王躍飛，呂天剛，呂鶴男，黃 巍

（1.鴻利智匯集團(tuán)股份有限公司，廣州 510890；2.廣州市萊帝亞照明股份有限公司，廣州 510890）

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和人工光技術(shù)的發(fā)展，人工光在農(nóng)業(yè)栽培中的應(yīng)用越來越廣，如人工光植物工廠，人工光育種，人工光藥材種植和人工光花卉繁殖，等等。農(nóng)業(yè)栽培實(shí)景如圖1所示。研究表明，除了環(huán)境溫度、濕度和二氧化碳含量以外，光是影響植物生長和發(fā)育最為關(guān)鍵的影響因子[1]，對(duì)光照系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能加速植物生長發(fā)育并減少能量損耗[2]。人工光在農(nóng)業(yè)栽培中的推廣應(yīng)用，擺脫了人類數(shù)千年來靠天吃飯的舊模式，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展過程中一次飛躍。而半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)的不斷發(fā)展又為智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)帶來新的契機(jī)，由于發(fā)光二極管（LED）作為最新一帶光源，較傳統(tǒng)光源，除了高效節(jié)能、環(huán)保和長壽命外，還有一個(gè)最大的特點(diǎn)就是其本身是半導(dǎo)體材料，其特性就是天然與數(shù)字電路相兼容，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)高度智能化[3]。結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、智能、高效、節(jié)能、健康和環(huán)保的智慧農(nóng)業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)方式[4]。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)適合農(nóng)業(yè)栽培的LED照明控制系統(tǒng)，并使用了DIAlux程序進(jìn)行了仿真模擬[5]。為了用戶使用便利，提高用戶體驗(yàn)感，利用Bluetooth無線通信技術(shù)制作了可以遠(yuǎn)程控制的控制器，并開發(fā)出了可以安裝于智能手機(jī)的控制系統(tǒng)App“Plant Lamp Terminal Control System”（植物燈終端控制系統(tǒng)）。

圖1 農(nóng)業(yè)栽培實(shí)景

1 光源及控制系統(tǒng)技術(shù)方案

1.1 光源選擇

影響植物生長的光合作用是在自然光譜的一定波段下進(jìn)行的，如圖2所示，UVR8、隱花色素、向光素、ZTL基因家族及光敏色素的光響應(yīng)范圍[6]。

圖2 UVR8、隱花色素、向光素、ZTL基因家族及光敏色素的光響應(yīng)范圍

植物的生長發(fā)育不僅受光子輻照度（在植物生理學(xué)范疇內(nèi)，即為光合有效的光子通量密度，Photosynthetically Active Photon Flux Density，PPFD，通常稱為“光強(qiáng)”）的制約，而且受光譜分布（不同波長的光及其不同組成比例，在植物生理學(xué)范疇內(nèi)，通常稱為“光質(zhì)”）的影響[7]。隨著植物種類和生長時(shí)期的不同，不同波長的光被用于植物生長[8]。光環(huán)境對(duì)植物的生長十分重要，為了在植物栽培中使用人工光源，需要利用現(xiàn)代光電技術(shù)和信息技術(shù)開發(fā)能輻射特定波長類似自然光光譜的光源。特別是對(duì)于完全人工光型的照明設(shè)施，高效、節(jié)能和智能等技術(shù)指標(biāo)成為重要的研究課題。為了照明設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該使用光合效率高、光質(zhì)好、安全可靠和長壽的光源。近年來，光合光子通量密度（PPFD）和光合有效輻射（PAR）的人工光源LED被廣泛用于作物栽培領(lǐng)域[9]。LED不僅具有長壽命的優(yōu)點(diǎn)，還具有波長覆蓋廣，并可根據(jù)需求定制輻射波段的優(yōu)點(diǎn)，還具有可以利用數(shù)字電路根據(jù)植物種類和生長時(shí)期的精確計(jì)算所需混合光的特點(diǎn)。因此，本研究開發(fā)出了農(nóng)業(yè)栽培用人工光源及控制系統(tǒng)。提出帶光學(xué)透鏡的植物生長用LED光源，改善了配光特性，并對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培場所進(jìn)行建模，利用光學(xué)模擬程序DIAlux進(jìn)行驗(yàn)證。并根據(jù)植物的生長時(shí)期和種類，制作了無線控制LED照明的應(yīng)用App，為用戶提供了便利。

1.2 光照模塊

光照作為光合作用的能量來源是影響植物生長的重要因素之一，光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期等都會(huì)對(duì)植物生長發(fā)育和形態(tài)建成產(chǎn)生較大影響[10]。自然光是植物生長所需最好的光源，為了彌補(bǔ)因氣候和環(huán)境變化引起的自然光不足或?yàn)樘岣咧参锷L效率及完全避免對(duì)太陽的依賴，人們采用人工補(bǔ)光或全人工光形式進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。通常，人工光照采用高PPDF和高PAR的LED，對(duì)于農(nóng)業(yè)栽培用戶來說，最重要的是綜合經(jīng)濟(jì)效益[11]。

為了提高光合作用效率，本項(xiàng)目采用適合設(shè)施農(nóng)業(yè)的高輻射強(qiáng)度和均勻度的透鏡陳列的LED模塊，如圖3—圖5所示。光學(xué)透鏡與LED光入射面和光輸出面的位置關(guān)系，根據(jù)光照模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了組合優(yōu)化，優(yōu)化的鏡片呈水平方向軸對(duì)稱形式，形成垂直方向的不對(duì)稱形式的光型，能夠?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)用戶提供最佳配光形態(tài)。

圖3 本項(xiàng)目器件光學(xué)配光曲線模型

圖4 本項(xiàng)目LED器件

利用這種光學(xué)鏡片設(shè)計(jì)出了具有優(yōu)秀的散熱和配光特性的植物生長用LED照明模塊，如圖5所示。

圖5 本項(xiàng)目LED模組

1.3 控制系統(tǒng)

植物對(duì)光的需求主要體現(xiàn)在光輻射照度、光周期和光譜分布3個(gè)方面，也稱之為植物生長的“光環(huán)境”[12]。因此，本文光源模組及配套控制系統(tǒng)都是圍繞這一需求目標(biāo)進(jìn)行研究開發(fā)，以提供一種能根據(jù)不同植物、不同生長階段進(jìn)行光環(huán)境定制和優(yōu)化的最佳效果。圖6中使用了一個(gè)智能手機(jī)Arduino操作系統(tǒng)App，Arduino和LED燈之間無線通信的原理方框圖。使用了藍(lán)牙模塊和智能手機(jī)，可以分別控制不同波長段LED光源的ON/OFF狀態(tài)和輻射通量輸出比例。該專門運(yùn)行于智能手機(jī)平臺(tái)的控制App“Plant Lamp Terminal Control System”為用戶使用提供了操作便利性。

圖6 LED調(diào)光控制器

2 設(shè)計(jì)實(shí)施和驗(yàn)證

2.1 設(shè)計(jì)過程

利用DIAlux程序分析了本項(xiàng)目LED光照模塊在模擬應(yīng)用場景下的光強(qiáng)分布特性和輻射照度均勻度特性。應(yīng)用場景模擬如圖7所示。

模擬使用480 W LED光照模組，在圖7的基礎(chǔ)上對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施進(jìn)行了建模。農(nóng)業(yè)栽培場所的建模標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為長6 m，寬5 m，高3 m的封閉空間，光源高2 m。模擬結(jié)果：光強(qiáng)分布特性結(jié)果如圖8所示，被照射面平均照度特征如圖9所示。模擬證實(shí)了本項(xiàng)目的LED模塊的光照度特性達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖7 應(yīng)用場景模擬

圖8 光強(qiáng)分布分析

圖9 被照射面輻射照度均勻度分析

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本研究開發(fā)的LED照明控制系統(tǒng)的前期工作，由植物生長用LED模塊，提供電源的AC-DC轉(zhuǎn)換裝置，無線通信藍(lán)牙模塊，用于LED模塊調(diào)控控制裝置和安裝于Arduino系統(tǒng)的應(yīng)用App等部分組成，LED光照控制系統(tǒng)實(shí)物，如圖10所示，本項(xiàng)目產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)景照片如圖11所示。

圖10 LED光照控制系統(tǒng)實(shí)物圖

圖11 本項(xiàng)目產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)景照片

本項(xiàng)目專門設(shè)計(jì)的智能手機(jī)App“Plant Lamp Terminal Control System”運(yùn)行界面如圖12所示。經(jīng)檢測證明，通過運(yùn)行Android應(yīng)用程序“Plant Lamp Terminal Control System”，藍(lán)牙可以正常連接，并使用App內(nèi)部的setBrightness、BRIGHT和TIMER按鈕，可以控制LED模塊，并調(diào)節(jié)輻射通量和時(shí)間。

植物用發(fā)光二極管（LED）照明模塊的亮度控制使用了Android內(nèi)置的一款高級(jí)應(yīng)用SeekBar。SeekBar允許控制供應(yīng)給LED照明模塊的電流，根據(jù)植物種類和生長時(shí)期調(diào)輻射波長、節(jié)輻射照度和照射時(shí)間，如圖12所示。因此，本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)可以為不同種類和不同生長時(shí)期的植物提供最佳的光照環(huán)境。

圖12 LED控制系統(tǒng)實(shí)物演示

3 總束語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)了一款農(nóng)業(yè)栽培用人工光源及控制系統(tǒng)，包括一個(gè)基于Android的智能手機(jī)應(yīng)用程序，該LED光照控制系統(tǒng)，可根據(jù)植物類型和生長季節(jié)，對(duì)不同輻射波長的光輸出進(jìn)行無線控制。為農(nóng)業(yè)栽培提供便捷、高效和良好用戶體驗(yàn)感的光照環(huán)境。經(jīng)DIALux對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，光照模塊在模擬應(yīng)用場景下的光強(qiáng)分布特性和輻射照度均勻度特性指標(biāo)優(yōu)異。使用本項(xiàng)目提出的植物生長用LED照明模塊和照明控制系統(tǒng)，可以為農(nóng)業(yè)栽培提供優(yōu)化的光照環(huán)境，改善農(nóng)戶的生產(chǎn)效率的同時(shí)用戶體驗(yàn)感也大大提高。