智能LED植物生長系統

江 天 張 瀟

(1.光莆電子股份有限公司，福建廈門 361009)

1 引言

經過半個世紀的發展，LED技術愈發成熟，尤其是近幾年，發展非常迅速，在照明和背光等領域展示出了強大的市場。而與此同時，越來越多的企業也開始關注LED在傳統照明之外的其他領域的應用，其中就包括LED植物照明領域，尤其是在紅光、藍光和遠紅外光等大功率單色光LED的技術的逐漸成熟之后。傳統的植物生長燈主要是采用汞燈和高壓鈉燈等，而作為第四代光源，LED應用在植物生長領域也有諸多優點，比如LED植物生長燈可以實現非常窄的植物生長需要的波段，提高光的利用率到90%以上，而傳統的植物生長燈還不到10%，大幅度地節約了能源;另外LED是冷光源，可以離植物很近而不會燒傷植物，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完美結合，對光質、光照時間和輻射度等進行智能調控，使得光能被植物更有效地吸收利用。

普通LED植物生長燈具雖然有節能、無污染、壽命長的優點，但大多只能簡單控制和定制好紅藍配比，對于LED光質、光照時間、輻射照度分布和環境反饋調節等方面全方位調節還未有成熟的產品出現。智能LED植物生長系統正是著重于一套具有MCU接口、可調控光質、時間和輻射度的植物生長照明系統。

智能LED植物生長系統包括了LED燈具、通過特定接口與傳感器連接的MCU系統2個部分。通過LED燈具內部的特定驅動模塊，可以在全光譜范圍內對LED光質進行調控;LED燈具與MCU連接后，可根據植物在不同生長階段、不同時間和不同環境下對光的需求自動調制出最適宜的光質和輻射度。

單個LED燈具內可對多個LED光源組合分別進行數字化控制，在應用時，可通過對多組燈具的聯合控制，實現對光質、輻射照度分布、環境反饋的控制。打造兼具節能、高效的智能植物生長照明系統，系統利用MCU與可調光驅動器配合，進行環境感測，高效能數字化調節，智能開關等。

此外，系統不僅可24小時監控LED裝置并即時回報異常狀況，還能對照明設備進行群組控制以調節能源，使照明系統更具智能化;而為加強LED光源穩定度，將可調光驅動器導入電路設計中，并提升能源使用效率。

2 LED植物生長燈了解

植物生長燈是依照植物生長規律必須需要太陽光，用燈光代替太陽光給植物生長發育環境的一種燈具。

提高農作物產量的辦法有多種，其中包括:

(1)生物技術，比如雜交水稻;

(2)化學方法，比如化肥、農和激素等等。

(3)物理方式，試圖通過光的調控來促進植物的生長，逐步減輕現代農業對化學技術的過度依賴。

植物生長燈就屬于其中的物理方式，通過調控光來促進植物的生長。

2.1 植物生長燈的優勢

傳統的植物生長燈主要采用汞燈和高壓鈉燈等，而作為第四代光源，LED的大規模研發和生產也促進了其在植物生長領域的應用。相比傳統的植物生長燈，LED植物生長燈具有非常明顯的優勢。

首先，LED植物生長燈可以實現非常窄的植物生長需要的波段，提高光的利用率到90%以上，而傳統的植物生長燈還不到10%，大幅度地節約了能源;另外LED是冷光源，可以離植物很近而不會燒傷植物，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完美結合，對光質、光照時間和輻射度等進行智能調控，使得光能被植物更有效地吸收利用。

表1 LED植物生長燈與傳統植物燈的參數比較Table 1 Comparison of LED plant growth lamp and traditional plant lamp`s parameters

2.2 光影響植物生長的三大因素

(1)光質

植物在生長過程中會吸收特定波長的光進行光合作用，主要集中在420nm到480之間的藍光和610到700之間的紅光。除此之外，其他波段的光對植物生長影響相對較小。

(2)光照強度

植物生長受到光總吸收量的影響。在冬季，自然光照不足，往往會影響植物花朵和果實的生長。

(3)光周期

很多植物的開花時間受到日照長短影響，我們稱這種對光敏感的現象“光周期”。比如，菊花只能在短日照的條件下才能正常產生花蕾。當給予長日照時，菊花就不會正常開花。根據光周期，我們可以將植物分為喜陰植物、喜陽植物和中性植物。

2.3 植物生長燈的應用領域和市場前景

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

目前市場主要集中在日本、韓國、美洲、歐洲等從事農業人員較少的國家和地區。但隨著LED植物生長燈產能和性能的提升，中國市場也進入爆發期。據調查，全球LED植物生長燈產值在2013年起開始呈現高速成長，產值雖僅千萬美元規模，但預估2014年將逾3500萬美元，2017年更可望挑戰3億美元，市場前景非常廣闊。

3 企業介紹

廈門光莆電子股份有限公司成立于1994年，是LED產業最早一批專業制造廠商的內資企業。總投資規模達5億，注冊資本1.14億，于2010年開始集團化經營模式，整合企業產業鏈，快捷、高效服務于客戶。

現公司下屬企業有廈門市光莆電子有限公司、廈門愛譜生電子科技有限公司、廈門光莆顯示技術有限公司。其中光莆電子涵蓋LED封裝、LED照明應用、大功率LED應用等方面，光莆顯示涵蓋10.1吋以下 BLUTV前框后蓋和 17－50吋 BL膠框LEDLightBar等產品，愛譜生電子主要生產 FPC、FPCA模塊、SMT等產品。

經過近二十載的努力，光莆已經成為國內唯一家同時能為全球前五大顯示器企業配套的LED封裝廠 (LG三星冠捷富士康明基)和中國光電子行業協會光電子分會理事單位、國家工信部半導體標準化工作委員會委員單位、中國綠色照明優質產品訂單生產企業、中國科技部“創新基金”優秀企業(全國唯一一家四次獲得獎章的民營企業)、中國火炬計劃承擔單位與國家重點項目產業化承擔單位、福建省光電協會副會長單位、福建省“LED封裝工程技術研究中心定點依托單位”等。

公司目前已申請專利100多項實用新型專利與發明專利，其中包括39項發明專利，46項實用新型專利，28項外觀設計專利和10項光莆專有技術。

光莆作為為省級LED封裝工程技術研發中心的依托單位，具有19年的光電器件開發和生產經驗;擁有技術研發人員120人，其中高級工程師20名。中心裝備了一批具有世界先進水平的科研試驗、分析儀器設備 (積分球，分布光度計，結緣電阻測試儀、耐壓測試儀等)，具有迅速進行新產品、新技術、新工藝的研究、驗證、檢測的能力。每年12%營業收入被投入到新技術、新產品的研發當中;承擔過幾十項國家、省、市、區級科技專項并順利通過驗收。

4 光莆LED植物生長燈介紹

4.1 固定配光型LED植物生長燈研發

固定配光型LED植物生長燈就是根據植物生長需要在設計初期就已經進行了燈珠配比的LED植物生長燈，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植物生長燈特點如下:

1)可根據客戶需要，生產出各種配光的植物生長燈;

2)超薄設計，占用空間少，適用于多層栽培;

3)特制鋁合金外殼，IP44防護等級;

4)低熱量，無需散熱模塊，且能讓光源與植物的距離更近，從而增加空間利用率。

5)高效節能，壽命高達4萬小時以上，光效是HID植物燈的10倍。

6)波長類型豐富、可根據需求調整正好與植物光合成和光形態建成的光譜范圍吻合并獲得純正單色光與復合光譜。

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

(續表)

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

4.2 智能型LED植物生長燈研發

智能型LED植物生長燈即可以根據不同植物的不同生長環境下的不同生長階段對光的要求的不同進行光質和光周期的調控。

光莆公司的智能型LED植物生長燈特點如下:

1)具有光強和光質的調節功能，可以應用于植物在生長各個階段，并可以通過調節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，讓控制更加簡捷

3)特制鋁合金外殼，IP44防護等級。

4)低熱量，簡潔設計，無需散熱模塊，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植物生長系統研發

針對植物組培、人工光育苗與種植、溫室補光等不同用途對光源的特定需求，通過自主研發，開發出一種以紅藍光LED為主要光譜成分、光環境智能可調的LED光源系統，可以顯著提升組培植物的光合效率，節能效果達80%以上。

4.3.1 關鍵技術和指標

智能LED植物生長系統的關鍵技術包括以下幾方面:

1)光譜波長和光強的科學配比技術;

2)光周期和光強調節的自動控制技術;

3)整個調光系統與清潔能源的對接技術;

4)智能化自動控制系統技術

主要技術指標有:

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

2)LED光源光強:100lx－6000lx;

3)平均使用壽命不小于10000小時;

4)LED光源的電源:交流220V/50Hz，直流12V/24V;

適用范圍:果類、瓜類、葉菜類、組織培養、育苗等;

4.3.2 進展與方向

經過一段時間的研發，在這個領域也做了不少工作，首先通過建模，針對蘭花、綠葉菜、長芽、藥材等，對波長配比、光照頻率、照射周期做智能調控;其次，植物智能生長控制系統不僅對光調控，還對溫濕度有統一的控制，讓LED植物生長燈達到最佳效果。

系統最終的效果，比如對于葉菜，將發芽期、組培期、長莖期、長葉期劃分為一、二、三期階段，在第1－3天采用針對發芽的光照波長、頻率配比，同時調整溫濕度;第4－10天針對組培期自動更換不同的光照、溫濕度配比……所有這些只需要在程序中預先設定，像自動洗衣機一樣開始時選擇模型啟動即可;

目前方向除了蘭花、葉菜、金線蓮外，還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、瓜果也是發展的方向之一。

4.3.3 智能LED植物生長系統的功能

1)能實現智能定時調節光配比和光強，能滿足不同植物在不同生長時期以及不同環境下對光的特定要求

2)能進行智能單燈或者多燈各自一體化控制

3)能對環境進行實時監控，并且自動化調整

4)配合智能化植物工廠，達到最佳性能

可以想象，在加入智能控制系統后，LED植物生長燈就會根據探測到的植物的實時生長狀況和環境，給予最合適的光質和輻射度，以及根據需要進行間斷性照射。我們在遠端就可以實時監控到植物的生長狀況，包括光合作用、生根發芽等情況，并實現真正意義上的一鍵操控。

5 光莆LED植物生長燈發展策略

作為一家專業LED封裝企業，光莆擁有19年的光電器件開發和生產經驗，以及專業的LED面板燈制造經驗，以及福建省LED面板燈標準起草者，光莆具有成熟的研發生產能力

我們定位于提供專業LED植物生長燈研發生產及解決方案，并借力合作，建立校企平臺，博眾取長，開放、學習借鑒，明確市場導向，生產優質產品。打造品牌，為LED植物生長燈和智能LED植物生長系統的發展和標準制定做出貢獻。

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