江 天 張 瀟

(1.光莆電子股份有限公司，福建廈門(mén) 361009)

1 引言

經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，LED技術(shù)愈發(fā)成熟，尤其是近幾年，發(fā)展非常迅速，在照明和背光等領(lǐng)域展示出了強(qiáng)大的市場(chǎng)。而與此同時(shí)，越來(lái)越多的企業(yè)也開(kāi)始關(guān)注LED在傳統(tǒng)照明之外的其他領(lǐng)域的應(yīng)用，其中就包括LED植物照明領(lǐng)域，尤其是在紅光、藍(lán)光和遠(yuǎn)紅外光等大功率單色光LED的技術(shù)的逐漸成熟之后。傳統(tǒng)的植物生長(zhǎng)燈主要是采用汞燈和高壓鈉燈等，而作為第四代光源，LED應(yīng)用在植物生長(zhǎng)領(lǐng)域也有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如LED植物生長(zhǎng)燈可以實(shí)現(xiàn)非常窄的植物生長(zhǎng)需要的波段，提高光的利用率到90%以上，而傳統(tǒng)的植物生長(zhǎng)燈還不到10%，大幅度地節(jié)約了能源;另外LED是冷光源，可以離植物很近而不會(huì)燒傷植物，從而提高空間利用率等。除此之外，LED還可以與智能控制系統(tǒng)完美結(jié)合，對(duì)光質(zhì)、光照時(shí)間和輻射度等進(jìn)行智能調(diào)控，使得光能被植物更有效地吸收利用。

普通LED植物生長(zhǎng)燈具雖然有節(jié)能、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但大多只能簡(jiǎn)單控制和定制好紅藍(lán)配比，對(duì)于LED光質(zhì)、光照時(shí)間、輻射照度分布和環(huán)境反饋調(diào)節(jié)等方面全方位調(diào)節(jié)還未有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。智能LED植物生長(zhǎng)系統(tǒng)正是著重于一套具有MCU接口、可調(diào)控光質(zhì)、時(shí)間和輻射度的植物生長(zhǎng)照明系統(tǒng)。

智能LED植物生長(zhǎng)系統(tǒng)包括了LED燈具、通過(guò)特定接口與傳感器連接的MCU系統(tǒng)2個(gè)部分。通過(guò)LED燈具內(nèi)部的特定驅(qū)動(dòng)模塊，可以在全光譜范圍內(nèi)對(duì)LED光質(zhì)進(jìn)行調(diào)控;LED燈具與MCU連接后，可根據(jù)植物在不同生長(zhǎng)階段、不同時(shí)間和不同環(huán)境下對(duì)光的需求自動(dòng)調(diào)制出最適宜的光質(zhì)和輻射度。

單個(gè)LED燈具內(nèi)可對(duì)多個(gè)LED光源組合分別進(jìn)行數(shù)字化控制，在應(yīng)用時(shí)，可通過(guò)對(duì)多組燈具的聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光質(zhì)、輻射照度分布、環(huán)境反饋的控制。打造兼具節(jié)能、高效的智能植物生長(zhǎng)照明系統(tǒng)，系統(tǒng)利用MCU與可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器配合，進(jìn)行環(huán)境感測(cè)，高效能數(shù)字化調(diào)節(jié)，智能開(kāi)關(guān)等。

此外，系統(tǒng)不僅可24小時(shí)監(jiān)控LED裝置并即時(shí)回報(bào)異常狀況，還能對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行群組控制以調(diào)節(jié)能源，使照明系統(tǒng)更具智能化;而為加強(qiáng)LED光源穩(wěn)定度，將可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)入電路設(shè)計(jì)中，并提升能源使用效率。

2 LED植物生長(zhǎng)燈了解

植物生長(zhǎng)燈是依照植物生長(zhǎng)規(guī)律必須需要太陽(yáng)光，用燈光代替太陽(yáng)光給植物生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境的一種燈具。

提高農(nóng)作物產(chǎn)量的辦法有多種，其中包括:

(1)生物技術(shù)，比如雜交水稻;

(2)化學(xué)方法，比如化肥、農(nóng)和激素等等。

(3)物理方式，試圖通過(guò)光的調(diào)控來(lái)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，逐步減輕現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)化學(xué)技術(shù)的過(guò)度依賴(lài)。

植物生長(zhǎng)燈就屬于其中的物理方式，通過(guò)調(diào)控光來(lái)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。

2.1 植物生長(zhǎng)燈的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的植物生長(zhǎng)燈主要采用汞燈和高壓鈉燈等，而作為第四代光源，LED的大規(guī)模研發(fā)和生產(chǎn)也促進(jìn)了其在植物生長(zhǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的植物生長(zhǎng)燈，LED植物生長(zhǎng)燈具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

首先，LED植物生長(zhǎng)燈可以實(shí)現(xiàn)非常窄的植物生長(zhǎng)需要的波段，提高光的利用率到90%以上，而傳統(tǒng)的植物生長(zhǎng)燈還不到10%，大幅度地節(jié)約了能源;另外LED是冷光源，可以離植物很近而不會(huì)燒傷植物，從而提高空間利用率等。除此之外，LED還可以與智能控制系統(tǒng)完美結(jié)合，對(duì)光質(zhì)、光照時(shí)間和輻射度等進(jìn)行智能調(diào)控，使得光能被植物更有效地吸收利用。

表1 LED植物生長(zhǎng)燈與傳統(tǒng)植物燈的參數(shù)比較Table 1 Comparison of LED plant growth lamp and traditional plant lamp`s parameters

2.2 光影響植物生長(zhǎng)的三大因素

(1)光質(zhì)

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行光合作用，主要集中在420nm到480之間的藍(lán)光和610到700之間的紅光。除此之外，其他波段的光對(duì)植物生長(zhǎng)影響相對(duì)較小。

(2)光照強(qiáng)度

植物生長(zhǎng)受到光總吸收量的影響。在冬季，自然光照不足，往往會(huì)影響植物花朵和果實(shí)的生長(zhǎng)。

(3)光周期

很多植物的開(kāi)花時(shí)間受到日照長(zhǎng)短影響，我們稱(chēng)這種對(duì)光敏感的現(xiàn)象“光周期”。比如，菊花只能在短日照的條件下才能正常產(chǎn)生花蕾。當(dāng)給予長(zhǎng)日照時(shí)，菊花就不會(huì)正常開(kāi)花。根據(jù)光周期，我們可以將植物分為喜陰植物、喜陽(yáng)植物和中性植物。

2.3 植物生長(zhǎng)燈的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景

LED植物生長(zhǎng)燈的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，目前主要應(yīng)用在花卉、中草藥及其他作物的組織培養(yǎng)，溫室高附加值的植物生產(chǎn)，花卉種苗、扦插苗培育，蔬菜育苗，工廠化蔬菜、花卉的生產(chǎn)–植物工廠，以及科學(xué)研究等。

目前市場(chǎng)主要集中在日本、韓國(guó)、美洲、歐洲等從事農(nóng)業(yè)人員較少的國(guó)家和地區(qū)。但隨著LED植物生長(zhǎng)燈產(chǎn)能和性能的提升，中國(guó)市場(chǎng)也進(jìn)入爆發(fā)期。據(jù)調(diào)查，全球LED植物生長(zhǎng)燈產(chǎn)值在2013年起開(kāi)始呈現(xiàn)高速成長(zhǎng)，產(chǎn)值雖僅千萬(wàn)美元規(guī)模，但預(yù)估2014年將逾3500萬(wàn)美元，2017年更可望挑戰(zhàn)3億美元，市場(chǎng)前景非常廣闊。

3 企業(yè)介紹

廈門(mén)光莆電子股份有限公司成立于1994年，是LED產(chǎn)業(yè)最早一批專(zhuān)業(yè)制造廠商的內(nèi)資企業(yè)?？偼顿Y規(guī)模達(dá)5億，注冊(cè)資本1.14億，于2010年開(kāi)始集團(tuán)化經(jīng)營(yíng)模式，整合企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，快捷、高效服務(wù)于客戶(hù)。

現(xiàn)公司下屬企業(yè)有廈門(mén)市光莆電子有限公司、廈門(mén)愛(ài)譜生電子科技有限公司、廈門(mén)光莆顯示技術(shù)有限公司。其中光莆電子涵蓋LED封裝、LED照明應(yīng)用、大功率LED應(yīng)用等方面，光莆顯示涵蓋10.1吋以下 BLUTV前框后蓋和 17－50吋 BL膠框LEDLightBar等產(chǎn)品，愛(ài)譜生電子主要生產(chǎn) FPC、FPCA模塊、SMT等產(chǎn)品。

經(jīng)過(guò)近二十載的努力，光莆已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)唯一家同時(shí)能為全球前五大顯示器企業(yè)配套的LED封裝廠 (LG三星冠捷富士康明基)和中國(guó)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)光電子分會(huì)理事單位、國(guó)家工信部半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)委員單位、中國(guó)綠色照明優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品訂單生產(chǎn)企業(yè)、中國(guó)科技部“創(chuàng)新基金”優(yōu)秀企業(yè)(全國(guó)唯一一家四次獲得獎(jiǎng)?wù)碌拿駹I(yíng)企業(yè))、中國(guó)火炬計(jì)劃承擔(dān)單位與國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化承擔(dān)單位、福建省光電協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)單位、福建省“LED封裝工程技術(shù)研究中心定點(diǎn)依托單位”等。

公司目前已申請(qǐng)專(zhuān)利100多項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利與發(fā)明專(zhuān)利，其中包括39項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，46項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利，28項(xiàng)外觀設(shè)計(jì)專(zhuān)利和10項(xiàng)光莆專(zhuān)有技術(shù)。

光莆作為為省級(jí)LED封裝工程技術(shù)研發(fā)中心的依托單位，具有19年的光電器件開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn);擁有技術(shù)研發(fā)人員120人，其中高級(jí)工程師20名。中心裝備了一批具有世界先進(jìn)水平的科研試驗(yàn)、分析儀器設(shè)備 (積分球，分布光度計(jì)，結(jié)緣電阻測(cè)試儀、耐壓測(cè)試儀等)，具有迅速進(jìn)行新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的研究、驗(yàn)證、檢測(cè)的能力。每年12%營(yíng)業(yè)收入被投入到新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)當(dāng)中;承擔(dān)過(guò)幾十項(xiàng)國(guó)家、省、市、區(qū)級(jí)科技專(zhuān)項(xiàng)并順利通過(guò)驗(yàn)收。

4 光莆LED植物生長(zhǎng)燈介紹

4.1 固定配光型LED植物生長(zhǎng)燈研發(fā)

固定配光型LED植物生長(zhǎng)燈就是根據(jù)植物生長(zhǎng)需要在設(shè)計(jì)初期就已經(jīng)進(jìn)行了燈珠配比的LED植物生長(zhǎng)燈，常用的比如R(660nm):B(450nm)為4:1到10:1之間。

光莆公司的固定配光型LED植物生長(zhǎng)燈特點(diǎn)如下:

1)可根據(jù)客戶(hù)需要，生產(chǎn)出各種配光的植物生長(zhǎng)燈;

2)超薄設(shè)計(jì)，占用空間少，適用于多層栽培;

3)特制鋁合金外殼，IP44防護(hù)等級(jí);

4)低熱量，無(wú)需散熱模塊，且能讓光源與植物的距離更近，從而增加空間利用率。

5)高效節(jié)能，壽命高達(dá)4萬(wàn)小時(shí)以上，光效是HID植物燈的10倍。

6)波長(zhǎng)類(lèi)型豐富、可根據(jù)需求調(diào)整正好與植物光合成和光形態(tài)建成的光譜范圍吻合并獲得純正單色光與復(fù)合光譜。

光學(xué)特性顏色紅 ＆ 藍(lán)光合有效輻射 (0.5m)Min.Typ.混合光波長(zhǎng)45umol/m2s 50umol/m2s 612nm均勻度 ≥85%發(fā)光角度120°機(jī)械特性外形尺寸595*295*10.5mm重量 (不含電源)＜1.5kg

(續(xù)表)

圖1 固定配光型LED植物生長(zhǎng)燈技術(shù)參數(shù)Fig.1 Parameters of fixed light distribution type LED plant growth lamp

4.2 智能型LED植物生長(zhǎng)燈研發(fā)

智能型LED植物生長(zhǎng)燈即可以根據(jù)不同植物的不同生長(zhǎng)環(huán)境下的不同生長(zhǎng)階段對(duì)光的要求的不同進(jìn)行光質(zhì)和光周期的調(diào)控。

光莆公司的智能型LED植物生長(zhǎng)燈特點(diǎn)如下:

1)具有光強(qiáng)和光質(zhì)的調(diào)節(jié)功能，可以應(yīng)用于植物在生長(zhǎng)各個(gè)階段，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)獲得所需要的最佳光合有效輻射度和配比。

2)智能控制系統(tǒng)，讓控制更加簡(jiǎn)捷

3)特制鋁合金外殼，IP44防護(hù)等級(jí)。

4)低熱量，簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，無(wú)需散熱模塊，且能讓光源與植物的距離更近，從而增加空間利用率。

4.3 智能型LED植物生長(zhǎng)系統(tǒng)研發(fā)

針對(duì)植物組培、人工光育苗與種植、溫室補(bǔ)光等不同用途對(duì)光源的特定需求，通過(guò)自主研發(fā)，開(kāi)發(fā)出一種以紅藍(lán)光LED為主要光譜成分、光環(huán)境智能可調(diào)的LED光源系統(tǒng)，可以顯著提升組培植物的光合效率，節(jié)能效果達(dá)80%以上。

4.3.1 關(guān)鍵技術(shù)和指標(biāo)

智能LED植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾方面:

1)光譜波長(zhǎng)和光強(qiáng)的科學(xué)配比技術(shù);

2)光周期和光強(qiáng)調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制技術(shù);

3)整個(gè)調(diào)光系統(tǒng)與清潔能源的對(duì)接技術(shù);

4)智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)

主要技術(shù)指標(biāo)有:

1)LED的發(fā)射光譜中心波長(zhǎng)范圍:630nm－660nm、430nm－470nm等，帶寬約30nm;

2)LED光源光強(qiáng):100lx－6000lx;

3)平均使用壽命不小于10000小時(shí);

4)LED光源的電源:交流220V/50Hz，直流12V/24V;

適用范圍:果類(lèi)、瓜類(lèi)、葉菜類(lèi)、組織培養(yǎng)、育苗等;

4.3.2 進(jìn)展與方向

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研發(fā)，在這個(gè)領(lǐng)域也做了不少工作，首先通過(guò)建模，針對(duì)蘭花、綠葉菜、長(zhǎng)芽、藥材等，對(duì)波長(zhǎng)配比、光照頻率、照射周期做智能調(diào)控;其次，植物智能生長(zhǎng)控制系統(tǒng)不僅對(duì)光調(diào)控，還對(duì)溫濕度有統(tǒng)一的控制，讓LED植物生長(zhǎng)燈達(dá)到最佳效果。

系統(tǒng)最終的效果，比如對(duì)于葉菜，將發(fā)芽期、組培期、長(zhǎng)莖期、長(zhǎng)葉期劃分為一、二、三期階段，在第1－3天采用針對(duì)發(fā)芽的光照波長(zhǎng)、頻率配比，同時(shí)調(diào)整溫濕度;第4－10天針對(duì)組培期自動(dòng)更換不同的光照、溫濕度配比……所有這些只需要在程序中預(yù)先設(shè)定，像自動(dòng)洗衣機(jī)一樣開(kāi)始時(shí)選擇模型啟動(dòng)即可;

目前方向除了蘭花、葉菜、金線(xiàn)蓮?fù)猓€打算和云南名貴藥材公司合作，共同培育藥材植物。此外，蔬菜、瓜果也是發(fā)展的方向之一。

4.3.3 智能LED植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的功能

1)能實(shí)現(xiàn)智能定時(shí)調(diào)節(jié)光配比和光強(qiáng)，能滿(mǎn)足不同植物在不同生長(zhǎng)時(shí)期以及不同環(huán)境下對(duì)光的特定要求

2)能進(jìn)行智能單燈或者多燈各自一體化控制

3)能對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且自動(dòng)化調(diào)整

4)配合智能化植物工廠，達(dá)到最佳性能

可以想象，在加入智能控制系統(tǒng)后，LED植物生長(zhǎng)燈就會(huì)根據(jù)探測(cè)到的植物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況和環(huán)境，給予最合適的光質(zhì)和輻射度，以及根據(jù)需要進(jìn)行間斷性照射。我們?cè)谶h(yuǎn)端就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到植物的生長(zhǎng)狀況，包括光合作用、生根發(fā)芽等情況，并實(shí)現(xiàn)真正意義上的一鍵操控。

5 光莆LED植物生長(zhǎng)燈發(fā)展策略

作為一家專(zhuān)業(yè)LED封裝企業(yè)，光莆擁有19年的光電器件開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以及專(zhuān)業(yè)的LED面板燈制造經(jīng)驗(yàn)，以及福建省LED面板燈標(biāo)準(zhǔn)起草者，光莆具有成熟的研發(fā)生產(chǎn)能力

我們定位于提供專(zhuān)業(yè)LED植物生長(zhǎng)燈研發(fā)生產(chǎn)及解決方案，并借力合作，建立校企平臺(tái)，博眾取長(zhǎng)，開(kāi)放、學(xué)習(xí)借鑒，明確市場(chǎng)導(dǎo)向，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。打造品牌，為L(zhǎng)ED植物生長(zhǎng)燈和智能LED植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)制定做出貢獻(xiàn)。

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