基于多光質燈珠的光配方動態可調LED植物燈及其控制器設計

程 敏，季 清，吳仁杰，黃 蓉

(蘇州大學，江蘇 蘇州 215000)

引言

植物補光技術使用人工光源作為自然光的補充，能夠在植物的生長過程中提供更合適的光照環境，對光合作用、形態建成和物質代謝產生積極作用。然而，光照環境在植物生長所需的所有環境因子中最復雜、最難調節。近年來，植物光質生理學的研究也表明，不同類型的植物在不同階段所需要的最優光照條件也存在差異。如何通過人工光源對光照參數進行精準調節，對構建和應用最優光配方非常重要，成為促進植物生長植物補光的技術關鍵。

光照環境的參數主要包括光照強度、光周期和光質三個部分，稱為光配方[1]。光照強度是光照環境中最為直觀的因子，它對植物生長也起決定性作用。對于絕大多數植物而言，它們的光合作用效率一般與光照強度呈現正相關狀態，直到光照強度達到光飽和點。光周期是指晝夜周期中光照明期和暗期長短的交替變化，太陽光照的光周期即為白天與黑夜的交替。光周期調控對于誘導開花很重要[2]，且不同植物所需的光周期也有所不同[3，4]。光質即光譜分布，植物對于不同波長的光照的吸收強度是不一樣的。植物通過光合色素來吸收和傳遞光能，常見的光合色素為葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素，它們的吸收光譜如圖1所示。

圖1 植物吸收光譜Fig.1 Plant absorption spectrum

植物對光質的需求和響應機理很復雜，針對不同種類植物的最優光配方的研究是近年來光質生理學領域的熱點問題。考慮到植物種類對光照環境需求的差異，光配方的構建需要能夠調節光質比的植物燈，以便于嘗試不同光質構成對植物生長的影響。在光配方的實際應用中，也需要在植物生長的不同階段，結合空氣和土壤等其它環境參數動態調節光配方，使植物始終生長于最優的光照環境。

LED作為新型光源，具有光譜集中、發光效率高、冷光源和可控性好等優點[5]，近年來被認為是最優質的植物燈光源。但目前市面上的植物燈，通常使用單色LED芯片搭配的方式構成光譜，其光質以及光周期并不能進行動態調控，且存在無效光照面積大、光分布不均、必須貼近植物等問題，無法使植物獲得優質的光照環境。

為了解決以上問題，本文設計一種使用紅、藍、暖白、遠紅(Red, Blue, Warm White, Far Red, RBWF)四芯片集成LED作為光源，并對光分布進行優化，同時采用嵌入式可調恒流的方式驅動LED植物燈，能夠以光配方模式動態調節光質比、光照強度和周期，使LED植物燈能夠適應不同植物在不同生長階段對光照環境的需要。

1 多光質LED燈珠的光質設計

紅光是植物生長過程中所需要的最主要光質，能夠通過光合色素吸收驅動光合作用，還能夠通過光敏色素在調控光形態建成上發揮作用，生物需求數量居于各種單色光質之首。藍光對植物光合作用的促進僅次于紅光，以外還具備抑制莖伸長、刺激氣孔張開等信號調控作用，不同物種對藍光的生物響應差異很大。綠光更能深入冠層，促進底層葉片光合作用，改善植物品質、逆轉藍光對氣孔的刺激[6]。紫外光中部分光質能夠影響植物的光形態建成和次生代謝，誘導脅迫響應。遠紅光對光合作用意義不大，但是紅光/遠紅光比值對作物株高、節間長、開花等形態建成具有重要作用[7，8]。

由于植物的多樣性，不同的植物最適合的光譜并不相同，如生菜、草莓、油菜、黃瓜生物量最大的紅藍光比例分別為12∶1、7∶3、1∶3、9∶1[9，10]。而且，同種植物在不同的生長階段所需的光譜也不盡相同。如紅光在生菜苗期并不利于生物同化物的積累，而在生菜的成熟期可以顯著促進葉片同化物積累[11]。

目前市面上常見的LED植物燈通常采用紅藍兩種單芯片LED，通過預先設定紅藍光配比，產生固定的光譜，其光質比、光照強度和周期不可動態調節，無法適應不同植物在不同生長階段對光照環境的需要。

大功率多光質LED燈珠在每顆燈珠中集成了3～5種發光芯片，每種光質的發光亮度獨立可調，相比固定燈珠搭配方式的LED植物燈而言，更適合光配方模式的應用。然而，發光芯片本體直接限制了多光質燈珠光譜調節的自由度，常見的大功率多光質LED燈珠為紅、綠、藍、白(RGBW)四色，其光質構成不適合直接應用于植物補光。因此，本文首先通過設計和選取合適波長的發光芯片組合為LED燈珠，使其可能產生的光譜能夠適用于不同種類植物在不同生長階段對光質構成進行動態調節的需求。

由圖1可知，葉綠素吸收光譜的最強吸收區有兩個：一個在波長為640～660 nm的紅光部分，另一個在波長為430～450 nm的藍紫光部分。紅光和藍光是植物生長最重要的兩種光質，也是目前植物光質生理響應中被研究最多、配方積累最有經驗的兩種光質，因此，紅藍光是必選光質芯片。植物對綠光的需求不多，而白光中的綠光、黃光和橙光部分能夠對光譜實現高效率的補充。遠紅光(700～760 nm)作為特殊光質，可以適用于藥用植物和花卉栽培場合的需求。

本設計的LED燈珠包含紅光、藍光、暖白光和遠紅光(RBWF)四種光質，如圖2所示。其中，紅光(Red)波長655～660 nm，藍光(Blue)波長為452.5～455 nm，暖白光(Warm White)色溫為2 800～3 200 K，遠紅光(Far Red)波長為725～730 nm。四種光質的發光芯片集成于單顆LED燈珠中，每顆燈珠有8個引腳，每種光質芯片芯片兩個引腳，分別連接其陽極和陰極，四中光質芯片的發光亮度能夠獨立調節。

圖2 四芯片LED燈珠實物圖與結構圖Fig.2 Four chip LED lamp bead physical figure and structure diagram

圖3給出了四種光質獨立驅動時的光譜測試結果：

圖3 各光質的光譜測試結果Fig.3 Spectrum test results of each light quality

其中紅光、藍光和遠紅光的波長比較集中，光質單一，暖白光中含有少量的藍光、中量的綠光和黃橙光、大量的紅光。植物育苗和生長早期需要的紅藍比值(R∶B)較低，可以僅采用紅光和藍光單元調節光質；中后期可以通過調節暖白光的亮度，增加紅光成分，同時適當補充綠光和黃橙光；植物的避蔭反應和開花結果等形態建成對紅光和遠紅光比值(R∶FR)較敏感[12]，必要時可以根據紅光和暖白光中的總紅光總量調節遠紅光的亮度，以達到需要的R∶FR值。

2 多光質LED植物燈的光分布設計

LED植物燈需要能夠使其光通量盡量集中在其照射的種植區域內，同時保證光質和光照強度的均勻性，才能夠提高電能利用率和種植物生長環境的一致性。

采用紅光和藍光等單光質燈珠搭配光譜的植物燈，由于不同光質的燈珠間隔一定距離，通常會導致植物燈的光分布不均勻，出現光斑現象，如圖4所示，照射區域內出現部分區域只含有紅光或藍光。

圖4 紅藍單芯片LED的光斑問題Fig.4 Light spot problem of red and blue single chip LED

此類植物燈一般采用較多的小功率、大發光角度的LED燈珠組合為發光陣列，以提高植物燈在整個照射面的混光均勻度。這導致此類植物燈的無效照射面多、必須貼近植物，使得電能浪費嚴重，種植物的植株高度受限，影響其實際應用價值。

多光質LED燈珠中不同光質芯片的距離很近，如圖2(a)所示，能夠有效提高混光效果。然而，經過半球形一次透鏡的膠狀后，由于各光質芯片與一次透鏡的相對位置不對稱，燈珠的光質還是會出現光斑現象。本文在燈珠本體一次透鏡的基礎上，增加40度或90度珠面透鏡作為二次透鏡，強化混光效果，減少光斑現象。同時，較小發光角度的二次透鏡還可以使光通量更加集中在種植范圍內，提高光通量的照利用率，減少無效光照面積，降低能耗。

本文設計的LED植物燈整體為長條形，LED燈珠采取橫向對稱分布。圖5(a)和(b)分別為植物燈橫向和縱向的結構圖，X和Y為植物燈橫向和縱向的照射范圍，植物燈整體照射范圍基本呈橢圓形。

圖5 植物燈結構圖Fig.5 Structural drawing of plant lamp

LED燈珠連接時采用六個燈珠的不同光質分別串聯，構成一組，各組之間并聯，每個植物燈使用三組共計18顆燈珠，相鄰間隔5 cm，單顆燈珠最大功率9.1 W。植物燈整體長100 cm，寬5 cm。

圖6給出了本文設計的LED植物燈紅、藍、暖白、遠紅四種光質的光分布測試 結果。其中，分別測試各光質的光照強度分布，每種光質的驅動電流為1.8A，植物燈與測試平面相差距離為50 cm，X軸和Y軸對應圖5中X與Y的方向，X軸測試距離為120 cm，Y軸測試距離為40 cm，測試范圍中心對應植物燈光照范圍中心。光照強度采用PPFD光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density)表示，單位為μmolm-2s-1，測試儀器為植物光照分析儀OHSP350P。

圖6 LED植物燈的光照強度分布Fig.6 Light intensity distribution of LED plant lamp

由圖6可知，LED植物燈的四種光質分布基本一致，光通量主要集中于中心種植區域，光質均勻，光通量和電能利用率高。

3 嵌入式恒流驅動及光配方模式

植物生長人工光照的光配方模式應用，需要能夠對LED植物燈的光質進行動態獨立調節。在其它需要調光的應用場合，一般采用恒壓驅動和脈沖調光結合的方式，即12V或24V恒定電壓加載于串/并聯后的LED陣列的陽極，在其陰極增加脈沖調光開關，以人眼不可見的脈沖頻率和寬度調節LED的平均電流值，此時LED實際上工作于脈沖間歇模式。然而，脈沖光源的瞬時光照強度、調光脈寬和頻率對于植物生長的影響還處于待研究狀態。因此，常規LED調光方法不適用于LED植物燈的光配方應用。本文以嵌入式恒流調光的方式驅動多光質LED植物燈，依據光配方參數直接調節每種光質的驅動電流，精準控制LED的持續驅動電流。

圖7給出了以光配方模式構建的LED嵌入式恒流調光驅動原理圖。其中，四路直流-直流變換電路采用四路改進型buck變換器，以持續恒流的方式分別驅動紅、藍、暖白和遠紅光四種光質支路。每條支路的輸出電流通過DSP控制芯片進行獨立控制，驅動電流的大小由電流各光質的電流參考值決定，可以精確調節，且穩定無頻閃。驅動控制模塊使用通信電路與上位機連接，從而上位機可以通過發送光配方數據來控制各光質的電流參考值以及光周期。

圖7 LED嵌入式恒流調光驅動Fig.7 Embedded constant current dimming driver of LED

圖8為改進型buck變換器的電路圖。變換器1～4的電路結構相同，每個變換器輸入端并聯，即采用同一個直流電源。

其中，DC為24～48V直流電源，Q為開關管，C1和C2為輸入、輸出濾波電容，L為儲能電感，D為續流二極管，紅光LED為變換器1的負載，每路變換器連接對應光質的LED作為負載，R1為紅光LED電流采樣電阻，R2～R5的阻值決定差分放大回路對R1兩端電壓的放大系數。dsPIC33FJ32MC芯片為DSP控制芯片型號，其具備4個獨立的PWM輸出口，可以分別控制4路變換器，同時使用4個獨立的AD轉換引腳，來接受四路變換器反饋。

主功率回路采用脈沖寬度調制(Pulse width modulation，PWM)的方式控制，輸出電壓VOUT為：

VOUT=VIN·d

(1)

其中VIN為輸入電壓，d為PWM的占空比。通過控制PWM的占空比d，對主功率回路的輸出電壓進行控制。

但由于LED的發光亮度取決于正向電流的平均值大小，且LED是非線性元件，導通時，正向電壓的微小變化會引起正向電流的較大變化，所以恒壓輸出的驅動對LED產生的光強度無法精確控制。并且如果采用恒壓驅動，隨著LED導通時間的增長，LED的溫度會上升，伏安特性會發生變化，產生溫漂現象，造成光照強度變化[13]。

圖8 改進型buck變換器電路圖Fig.8 Circuit diagram of improved buck converter

因此，需要將LED的電流值設為反饋量，根據LED電流值的大小調節PWM的占空比d。通過將采樣電阻與LED進行串聯，再檢測采樣電阻兩端的電壓值，可以獲得LED中的電流值。為了減少采樣電阻的功率損耗，將選取阻值較小的采樣電阻，但這樣會減小采樣電阻反饋信號的幅度，導致DSP接收到的反饋信號失真。所以需要添加差分放大回路來將信號放大，再輸入到DSP的AD引腳中進行AD轉化。DSP再根據電流參考值，計算出電流誤差，對PWM信號的占空比d進行調節，從而保證LED能夠恒流無頻閃運行。

圖9為LED植物燈調光程序流程圖，圖9(a)為驅動根據光配方調節植物燈電流程序流程圖，圖9(b)為上位機修改光配方程序流程圖。

調光控制系統分為兩種控制模式：動態模式與光配方模式。動態模式下，各光質LED電流值不會隨時間變化，保持一個穩定值。而光配方模式下，則能夠根據時間變化控制各光質LED電流值變化，達到控制光周期的效果。

LED植物燈在啟動時，會先進行初始化，再確認植物燈的默認模式，如果為動態模式，則先設定各光質電流基準為0，等待上位機發送光配方數據，當接收到光配方數據時，則根據光配方更新DSP中的電流參考值，調節LED植物燈電流。

如果為光配方模式，則會先觸發一次定時器中斷，然后讀取計時電路的時間，根據時間去數據存儲電路預存的光配方數據中查找到對應時間的各光質電流值，再更新DSP中的電流參考值，調節LED植物燈電流。定時器中斷以一定時間間隔進行觸發，每觸發一次，則會根據時間更新DSP的電流參考值。

上位機要修改光配方數據，則需要發送光配方數據至通信電路，DSP控制芯片接收到數據后，先判斷控制模式，如果為動態模式，則直接修改DSP中的電流參考值。

如果為光配方模式，則會先將上位機發送的光配方數據進行處理，將光配方以1 h為間隔，分解出24條數據，每條數據包含對應時間內的四路電流參考值，然后將數據存入數據存儲電路中，覆蓋原始光配方數據。

上位機除了能夠修改光配方數據，還具備切換控制模式，查詢當前各光質LED電流，同步時間等功能。

4 實驗分析

為了驗證上述4路LED驅動電路設計方案的可行性，搭建了如圖10所示的實驗樣機。主要參數如下：直流輸入電壓24 V，輸出濾波電容C為470 μF，儲能電感L為100 μH，采用485串口進行通信。

圖10 實驗樣機Fig.10 Experimental prototype

負載使用單顆最大功率為9.1 W的RBWF四色燈珠。采用6串3并的連接方式，即6顆燈珠串聯為一組，三組互相并聯。共使用18顆燈珠。

實驗主要測試了植物燈不同光質配比的光譜以及各光質LED驅動的輸出效率。光譜測試結果如圖11所示。

圖11 植物燈光譜測試Fig.11 Spectrum test of plant lamp

圖11中坐標橫軸為波長，縱軸為光照強度比值，將光照強度峰值定為1。PPFD_R、PPFD_B、PPFD_G、PPFD_FR，分別為光照中紅、藍、綠、遠紅光分量的PPFD。

圖11(a)為紅藍光質比為2∶1的光譜圖，紅藍LED電流比為2∶1，圖11(b)為采用暖白光LED為紅光LED進行補光的光譜圖，使紅光LED電流減半，同時由于暖白光中包含藍光分量，為了保證PPFD_B不變，降低藍光LED至0.78 A。圖11(c)為采用暖白光LED為藍光LED進行補光的光譜圖，使藍光LED電流減半，為了保證PPFD_R不變，降低紅光LED至1.33 A。圖11(d)為在紅藍光質比為2∶1的基礎上添加遠紅光的光譜圖，遠紅光電流為1.8 A，紅光與遠紅光光質比約等于2∶1。

由圖11可以看出，植物燈驅動對于光質比的調控具有不錯的準確度。同時，由圖11(b)和(c)可以看出，暖白光的補光可以對綠光以及其他波長的光照補充。

各光質LED驅動的輸出效率如圖12所示。

圖12 LED驅動效率測試Fig.12 Efficiency test of LED driver

圖12橫軸為各色LED流經的電流，縱軸為LED驅動的效率。由圖中可以看出，藍光LED和暖白光LED驅動時效率更高，電流為0.7 A左右時，效率便可以達到90%。而紅光LED和遠紅光LED的效率偏低，需要1.4 A左右的電流值，效率才能達到90%。不同LED之間效率有差距是由于藍光和暖白光需求的電壓值高與紅光和遠紅光，導致Buck電路占空比d更高，而Buck電路的效率與占空比d呈正相關。

5 結語

本文設計了一種光配方動態可調的LED植物燈，光源采用集成了紅、藍、暖白、遠紅四芯片的LED燈珠，四芯片獨立控制。并通過添加40度或90度透鏡來優化光分布，減少光斑現象，集中照射區域。使用DSP控制的Buck電路對LED植物燈進行可調恒流驅動。通過DSP及外部電路，使LED植物燈的光質、光強和光周期能夠依據植物生長的需要進行實時調節。實驗結果驗證，本設計具有調光精確度高、電能利用率高、光譜可調范圍大等優點。