植物水生诱导计算机系统.docx

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植物水生诱导计算机系统

植物水生诱导计算机系统

（一）、植物水生诱导计算机系统概述

植物水生诱导计算机系统是实现不定根发育通气组织形成，植物生长所涉环境因子的人工模拟创造，是成功诱导与培育的关键，也是植物生态适应性在人工环境下快速形成的前提与关键，离开了环境的模拟创造就不能让植物表达出与生产目的相关的各种基因。

所以技术的核心部份也就是环境控制技术的核心，包括厌氧环境的梯度控制，营养的渐进式递增，生长环境的优化等。

整个系统所涉的区域、功能、用途各异，为了科学地实现多因子多区域多功能的合理控制，除了基于科学的专家系统以外，硬件设计，模块区化还是极为重要的。

当前用于植物水生诱导的计算机大多是基于集散控制模式、功能化模块、区域化结合的一种新型的集成系统。

现就不同区域或功能模块进行区划，让大家对其有更为详尽的了解。

按区域分：

可分为1—N个不同分区，每一分区配制一个分控器，执行该区域的相关环境控制。

按用途分：

用于催根的植物非试管快繁计算机，主要为催根模拟创造最佳的环境条件；用于诱导通气组织的诱导计算机，主要为诱导过程创造适宜的胁迫环境与生长环境。

按功能模块分：

以智能叶片进行信号采集的微环境控制模块、以气候箱或气候棒为采集信号进行控制的生长环境优化模块；以水环境溶氧等为主要采集信号的厌氧诱导模块；以养液温度及EC、PH值为主要采集信号的养液调控模块。

以上四种功能模块组成了一个完整的植物水生诱导计算机系统。

但在生产中，往往是三者结合，才能完成多区域多因子多功能的控制，才能把植物诱导与生长过程相关的环境因子得以全面的模拟创造，才能让植物生长于相对人工化的智能环境中，才能实现生产流程化工厂化标准化，最终实现水生诱导技术的产业化发展，这当中计算机的智能化控制是实现的有力保障。

除了上述的硬件组成外，计算机的智能化运行还得赖于一套专家系统或叫软件，也还得有准确的数据采集—传感器。

以下给大家作以简要的介绍：

（二）、催根专家系统的描述

催根过程中所涉的各项参数都可通过计算机进行模拟控制，但外界因子多样性，与气候多变性，再加上一些因子间的矛盾性，就使控制变得相对复杂化，比如说有时温度过高需微喷降温时，如果只简单地进行喷雾控制，不作量与频率的计算，常又会使基质湿度过高，两者具有一定的冲突性，但如果在每次降温执行时，让其中一个变量与多个变量进行相关计算后，再作出执行，就不会出现控制的矛盾，也就是它会与多因子进行相关计算后，再作出量与方式的准确判断。

这就形成了农业控制特有的控制逻辑，与许多工业上的线性控制不同，具有非线性模糊控制的特点，同时又有采用区间上下限控制的方式，这种控制模式是基于非线性混沌函数及植物生长模式基础上的模拟控制，在农业生产上具有很强的实用性，与灵活性。

而植物生长模式就是按照不同植物类型，不同生长阶段，不同培养目标，所形成的植物相对最优环境模式，包括温光气热营养水份等参数，也把括各种田间操作的工作程序。

通过植物生长模式及田间操作程序结合形成了农业专家系统，它是科研成果与经验的结晶，是专家的智慧，有了它你即使工作人员不懂农业技术也可依赖专家系统完成农业生产的各项作业，而且是最标准的操作最科学的管理，这是计算机在农业上运用所带来的伟大作用与效果。

根据对植物生根因子的分析，及不定根发育的特点，不同类型植物对温光气热的不同要求，形成了用于催根或离体材料生根的专家系统。

在催根过程中最重要的参数是空气湿度、叶片水膜与基质湿度，这些参数决定了根系的性状与水生根保持时间的长短，因催根过程重要是完成水生性状不定根根系的发育。

现把相关的参数与实现的方法介绍如下：

A、空气湿度：

空气湿度保持在80-100%之间，具体因植物类型而进行调整。

B、叶片水膜：

叶片水膜是与叶片蒸发系数相关的一个参数，通过它可以保持任何植物或离体材料在计算机环境下水份的平衡，可以通过田间蒸腾观察与微调实现每种植物最佳的叶片水膜，其中田间参数由智能叶片采集感知。

C、高温极限：

高温极限的控制，大多植物在高温胁迫下都有生理之障碍，而且不同植物抗高温性又不同，在去根或离体情况下又有所下降，所以高温极限的限定一般掌握在32—38度之间。

生产时可进行选择类型及人工调整。

D、基质湿度：

在催根过程中，湿度过低即使生根也易老化而成为陆生根，湿度过高又会缺氧而烂根，所以对于基质湿度来说，最好保持在60-80%之间，具体也因植物喜湿性不同而不同，可从专家系统中选择相对应的类型与种类。

E、光照时间与强度：

光照时间也叫光周期，会影响植物的生长发育，有些对光周期敏感的植物会因光照时间过短或过长而导致体眠停止发育，所以生产上对光照也需进行控制，一般促进植物生长的光照时间大多是以长日照为主，也有些是短日照下生长的，长日照下开花或休眠的，这就形成了长日照与短日照及日中性植物的区别，在催根快繁时大多是以促进营养生长为主，根据植物特性不同，分为8-10小时，10-12小时，12-14小时的光照时间区段，具体应用时可进行选择。

光照强度也一样，它与植物进化过程中环境条件有关，喜于在强光下生长的叫喜阳植物，喜于在阴生环境下生长的叫喜阴植物，喜阳植物具有光饱和值高，喜阴植物则较低的特点。

在去根或离体情况下，各种植物的光饱和值会出现下偏现象，所以一般喜阳植物设定为8-10万勒克斯，中性植物6-8万勒克斯，喜阴植物则为4-6万勒克斯，针对具体植物时可进行选择与微调，找到最佳的光时间与强度，这也是很重要的，特别是夏季强光刺激常会出现光灼伤与光氧化现象，冬季又会因光照强度不够光照时间不足的问题，这些都得赖于计算机的光照传感器的感应与控制，才能为植物创造最佳的光环境条件。

F、基质EC值：

在催根过程中营养液的补充也是必不可少的，至于何时补与补多少，这也得赖于计算机的检测与控制，这就是智能叶片EC值的测定。

最适于基质初生根发育的EC值为0.8-1mS/cm,但不同阶段又有所不同，如愈伤组织形成阶段以0.5-0.8mS/cm为宜，根系发育完成植株开始生长阶段为1-1.2mS/cm，这些可在运用时具体选择。

G、叶肥与杀菌：

离体材料或去根植物在根系没有形成或恢复生长前，可以利用叶片的功能进行矿质离子的吸收，这就是叶肥的补充，它的控制也可结合专家系统实现，在程序中设定每隔7-10天叶面喷施一次，喷量以智能叶片见干见湿为准，而且设定于傍晚或晚上喷施，喷施时植物叶片要处于无水状态，这也由智能叶片感应测定。

另外，还可结合杀菌剂进行一起弥雾，进行苗床的空间杀菌。

上述这些参数与阈值，在使用时还得赖于系统化逻辑化的专家系统之上，为了便于实用，通常把数据及植物类型与控制逻辑进行相关，并写成程序软件，使用时无需进行数据的输入，只需选择类型与进行微调即可，运用非常方便。

植物类型选好后，具体植物可因个性差异而进行相关参数的微调，都可找到该种植物最适合的参数值，这就是菜单式的人机界面及可调式的人工调整结合的操作体系。

也有些个性差异较大的植物，可进行人工设定。

通过专家模式与管理经验的结合都可实现植物离体材料或去根植物的快速催根，为诱导创造最佳的生理及组织基础。

（三）、诱导专家系统的描述

诱导过程是植物实现水生栽培中最重要的一个环节，也是环境控制要求较为严格一个环节，它也得赖于专家系统来实现。

在诱导中除了溶氧及EC值这两个变量的梯度控制外，其它生长相关因子与营养液的调配也得赖于计算机专家系统功能来实现。

现把相关的这些因子与参数及控制程序作简要说明。

人机对话界面

（四）、溶解氧的浓度控制

不同的植物对溶氧的敏感及耐淹性都不同，这与它进化的环境有关，在湿生环境下形成的湿生植物往往耐淹性都较好，进入诱导池后，胁迫强度可大些，也就是参数值可调小些，而对于一些原产于干旱地区的植物，根系耗氧与需氧量大也较敏感，初始的胁迫强度要小些，也就溶氧值要高些。

根据植物进化环境及生长环境的不同可分为，水生植物、两栖植物、阴湿植物、干旱植物，耐旱植物等，不同植物类型对水的依赖与喜好性不同，同时也形成了根系不同的耐厌氧性。

另外同一类型植物也会因植物个性不同而又有差异，所以生产中也是用菜单式选择类型，人工方法进行微调找到该种植物最适的参数值，这样就可适合于所有植物的生产运用了。

现把参数的梯度控制相关的阈值作些介绍，也就是不同种类不同阶段的相关变量。

1、水生植物：

这种植物虽然在水中生长，但自然界中的水体比狭小空间的容器溶氧要高，虽然已有发达的通气组织，但在无氧或极低的氧环境下，进行耐低氧训练也还是需要的。

如凤眼莲，如果要把它实现瓶栽，可以把它直接置于诱导苗床的漂浮板上进行厌氧适应一周，再移入容器瓶栽，会比直接移栽生长效果要好得多，这就是厌氧训练的重要性。

在漂浮板严密扣置的情况下，再加上根系的耗氧吸收，可以创造出类似于静止小容器的溶氧值，一般在0.5-2之间，也就是系统中的最低溶氧值。

通过这个阈值的驯化，适应性会大大提高。

2、两栖植物：

这种植物对水环境有较强的适应性，就如动物的青蛙一样，可时而入水中，时而上陆地，但长期在水中又会不适，这种植物也一样，对短暂的厌氧有较强的耐性，但长期置于水中还得进行诱导才能适应，如天南星科的大多数植物。

这种植物诱导时初始的胁迫强度可大些，可控制在4-6，再过渡到2-4，再后过渡到0-2，这样梯度式的控制过程中让其通气组织渐渐发达，最后才能适于低氧静止的胁迫水环境中生长。

当前水培花卉市场，许多急功近利的经销商，通常采用直接洗根浸泡法，虽也能适应一段时间，但最终还是因烂根死苗而结束，难实现长期栽培与生长，也是因通气组织不发达或没有完全形成。

3、阴湿植物：

从进化起源与生态演变来说，这种植物属于绝大多数的草本植物，如秋海棠、兰科植物、海芋等，它对于阴湿环境形成了较强的适应性，使它的组织细胞更趋于柔嫩的薄壁组织化，而且自然条件下形成的根系也大多为浅根性不定根根系，对厌氧胁迫环境的较易适应，其诱导的初始溶氧值通常为6-8，再渐次过渡为4-6和2-4，直至接近静止的极度低氧状态0-2。

4、干旱植物：

目前用于生产及绿化的大多数木本植物及部份草本植物，皆属于这类，它对干旱环境也有较强的适应性，而且根系的发育也形成了具有明显陆生特征，表现为多级而发达，根深而叶茂，对强光高温及干旱的抗性都较强，叶片及枝干组织都表现为旱生性状，如叶片的栅栏组织发达，而且表面常有蜡质层覆盖，枝叶与根系高度分化，形成多级分根与发达根毛，机械组织发达，组织致密而较紧硬。

这种植物在含水较低的环境下进化发展，根域常处于高氧环境，对溶氧初始诱导植又较高8-10，再与上述一样渐渐过渡到低氧状态，直至适应于静止少氧或无氧环境下栽培。

5、耐旱植物：

这些植物大多叶肉细胞发达，叶片肥厚或形成了变态的茎叶与针刺，这就是大多的景天科植物与仙人球。

或者一些极而干旱的沙漠植物。

这些植物在抗旱过程中形成了对逆境一种特有的适应能力及代谢方式，如仙人球类，为了减少干燥环境的过份蒸腾，叶片已退化为针刺，又为了在雨季贮水旱季运用，形成了非常发达的薄壁组织或专门用于贮藏二氧化碳的通气腔。

所以从诱导角度来说，这种植物往往还属较易诱导的一类。

其专家系统可参照干旱植物。

上述所涉的各种植物因种性与生态适性的不同，对厌氧诱导环境的创造通常采用以初始值为诱导起点，渐次向静止低氧胁迫的过渡，以实现溶氧的梯度降减，激发厌氧基因与通气组织相关的各种基因。

在诱导的过程其实就是水中溶氧不断降低的过程。

运用时可把这些参数写入计算机程序中，构成溶氧控制之专家模式，使用时只需按菜单进行植物类型的选择及微调调节即可。

（五）、温光气热水的控制

温光气热水是植物生长的最基本条件，它是否适宜决定诱导的植株能否生长良好，能否正常开花或结果，虽不是通气组织形成的主导因子，只起辅助作用，但作为商品化生产要培育出外观漂亮的水培花卉产品，这些生长因子的控制也是极为重要的，以下就相关各因子的控制作些简单介绍：

1、水温的控制及实现：

在水生诱导过程中水温只作下限值的加温控制，如当温度低于设定下限值时会开启水加热线进行水加温，当达到设定值时自动关闭停止。

大多数植物的生长下限值为15°C，也可按生产实际需要进行灵活的参数设定。

而对于高温的控制在深液流的诱导栽培中出现的概率与对植物生长的影响不大，在具有较大回液缓冲池的情况下，一般不会出现过高的水温。

但计算机会作出高温时的报警与提示，当然如果在营养液池中配设致冷系统也可实现高温产生时的致冷降温控制。

这个高温极限值也可以人为设定，而进行精确化的控制。

2、空气温度的控制与实现：

在诱导过程中空气温度虽然也会对植物生长造成一定影响，但它对植物影响及要求程度比催根或离体材料生根过程要求要低得多，因为此时植物已有完整的根系，具有较强的外界适应性。

所以在控制上也只需作上下两个温度极限值控制即可。

下限低温值一般为10°C，上限高温值一般为38°C，也就是当温度低于下限值时为自动开启热风炉或空气加热线等进行加温，当超过高温极限时自动开启湿帘、排风及微喷弥雾进行自动降温。

这些参数值也可进行人工设定，因为它们皆属于单因子的线性控制，只要输入控制目标值就可以实现。

3、空气湿度的控制与实现：

空气湿度对植物生长来说虽不是重要参数，但对于一些原本生活于阴湿环境下的花卉植物如兰科、天南星科等来说，给它创造适宜的湿度条件还是很有必要的。

空气湿度的控制一般只作单向控制，就是当空气湿度过低，低于设定值时，通过装于棚顶的弥雾管道系统进行微喷增湿，达到设定值是自动关闭停止。

对高湿环境植物具有较强的适应性，一般可以不作控制，如果需要也可以通过通风系统如排风扇进行对流以降低环境湿度，这点在花卉生产上运用不多，可以不必建设安装。

4、光照强度与时间的控制：

光照控制包括光照强度与时间的控制，也可以通过系统参数的设定来实现，针对植物类型，设定它的光饱和值与光补偿点，也可以从系统中选择植物类型，则相关参数自动调入数据库，你只需选好长日照、短日照或喜阳与喜阴即可，这些在计算机的专家数据库中已都有录入，它会自动调出参数参予控制。

在计算机控制中，上述的这些生长因子的控制也与快繁专家系统一样，都可采用菜单选择式，不需进行参数的设定，只需从数据库中调入相应的或性状相近的植物类型与种类即可，相关的生长因子控制阈值会自动调入系统作为序参量进行控制。

使用也极为方便，但人工设定功能的保留使系统更具灵活性与满足个性植物培育的需要。

（六）、营养液EC值的胁迫控制

根据营养胁迫对不定根发育的促进机理，在诱导过程中营养液浓度的梯度变化与溶氧梯度变化相反，是由低浓度值渐进提高到高浓度值，根据植物不同的喜肥耐肥性把植物区分为以下几种类型：

喜肥植物、耐肥植物、适肥植物、薄肥植物。

现把这些类型的EC变化梯度列表如下：

植物类型

喜肥植物

耐肥植物

适肥植物

薄肥植物

第一阶段

1.2-1.6

0.8-1.2

0.4-0.8

0.0-0.4

第二阶段

1.6-2.0

1.2-1.6

0.8-1.2

0.4-0.8

第三阶段

2.0-2.4

1.6-2.0

1.2-1.6

0.8-1.2

在生产运用时，操作者只需选好植物的喜肥特性，上述的这些数据就调入成为控制参照值，使用方便，不过也可进行人工设定，按不同阶段与植物特性进行灵活设定。

当EC值传感器检测到参数低于设定值时，会自动开启母液桶的电磁阀进行补加母液。

为了让母液更均匀地混入，通常采用间歇加入法，而且每次加入后母液后，都会待到诱导池中完成至少一次水循环后，再加第二次，直至升到设定值为止。

如果EC值过高超过设定值，则会以同样的方法间歇性地添加清水，直至降到设定值。

在诱导中根据根系的发育进程，进行阶段性的切换，如刚移入诱导池时，把计算机专家系统选定为第一阶段，随着诱导的进行，当不定根根系发育至预定的1/3-1/2根量时，及时切换至第二阶段；当根系互补修复发育接近完成时，切换至第三阶段，就是壮苗阶段。

在这过程中浓度营养液的浓度在不断地提高，植物的生长发育也不断地加快，直至完成发育成具有通气组织具生长良好的植株为止。

（七）、水位的自动控制

在诱导过程中随着水份的物理蒸发及植物的吸收与蒸腾，每天都会使水位下降，但如果下降对EC值影响不是很大时或者总水量还不是低于下限值时可以不需进行加水调节，但如果低于水位传感器的下限值时，会自动进行注水与母液添加，补充至设定的上限水位值。

两种不同型号的水培计算机控制系统

（8）、1.智能化叶片——相关的各种各样传感器

概述：

用于植物水生诱导过程中的所有传感器包括温度、湿度、光照、营养、二氧化碳、溶氧等，是环境因子变化的感应器官，是各项参量的采集系统，它在计算机控制中具有重要的地位，它的准确性将影响系统运行的稳定性与环境模拟的效果。

传感器错误信息的采集将会让计算机作出错误的执行判断，最终将影响到植物的生长，另外传感器摆放位置是否具有代表性也极为重要，一般把它放至与植物最为贴近，最能代表植物微环境的部位，这样除了能创造出真正植物所需的环境外，还可以做到最节能的控制。

模拟控制的空间与对象更为直接与有效，这种控制农业上叫微环境控制技术，比如说微喷降温时，只需检测到最贴近植物叶片表面的部位温度下降就可以了，不需对植物生长无关的整个大棚降温，这样即快速又节能。

所以按照传感器检测对象与摆放部位与控制对像的不同把植物水生诱导相关的传感器进行集成与分类。

智能叶片其实就是多种传感器的集成，它把与植物离体材料或去根植物生根过程所相关的各种环境传感器都进行了结构合理的集成，具有灵活布点采集使用方便的特点。

现把其结构功能介绍如下：

新型的集成传感器具有结构合理科学，功能齐全稳定的特点。

为了便于操作布点，把传感器制成类似于插穗的带叶枝段，可以随时插入基质中，移动取点固定极为方便，只需将传感器移插至贴近植物的基质中即可。

感应点的设计也极为科学，在镀有白金的叶片表面上密集毛发丝状叶脉似分布的电路，它能感应叶片表面各处水份的分布情况及叶片表面水膜的厚与薄，主要用于快繁时不同植物叶片蒸发系数的调整；

叶片蒸发量大极易失水的植物，使用时叶片水膜微调至厚些，对于叶片蒸腾小或表面有蜡质抑蒸的植物，使用时叶片水膜保持薄些，实现智能叶片表面水份的蒸腾模拟到与真实植物相接近，这样就可实现水份平衡的控制。

在智能叶片的叶柄基下方是空气湿度传感器，没有直接的弥雾喷淋，可防凝露与积垢污染，使性能保持稳定，可以准确地检测到叶片表面微环境的空气湿度。

在智能叶片茎段的顶端部位是空气温度传感器，能实时感应苗床微环境空气温度的变化；而插入基质中的茎段类似于植物的根系，上面布有基质湿度传感器，基质营养液的EC值传感器，基质温度传感器。

智能叶片上的不管哪种传感器经电路集成后全部通过屏蔽网络线接入计算机相应接口，以实现外界环境信号的采集转换与运算，为计算机的控制输入了外界最为准确的变化参量，让计算机形成了神经元式的负反馈控制，从而创造出相对稳定的优化环境。

八）、2.气候箱或气候棒——相关的各种各样传感器

在催根或诱导基地的大棚设施内，把与植物最为贴近的根微或叶片表面环境称为微域环境，它是传感与控制的核心及主要对象，而除此以外的大棚空间环境就称之为大环境，大环境对微环境各参数的波动与缓冲起到了很大的作用，所以这部份参量的检测与控制将会影响微环境控制的准确性与变化波动的频率大小，大环境波动越小越趋稳定，微环境的控制也就越容易实现，调控的频率也就越小。

所以大环境参数的检测即是整个系统控制方案拟定的一个重要参变量，又是一个可以直接进行指令控制的采集信号，它也是设施条件下大环境控制中如遮阳启闭、天窗开关系统、热风炉加温系统、二氧化碳补施系统等执行设备的控制依据。

它对微环境的控制起到了很好的缓冲与辅助作用。

检测大环境的气候箱

所以由大环境因子所组成的传感器在国外也叫气候站，它是对天气的全面感应检测，包括雨量、风速、光照幅射等，而在大棚内空间的我们可以简化为气候箱或气候棒，它也是上述相关传感器的集成。

气候棒就是制成棒状的传感器集成，气候箱就是箱式的传感器集成，同功而异名的传感器集成总称。

气候箱或气候棒上有光照强度传感器、大环境空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、大环境空气温度传感器等。

这些传感器经集成后便于布点与管理，一般把它放于相对能代表大棚大空间环境参数的部位，可以采用悬挂的方式布点。

气候棒及气候箱的结合可为控制提供重要的决策参量，也是现代功能齐全温室条件下，实现温室大棚环境智能化自动控制的重要传感部份，有了它就相当于对温室环境的大空间进行了智能化的气候模拟，相当于增加了一套温室大棚计算机控制系统。

（八）3,养液集成传感器——相关的各种各样传感器

养液环境检测的对像是循环的营养液，因它是以水为介质配成的诱导液，具有温度、溶氧、EC值的均一性，把传感器不管至于哪个诱导池皆可，因其养液的循环是一体的。

但为了便于于控制与管理，最好把温度及溶氧传感器集成一起置于诱导池中，而EC值与水位传感器集成后置于回液池中。

溶解氧在线传感器

（八）、4,远程控制软件及无线模块的运用——相关的各种各样传感器

在诱导及催根过程中计算机控制是关键的核心技术，使用它使生产过程与环节实现了智能化数字化自动化，计算机控制在生产中的运用实现了农业产业的标准化与工厂化，使农业生产变得简单而精确，大大降低了劳动强度与成本。

实现远程控制的通讯模块

但要实现计算机的远距离的远程操作，比如在办公室内就可管理基地，或出差在外也可监控基地，还必须在计算机控制系统基础上配置一套上位监控计算机，就是常用的电脑，并用通讯模块把它与计算机控制系统联接，并在电脑上安装专用的远程控制软件，就可实现远程控制。

或者也可在计算机控制系统上完装无线模块，实现手机与电脑都可控制的不受距离局限的远程控制方案。

像这些功能虽是在原有计算机控制系统上的扩展与外延，但它对于农业生产模式的转变，新型农业概念的树立起到了很大的作用。