李建軍 李延國(guó) 劉柱 李敏任慧 楊眉 何禹 黃雷 歐志鵬 張航

(1.長(zhǎng)春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.白城市洮北區(qū)農(nóng)機(jī)局，吉林 白城 137000 )

溫室LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置的研究

李建軍1李延國(guó)1劉柱1李敏2任慧1楊眉1何禹1黃雷1歐志鵬1張航1

(1.長(zhǎng)春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.白城市洮北區(qū)農(nóng)機(jī)局，吉林 白城 137000 )

溫室LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置包括發(fā)光器件、多元化的發(fā)光二極管和能夠控制各自的多元化發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度的控制裝置。每組發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度都能被電腦程序單獨(dú)控制。而發(fā)光強(qiáng)度是根據(jù)植物生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度所決定的，以植物所需要的光照強(qiáng)度為參照來調(diào)整電位器，也可以通過網(wǎng)絡(luò)連接或者直接根據(jù)這個(gè)插件模塊進(jìn)行調(diào)整，通過給溫室創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)的光照條件來增加產(chǎn)量。

溫室；發(fā)光二極管；補(bǔ)光照明；光照強(qiáng)度

1 研究的背景

多年來，在氣候不佳或者不利于植物生長(zhǎng)的區(qū)域，溫室能夠給植物提供一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。在自然光照不充足的地方，或者需要持續(xù)提供最適宜生長(zhǎng)環(huán)境的有特殊要求的植物，如溫室生產(chǎn)反季節(jié)花卉、瓜果、蔬菜等，由于冬春兩季日照時(shí)間短，作物生長(zhǎng)緩慢，產(chǎn)量低，現(xiàn)在通過人工照明來彌補(bǔ)自然光照的不足已經(jīng)得到應(yīng)用。多年來，科研人員研制了各種各樣的人工照明設(shè)備，由于植物光合作用所需要的光照都是由太陽(yáng)光所提供的，因此人們?cè)噲D更精準(zhǔn)的仿制太陽(yáng)光。其中包括熒光燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈等。但是這些類型的燈光都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，這些類型的燈光除了提供可促進(jìn)植物光合作用的有效波長(zhǎng)的光之外，還包括無效波長(zhǎng)的光和不支持光合作用的光，造成了很大的能源浪費(fèi)。最近，發(fā)光二極管（LED）照明已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，它能夠提供更有針對(duì)性的波長(zhǎng)光譜，同時(shí)也能提高照明效率，節(jié)約能源。

研究表明，光照強(qiáng)度低于其補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)有機(jī)物質(zhì)的消耗多于積累，植株干質(zhì)量下降，甚至死亡。即使在弱光的條件下植株的生長(zhǎng)也表現(xiàn)衰弱、出現(xiàn)徒長(zhǎng)現(xiàn)象。如出現(xiàn)光合效率急劇下降，干物質(zhì)積累迅速減少，病害快速增加的情況，造成損失是理所當(dāng)然的了。

通過試驗(yàn)測(cè)量，在植物收到的主要光譜照射中，藍(lán)光和紅光所在波長(zhǎng)區(qū)域能夠發(fā)生最有效的光合作用，光合性輻射（PAR）可見范圍波長(zhǎng)大約從400～700mμ。如上所述，老式的照明燈（熒光燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈），產(chǎn)生的是全光譜照明，一部分電力浪費(fèi)在綠光、黃光和橙色波長(zhǎng)的光上，即使有光合作用也很少被利用。目前的LED燈可以提供一些特定波長(zhǎng)的光來支持植物光合作用。但是，提供不同波長(zhǎng)的光也是很有限，通常只能提供2種，并且不能獨(dú)立調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度。

研究表明，不同的植物光合作用所需的光在波長(zhǎng)上有微小的不同。此外，特定類型的植物在生長(zhǎng)過程中的不同階段，可能藍(lán)光更適合光合作用，而在生長(zhǎng)的另一個(gè)階段紅光更適合光合作用（例如，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和果實(shí)成熟階段）。在促進(jìn)植物光合作用上，LED光已經(jīng)被證實(shí)優(yōu)于其他類型的光。

進(jìn)一步研究表明，當(dāng)慢慢地增加和減少光照強(qiáng)度，把光源開關(guān)打開和關(guān)閉模擬一天的自然光，植物能做出積極的回應(yīng)。另外，植物最佳光合作用所需要的光照強(qiáng)度是有上限的，超過這個(gè)上限值，植物也不能健康的生長(zhǎng)。

2 技術(shù)要點(diǎn)

溫室LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置采取一個(gè)或者多個(gè)措施給植物提供光合作用所需的光照，而且這個(gè)光照能隨著時(shí)間和植物的需要進(jìn)行變換。

控制裝置可為植物提供一個(gè)慢慢增加和減少不同波長(zhǎng)的照明，以模擬一天之內(nèi)的自然光。

提供多組可調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的LED燈組，即敏捷光合作用光譜LED燈。它能提供8個(gè)通道的光和其他定制的更多通道的光，以適應(yīng)大多數(shù)植物種植者的特定需求。特定通道的光的波長(zhǎng)通過選擇LED燈組來實(shí)現(xiàn)，按照通道的波長(zhǎng)將這些LED燈組安裝在一系列的電路板上。這樣用已有的燈具就能夠建立8個(gè)通道或者更多的自定義通道。每個(gè)通道都有獨(dú)立的光照強(qiáng)度控制，能調(diào)節(jié)LED燈組的強(qiáng)度從零到最大額定功率，另外也有手動(dòng)調(diào)節(jié)（手動(dòng)模式）和軟件程序控制（自動(dòng)模式）2種控制方式，便于同時(shí)調(diào)整所有通道的光照強(qiáng)度。

控制裝置包括一個(gè)多元化的發(fā)光二極管，每組包含一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光二極管。而且每組發(fā)光二極管包括一個(gè)控制發(fā)光強(qiáng)度的裝置來控制每組發(fā)光二極管的光照強(qiáng)度。

控制裝置包括一個(gè)電腦內(nèi)存，可以儲(chǔ)存植物對(duì)光強(qiáng)需求的所有數(shù)據(jù)，該控制裝置按照電腦儲(chǔ)存的光強(qiáng)數(shù)據(jù)來控制每組發(fā)光二極管的光照強(qiáng)度。這個(gè)裝置通過安裝一個(gè)電腦軟件程序來配置每組驅(qū)動(dòng)程序，其程序?yàn)橹绷黩?qū)動(dòng)程序或者是脈沖寬度調(diào)節(jié)程序。

控制裝置還包括光線傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換界面，以便多組發(fā)光二極管發(fā)出的光定向傳遞給植物。

3 控制裝置構(gòu)成及附圖說明

3.1 顯示的是控制裝置的控制流程和系統(tǒng)框架圖

圖1 控制裝置的控制流程和系統(tǒng)框架圖

3.2 顯示的是LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置的軸測(cè)圖

圖2 LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置的軸測(cè)圖

3.3 顯示LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明裝置的剖視圖

圖3 LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明裝置的剖視圖

3.4 LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置的縱截面示意圖

包括一個(gè)附加的LED的電路板，一個(gè)接口連接到一個(gè)或者多個(gè)具體設(shè)備上。

圖4 LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置的縱截面示意圖

3.5 顯示了調(diào)整端口插頭為手動(dòng)控制方式

圖5 調(diào)整端口插頭為手動(dòng)控制方式

4 補(bǔ)光照明裝置工作原理

光從多組發(fā)光二極管發(fā)出來照射植物，并且根據(jù)植物的需求來控制光的強(qiáng)度。發(fā)光裝置包括一個(gè)控制光強(qiáng)的裝置，每組設(shè)備可以從光譜中選擇對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光，每組發(fā)光裝置都是根據(jù)主波長(zhǎng)選擇發(fā)出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光。

進(jìn)一步來說，該裝置能夠多元化的控制發(fā)光二極管的光照強(qiáng)度定向照射植物并遵循一個(gè)周期循環(huán)，其中光強(qiáng)逐漸增加，強(qiáng)度峰值增強(qiáng)，然后逐漸減少，強(qiáng)度峰值降低，然后再逐漸增加到峰值強(qiáng)度，24h為一個(gè)周期，重復(fù)循環(huán)。不同的光照時(shí)間峰值強(qiáng)度有所不同，低強(qiáng)度可能出現(xiàn)在一段時(shí)間的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)一個(gè)多元化的光照強(qiáng)度傳感器對(duì)應(yīng)多組的傳感器來控制每組的光照強(qiáng)度。

如圖1，控制裝置1的照明裝置包括1個(gè)主供應(yīng)電源4，電源開關(guān)3，直流電源總線2，照明控制設(shè)備（包括：1個(gè)總控制，8個(gè)通道，1個(gè)調(diào)節(jié)裝置）8，1個(gè)遙感控制總線24，1個(gè)程序控制管家25，數(shù)字控制接口26，無線接收器27，直接網(wǎng)絡(luò)接口28，無線接口29，端口30或31，用戶輸入，第1～8 LED驅(qū)動(dòng)通道分別對(duì)應(yīng)32～39，全部LED燈組40包括：第1～8通道LED燈組分別對(duì)應(yīng)41～48。

控制設(shè)備8包括手動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)處理器和裝載植物光強(qiáng)要求和植物多樣性的相關(guān)數(shù)據(jù)的內(nèi)存。必要的光照強(qiáng)度或者植物需要的標(biāo)準(zhǔn)照明和詳細(xì)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)由LED燈組41～48提供，且可漸變、獨(dú)立或協(xié)同，1d內(nèi)，一組PWLs強(qiáng)度低（模擬夜間，在日出之前），在另一組PWLs峰值強(qiáng)度的光（即模仿中午時(shí)間或當(dāng)太陽(yáng)光照最強(qiáng)的時(shí)候），然后回到強(qiáng)度低的前一個(gè)或另一組PWLs光（太陽(yáng)下山之后），控制設(shè)備8的計(jì)算機(jī)內(nèi)存可根據(jù)不同的季節(jié)或者特定的植物照明需求存儲(chǔ)編程模擬光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)1a內(nèi)的不同時(shí)間設(shè)定不同的峰值強(qiáng)度和不同的光照強(qiáng)度。也可以通過編程，提供不同的光強(qiáng)峰值和不同的光強(qiáng)谷值。PWL 8個(gè)通道的不同光強(qiáng)變化率具體取決于植物生長(zhǎng)周期的不同階段和植物的種類。

主供應(yīng)電源4，包括普通輸入5。如圖1所示。主供應(yīng)電源4為一個(gè)穩(wěn)定電源的已校正的直流電流電源，它能為通用獨(dú)立的8個(gè)LED通道供電并驅(qū)動(dòng)32～39傳送各自的LED信息到通道LED燈組41～48。

在此照明控制裝置中，LED驅(qū)動(dòng)通道32～39中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)都能和通道調(diào)節(jié)電位計(jì)10串聯(lián)，LED燈組通過直流電流連接驅(qū)動(dòng)通道32～39，這種情況需要限制光強(qiáng)的頻率轉(zhuǎn)變，電流驅(qū)動(dòng)能獨(dú)立的為驅(qū)動(dòng)通道32～39配置脈沖寬度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)程序。

LED燈組41～48中的每個(gè)LED燈，都和多元化LED燈組51中的LED類似，與圖2中的多元化LED燈組51有相同的或者相類似的LED器件。如上文所述，驅(qū)動(dòng)通道32～39中的每個(gè)驅(qū)動(dòng)可以選擇配置為直流驅(qū)動(dòng)或者脈沖調(diào)制當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)程序。白色的LED燈被整合到41～48LED燈組中，為植物生產(chǎn)或者光照不充分的地方提供全光譜照明。

通過使用這種LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置，可以進(jìn)一步提高光的利用效率，此系統(tǒng)不提供或很少提供沒有光合作用的光照，并且允許用戶根據(jù)任何被給定的植物的頻率波長(zhǎng)而設(shè)定通道上光照的頻率，以免過分的光照強(qiáng)度會(huì)使植物受到傷害而減產(chǎn)。目前，市場(chǎng)上的絕大部分照明補(bǔ)光裝置不能提供所有這些功能特征，也不具備減少光的輸出能力。

如圖5，自身定位電位計(jì)提供適應(yīng)進(jìn)入插孔，通過特別的設(shè)計(jì)，保護(hù)這種調(diào)節(jié)端口和其他的控制裝置及部件不被灰塵、碎片和環(huán)境濕度影響。

在現(xiàn)實(shí)中，自動(dòng)控制系統(tǒng)具有適應(yīng)發(fā)光系統(tǒng)的能力。目前，可以通過從植物上漸漸減少或者增強(qiáng)各種光波的強(qiáng)度，就像每一天太陽(yáng)的升落那樣模擬控制該裝置循環(huán)往復(fù)的持續(xù)工作。

5 裝置特點(diǎn)

控制裝置的每組集光發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的光；

所研究的控制裝置1內(nèi)存是計(jì)算機(jī)內(nèi)存；

控制裝置包括多個(gè)可調(diào)節(jié)的電位器，每個(gè)電位器對(duì)應(yīng)一組發(fā)光二極管去控制其發(fā)光照強(qiáng)度，并且該發(fā)光二極管的發(fā)光照強(qiáng)度是根據(jù)這個(gè)植物生長(zhǎng)所需的光的波長(zhǎng)強(qiáng)度所決定的；

控制裝置的保護(hù)措施，保護(hù)每組發(fā)光二極管不與灰塵，碎片，昆蟲以及水分直接接觸。還可防止每組發(fā)光二極管的電壓過高、電流過大、溫度過高；

控制裝置每組驅(qū)動(dòng)程序的每個(gè)驅(qū)動(dòng)都是一個(gè)脈沖寬度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)，可以轉(zhuǎn)變這個(gè)發(fā)光裝置發(fā)出光的主要波長(zhǎng)。通過安裝一個(gè)電腦軟件程序來配置每組驅(qū)動(dòng)程序的驅(qū)動(dòng)，可配置成直流驅(qū)動(dòng)程序或者是脈沖寬度調(diào)節(jié)程序；

植物補(bǔ)光具有光譜純，光效高，節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)；

可以根據(jù)植物生長(zhǎng)的需要，通過預(yù)先植入的程序控制光照的強(qiáng)度和時(shí)間及波長(zhǎng)，由此促進(jìn)植物健康的生長(zhǎng)。

6 結(jié)論

通過提供特定波長(zhǎng)的光來適應(yīng)各種溫室內(nèi)農(nóng)作物的光合作用需求，最大限度的捕捉光能，充分發(fā)揮植物光合作用的潛力，使植物得到健康生長(zhǎng)，不僅增加作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)，還能高效地利用土地資源，增產(chǎn)增收，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益；

能夠提供更有針對(duì)性的波長(zhǎng)光譜，減少了輸出無作用光的能量消耗，在很大程度上提高了光的利用率和照明效率，節(jié)約了能源。解決了溫室反季節(jié)作物栽培中的一個(gè)關(guān)鍵性植物光照不足的問題；

植物補(bǔ)光自動(dòng)化程度高，可根據(jù)作物生長(zhǎng)條件，恰當(dāng)?shù)亟o植物提供進(jìn)行光合作用的有效光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、光照波長(zhǎng)，減少了管理者的勞動(dòng)強(qiáng)度；

無論在晴天、陰天、雨天，都可以合理有效延長(zhǎng)和科學(xué)控制植物所需要的光照；

LED高效節(jié)能補(bǔ)光照明控制裝置可廣泛應(yīng)用于溫室花卉、蔬菜種植中，解決了普通燈光的光譜成分中光質(zhì)不純、光強(qiáng)不一致、光源照射能效低等弊端，可在設(shè)施栽培環(huán)境中大量應(yīng)用，是設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

S625

A

10.11974/nyyjs.20161232007

李建軍（1974-），男，農(nóng)業(yè)工程碩士，長(zhǎng)春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域科研、推廣工作。