照明电器，2015(8):22-25.