工業4.0背景下智能化LED的研究進展

韓學才 童伊琳

摘 要：隨著工業4.0概念的出現，生產制造的傳統思維正經歷著前所未有的沖擊，工業化和信息化的高度融合和升級將是未來生產模式轉變的主旋律。作為具有龐大照明市場的LED行業，在新的歷史形勢下，只有走LED智能化的道路才能越走越遠。就目前而言，對于LED智能化的方向主要分為農業智能化和光通訊智能化兩個方面。

關鍵詞：工業4.0；智能化LED；農業；光通訊

引言

在互聯網概念還處在世界主流地位時，德國學術和產業界于2013年在漢諾威工業博覽會上第一次提出了“工業4.0研究項目”，此概念的核心是信息物理融合系統（Cyber-Physical Systems，CPS），整合各種數字信息、資源、產品和人，從而建立起高效快速靈活的信息化，數字化的產品與服務的生產模式。此概念一經提出則從德國迅速傳播到歐洲，并開始影響世界[1]。

1 智能化LED照明的內涵

傳統的LED早在1962年就已經出現，一開始LED產品只能發出低光度的紅光，而現在能發出的光已經遍及可見光、紅外光以及紫外光；同時用途也從最初的指示燈、顯示板發展到顯示器、采光裝飾和照明[2]。近年來，隨著互聯網，云計算等新技術的出現，人們已經不滿足于LED照明高亮度、低能耗、壽命長、功率小的這些基本的功能和所帶來的經濟效益，而是更多的以LED與先進物聯網和云計算技術相結合，從人體心理學、生理學和社會學出發，考慮個體舒適度，光生物安全等改善學習、工作和生活的條件軟指標和減少空氣污染保護環境的社會效益，即LED的智能化[3]。

而在工業4.0的大背景下，結合近十幾年來傳統LED同質化低端化出現嚴重產能過剩的問題，我們對于LED產品的發展和需求已經不能僅僅的停留在照明的本身性能上，而是努力的與其他產業技術相結合，以期獲得具有復合功能的LED智能燈，從而對LED產業產能進行分流。就目前為止，有兩個主要的分流方向，第一個是向農業照明領域突破，第二個就是向光通訊領域發展。

2 LED農業智能化

在農業方面，我們知道光是植物生長發育最為重要的環境因素之一，對于植物的光合作用和生長發育新陳代謝都有著直接的調節作用[4]。目前已知的環境因素，比如相對的潮濕、溫度、光強度和光質量都對植物的生長和發展有著密切的影響。而在這些因素中，光質量則直接影響植物干的生長，側分枝，葉擴展和色素的沉積等主要的生長指標。而這些光質量的集成，主要是通過持續強度的紅光，藍光，同時荷爾蒙信號的路徑對植物有著深刻的影響觸發生理學反應從而對植物的生長和發展起著控制作用。

采用LED作為控制植物生長的人工光源的優勢在于具有高的能量轉換效率、使用的是直流電源、產品體積小，壽命長、波長確定、光強度/質量比可調和低的熱能輸出。一些農作物已經在被LED光照下進行培養了，比如蝸居、辣椒、小麥、菠菜等。研究表明，紅光對植物光合作用的器官發展有著重要的作用，同時它還可以增加植物上淀粉的積累量。同時有報道，用遠紅外輻照植物可以提高稻殼的抗氧化性。這表明特定的光照輻射可以增加食物中的營養成分[5]。總的來說，從長遠的角度去看，LED大有取代傳統照明光源的趨勢。

基于LED的智能照明系統技術可以被廣泛的應用于植物或動物的生物研究中；同時這種智能系統還可以比較精確的確定特定植物生長所需要光照的強度和質量；另外智能系統還可以分析不同光脈沖條件下植物的生長情況影響。可以預見基于LED的農業智能化系統將會是“工業4.0”在農業上應用的重要體現。

3 LED光通訊智能化（lifi）

Lifi被認為是一種在21世紀出現的新的光設備。設計這種設備的基本思想是可以通過LED的燈光對數據進行傳輸。但通過LED光能傳輸的數據數量還是相對較少的。目前，Lifi被稱為Wi-Fi的一個優化的版本，它的優勢在于可以通過無線通訊大量的降低成本。被譽為“Li-Fi之父”的英國愛丁堡大學教授Harald Hass（哈拉爾德-哈斯）認為Lifi技術的核心在于發光二極管的強度和潛力[6]。他同時認為這種技術可以改變我們上網，視頻，收發郵件等等。由于社會發展對數據的傳輸是有廣泛的需求，所以lifi技術的應用可以擴展到那些Wifi技術覆蓋不到的領域，比如醫學技術，發動機等各種其它的行業。由于lifi被認為是有著最快速的互聯網接入服務，所以這項技術就很有可能取代目前研究所和公司中廣泛應用的wifi，同時人們可以用lifi技術擴展更多的特殊領域[7]。

4 結束語

在工業4.0概念的影響下，LED傳統行業必然要向智能化的趨勢進行轉變，其發展方向也必然是工業化和信息化的高度融合。21世紀被稱為“光的世紀”，而植物所具有的光合作用也是萬物生命的基礎，憑借著LED人工照明系統高光效低能耗，同時兼顧信息化可調控的優勢，LED農業智能化將會推動農業和生物行業的高速大發展。另一方面，在光通訊行業，Lifi的概念開始漸漸受到人們關注，這不僅僅是因為其相比于無線電磁波更高效，更廣泛的應用。當越來越多的人和設備接入無線網中，在空氣中傳播的電磁波就會越來越阻塞，這使得人們獲得一個持續的高速的信號變得很困難。所以基于LED的lifi技術的出現可以克服目前無線網絡中的諸多限制，從而提供一個安全、高效、高速的光通訊環境。

參考文獻

[1]左沈怡.工業4.0有多遠？[J].上海國資，2015，1：52-54.

[2]王公龍.LED照明燈的推廣使用[J].城市建設理論研究（電子版），2015，5：2248-2249.

[3]曹勇.探討現代建筑電氣中的智能照明問題[J].赤子，2013，6.

[4]戰吉 ，黃衛東，王利軍.植物弱光逆境生理研究綜述[J].植物學通報.2003，1：43-50.

[5]Jeong Wook Heo，Chun Woo Lee，Kee Yoeup Paek.Influence of Mixed LED Radiation on the Growth of Annual Plants[J].Journal of Plant Biology.2006，49：286-290.

[6]Kanchan Gupta.Lifi-Light Fidelity Technology-A Review[J].International Journal of Research，2014，11：135-139.

[7]N.Navyatha，T.M.Prathyusha，V.Roja，M.Mounika.Li-Fi（Light fidelity）-LED Based[J].International Jounal of Scientific&Engineering Research，2013，5：1039-1042.

作者簡介：韓學才（1985-），男，漢族，湖北省武漢市人，工學博士，研究方向：光電子信息。

童伊琳（1987-），女，漢族，湖北省武漢市人，工學博士，研究方向：光電子信息。