牛萍娟，唐曉新，張文彬，田會娟，蘇政曉，劉 航，孫 勇

（1.天津工業(yè)大學大功率半導體照明應用系統(tǒng)教育部工程研發(fā)中心，天津 300387；2.天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

植物生長用LED光源模組設計

牛萍娟1，3，唐曉新1，2，張文彬3，田會娟1，3，蘇政曉1，2，劉 航3，孫 勇3

（1.天津工業(yè)大學大功率半導體照明應用系統(tǒng)教育部工程研發(fā)中心，天津 300387；2.天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

基于植物生長對光質(zhì)的需求，設計植物生長用LED光源模組.提出2種設計方案，均為8*8方陣：方案1采用32顆紅光LED，32顆藍光LED；方案2采用32顆紅光LED，16顆藍光LED和16顆綠光LED.其中，方案1每行每列中紅藍LED交錯排列；方案2每行每列中紅光、藍光和綠光LED均為4顆、2顆和2顆；且每行中2個綠光LED的間距、2個藍光LED的間距都是相鄰紅光LED間距的兩倍.以點光源模型簡化單顆LED，在Tracepro軟件中對單元模塊進行仿真，結(jié)果表明照明區(qū)域內(nèi)的輻照度分布均勻，可以用于植物照明.參照上述仿真模型結(jié)構(gòu)，設計開發(fā)LED光源模組，分析其R/B/G光子比例，并設計白菜生長實驗.結(jié)果表明：方案2的白菜葉長、葉寬、株高、干濕重和含水量均大于方案1和熒光燈對照組，說明一定的綠光對白菜的生長具有促進作用.方案1的葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量都大于方案2和熒光燈對照組.

人工光源；LED；模組設計；植物生長

植物生長發(fā)育過程是極為復雜的生命現(xiàn)象，不僅決定于植物自身的遺傳特性，還受到外界環(huán)境條件的影響.光作為植物光合作用的能量來源，其強度對于植物生長發(fā)育有極大的影響.對于大部分植物而言，光合有效輻射（Photosynthetically active radiation，PAR，波長在400～700 nm范圍內(nèi)的光）被葉綠體以及類胡蘿卜素等色素吸收并通過碳同化作用轉(zhuǎn)化為化學能，增加光照強度能夠提高電子傳遞速率從而增加能量的累積.

光質(zhì)是指植物所受光照的光譜組成，不同光譜波段對植物的影響不同.植物通過體內(nèi)多樣的色素系統(tǒng)，感應不同波長范圍的光線，調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育與代謝[1-3].適宜的紅光（600～700 nm）與藍光（400～500 nm）之比即R/B才能保證培育出形態(tài)健全的植物[4-5].而在紅藍LED組合光中加入綠光能夠促進植物生長，因為綠光比紅藍光的透射比更高，能夠更好地穿透葉片到達植物冠層，底下的葉片才能進行光合作用.Kim等[6]采用150 μmol/（m2·s）的紅藍LED（0% green）、紅綠藍LED（24% green）、綠色熒光燈（86% green）和冷白熒光燈（51% green）對生菜進行試驗，結(jié)果表明RGB實驗組的葉面積和植株濕重最高，可見在紅藍光基礎上加入綠光有利于生菜生長.目前，對植物照明用紅綠藍LED光源模組的光分布研究很少，所以本文在紅藍LED的基礎上加上綠光LED設計2種光源模組，采用仿真、實驗測試和生長實驗相結(jié)合，分析光源模組特性.

1 光源模組設計

本文不考慮光源散熱問題，選用的LED均為聯(lián)欣豐0.1 W LED.紅光LED的參數(shù)：視角120°，封裝尺寸為3 528，峰值波長λp=629.9 nm，帶寬Δλd=15.6 nm，在標準工作電流20 mA下發(fā)光強度為1 000 mcd.藍光LED的參數(shù)：視角120°、封裝尺寸為3 528，峰值波長λp=465.9 nm，帶寬Δλd=23.2 nm，在標準工作電流20 mA下發(fā)光強度為490 mcd.綠光LED的參數(shù)：視角120°，封裝尺寸為3 528，峰值波長λp=520.7 nm，帶寬Δλd=31.5 nm，在標準工作電流20 mA下發(fā)光強度為2 200 mcd.針對所選用的LED光源，采用測試設備為0.3 m/0.5 m LED專用積分球、高精度快速光譜輻射計HASS-2000和可編程LED測試電源LED300E（杭州遠方光電信息股份有限公司），光譜圖如圖1所示.

圖1 光源光譜圖Fig.1 Light source spectrums of LEDs

LED組合方案如圖2所示.圖2（a）是每行每列中紅藍LED交錯排列，為方案1；圖2（b）的是每行每列中紅光、藍光、綠光LED均為4顆、2顆和2顆，且每行中2個綠光LED的間距、2個藍光LED的間距都是相鄰紅光LED間距的2倍，為方案2.

為了保證植物栽培面上的光合有效光量子流密度分布均勻，LED組合單元模塊不應距離植株過近.本文以組合光源正下方15 cm作為目標面進行仿真分析[7-9].

圖2 LED組合方案Fig.2 Schematic diagram of assembled LED

2 仿真結(jié)果

在對植物生長光質(zhì)的研究中，對光強的度量存在光度量、輻射度量和量子度量3種標準.光度量依賴于人眼對光的響應，而視見函數(shù)與光合作用毫無關系，所以光度量不適用于光合光強度量[10].故本文Tracepro仿真中用光合有效輻射照度Ee（單位為W/m2）來衡量光強，而在白菜生長實驗中用光合有效光量子通量密度U（單位為umol/（m2·s））來衡量光強.圖3和圖4是Tracepro仿真中單顆芯片標準工作電流20 mA下，LED組合單元模塊在目標面上的紅光輻照度、藍光輻照度、綠光輻照度和總輻照度分布圖.加上封裝尺寸，2顆LED中心的間距為橫向1.28 cm，縱向1.35 cm.通過經(jīng)驗公式（1）計算.

圖3 方案1 LED組合單元模塊下方15 cm處的輻照度分布Fig.3 Distribution of irradiance located 15 cm below LEDs arranged with scheme one

圖4 方案2 LED組合單元模塊下方15 cm處的輻照度分布Fig.4 Distribution of irradiance located 15 cm below LEDs arranged with scheme two

這里L取橫縱向平均值為1.32 cm，h=15 cm，目標面大小為16 cm×16 cm.[7-8]輻照度均勻度采用平均值/最大值進行計算[9]，計算的數(shù)值在仿真輻照度分布圖中都有體現(xiàn).方案1的紅光和藍光輻照度均勻度分別達到69%和66%，總輻照度均勻度為69%；方案2的紅光、藍光、綠光輻照度均勻度分別為69%、59%和60%，總輻照度均勻度為71%，均勻性良好，說明組合光源的排布合理.

3 LED植物照明用光源模組分析及白菜生長實驗

參照上述仿真模型結(jié)構(gòu)，設計開發(fā)LED光源模組，圖5為PCB版圖，圖6為2種方案植物照明用光源模組的光譜分布圖.

圖5 PCB版圖Fig.5 Design of PCB layout

圖6 2種方案植物照明用光源模組的光譜分布圖Fig.6 Light source spectrums of two schemes

為了對設計的光源模組進行綜合分析，需要確定其R/B/G比例，即紅藍綠光子數(shù)之比Ra，指波長在600～ 700 nm、400～500 nm和500～600 nm波段內(nèi)的光子數(shù)之比.

測量組合光源的光譜分布之后，根據(jù)光合有效輻射的3種度量標準轉(zhuǎn)換關系[10]，設U=γEe，則

式中：Pw為輻射功率總量（W）；Wλ為光譜功率密度（W/nm）；Pf為光合作用的光子流量（umol/s）.紅綠藍光子數(shù)比即為紅綠藍波段的Pf的比值.同樣地計算可得方案2的Ra=50∶31∶19.

使用仿真實現(xiàn)的2種LED植物生長用光源，根據(jù)實驗需要調(diào)節(jié)紅藍綠光LED的電流、光周期及燈板距作物的高度.白菜生長實驗設置2個光質(zhì)處理區(qū)，1個熒光燈對照區(qū)，即CK，總光強80 umol/（m2·s），其中600～700 nm波段的光強占27%，為21.6 umol/（m2·s），400～500nm波段的光強占18%，約為14.4umol/（m2·s），500～600 nm波段的光強占55%，為44 umol/（m2·s）.處理區(qū)之間用遮光布隔開，防止干擾，各處理光強通過調(diào)節(jié)高度均設置為80 umol/（m2·s），光周期為12 h/d（9∶00-21∶00）.

白菜經(jīng)不同光強配比處理20 d后，每個處理組所有植株均被取樣，以葉片為取樣部位，且測定相同指標時取相同部位的樣品.數(shù)出葉片數(shù)，用直尺測量幼苗株高、根長、葉長與葉寬；用電子天平稱量鮮質(zhì)量；烘干后測定干質(zhì)量；含水量=（幼苗葉片鮮質(zhì)量-幼苗葉片干質(zhì)量）/幼苗葉片鮮質(zhì)量×100%.用80%丙酮浸提法[11]測定葉綠素，并根據(jù)Arnon公式，計算葉綠素含量.具體步驟為：在避光室內(nèi)，取出待測樣品，剪碎，混勻.準確稱取0.500 0 g樣品于研缽中，加80%丙酮25 mL研磨，然后將研磨后的樣品濾入50 mL容量瓶中，用80%丙酮洗凈研缽和濾紙，洗液并入容量瓶中，且定容至50 mL，測鮮樣葉綠素含量.80%丙酮作參比液，分別在645和663 nm處測定樣品液的吸光值，并且按公式（11）、（12）和（13）計算葉綠素含量，重復3次[12].

式中：Ca為葉綠素a含量；Cb為葉綠素b含量；CT為總?cè)~綠素含量；V為提取液體積；m為樣品重.

表1和表2為生理指標參數(shù)和葉綠素測量結(jié)果.

表1 各處理組生理指標測試結(jié)果Tab.1 Physiological index test results of each treatment group

表2 各處理組的葉綠素a含量、葉綠素b含量和總?cè)~綠素含量Tab.2 Chlorophyll a，b and total chlorophyll contents of each treatment group

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，從表1可以看出，各處理組生理指標存在顯著差異，總體上LED處理組的白菜植株的根長、株高、葉長、葉寬、葉片數(shù)及生物量的積累等形態(tài)及生長指標都優(yōu)于對照組，說明LED光源可以有效促進白菜的生長.加入綠光LED的方案2的葉長、葉寬、株高、干濕重和含水量均大于方案1和熒光燈對照組，說明一定的綠光對白菜的生長是有一定促進作用的.從表2看出，方案1的葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量都大于方案2和對照組，說明紅藍組合光源比紅綠藍組合光源更能促進葉綠素積累.

4 結(jié)論

本文以點光源模型簡化單顆LED，借助光學仿真軟件Tracepro，對單元模塊進行仿真分析，結(jié)果顯示照明區(qū)域內(nèi)的輻照度分布均勻.然后，本文依據(jù)仿真模型，開發(fā)植物生長用LED光源模組，分析光源模組的R/B/G比例，并分析仿真實現(xiàn)的光源模組對白菜生長的作用，結(jié)果表明LED組合光源模組對白菜生長是有一定促進作用的，具體表現(xiàn)為：加入綠光LED的方案2光源模組下的白菜的葉長、葉寬、株高、干濕重和含水量均大于方案1和熒光燈對照組，說明一定的綠光對白菜的生長是有促進作用的.方案1的葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量都大于方案2和對照組.實驗證明本文對植物生長用LED光源模組的仿真實現(xiàn)方法切實可行，設計的LED植物生長光源排布合理，能夠滿足植物生長對光照的基本要求.

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Design of LED module used in plant growing

NIU Ping-juan1，3，TANG Xiao-xin1，2，ZHANG Wen-bin3，TIAN Hui-juan1，3，SU Zheng-xiao1，2，LIU Hang3，SUN Yong3
（1.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China.）

For light quality requirements of plant growing，LED light source modules were designed.Two schems proposed andaphalanxwith8linesand8 rows was adopted.Scheme 1 is that red and blue LEDs are uniformly and intervallic arranged in full line.Scheme 2 was that green LEDs were crossed-arranged in every line and row，the distances of twogreenLEDsandtwoblueLEDsarebothtwiceoftheadjacentredLEDsineachline.Amodel of point source was used to emulate the irradiance and the light quality in the reference plane in Tracepro software，the uniformity of two schemes is good.LED modules are fit for plant growing.According to the simulation model，we design these two LED panel，analyze the R/B/G ratios，and design the cabbages growing experiment.the results show that leaf length，leaf wideth，plant height，wet and dry weight and moisture content of Scheme 2 are all higher than those of Scheme 1 and the fluorescent group，indicating that some green light is good for cabbage′s growing.Chlorophyll a，b and total chlorophyll content of Scheme 1 are more than Scheme 2 and the control group.

artificial light source；LED；module design；plant growing

TN312.8

A

1671－024X（2015）03－0047－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.03.011

2014-11-17

火炬計劃（2013GH580096）；天津市高等學校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201310058036）

牛萍娟（1973—），女，博士，教授，研究方向為新型半導體發(fā)光器件、LED驅(qū)動電路和半導體照明應用系統(tǒng).E-mail：pjniu@hotmail.com