LED植物補光系統控制研究進展

李 東,郭偉玲,尹 飛

(1.北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室，北京 100020；2.北京銳思恒業光電技術有限公司，北京 100020)

引言

發光二極管 (light emitting diode，LED) 是一種半導體發光器件，如今的LED技術越來越成熟，因此為發展LED植物補光技術提供了良好的條件。近年來，采用LED作為光源的植物補光技術受到廣泛關注。相比于白熾燈、高壓鈉燈等傳統的人工光源，LED 光源不僅具有較高的光電轉換效率、體積小、壽命長、響應時間快、能耗低、安全性好、光譜范圍窄等優點[1-4]，而且光譜易于調控和組合，可以實現植物光合作用吸收峰和 LED 光源光譜完全吻合[5]，這些優點大大促進LED在植物補光技術中的發展。近些年，關于LED植物補光系統的研究有很多[6-13]。楊其長[14]在2006年進行對LED節能光源利用型人工植物工廠的研究，設計了一座 20 m2的小型人工光植物工廠試驗系統，光源一半采用 LED，另一半采用熒光燈，系統由計算機對室內環境要素和營養液進行自動檢測與控制，為我國植物工廠的研究奠定了基礎。2013年，Olvera等[15]利用FPGA技術去控制紅光LED和藍光LED分別發出不同頻率和脈沖寬度的光，并在PWM占空比為50%條件下，對番茄生長的情況進行比較，結果分析發現低頻率光下的番茄生長狀況相對較好。2013年，周益民等[16]設計了一種基于LED的溫室補光系統，此系統用單片機STC12C5A60S2作為控制核心，LED光源采用紅、藍、遠紅、紫外LED的組合，通過調節PWM信號的占空比實現對光質的調節，此系統具有針對性強、光效高且穩定性高的優點。2016年，Miyoshi等[17]開發了一種簡單、實時地估算植物冠層表面光強分布的Android應用系統，對冠層光合光子通量密度(PPFD)分布進行了半自動分析，利用Android平板電腦獲取的反射圖像構建人工光照下的冠層表面PPFD直方圖，并將此系統應用于補光技術中，通過提升光照的控制效率來提升農作物生產。2016年，鮑建宇等[18]針對傳統植物補光控制器的功能不足的問題，設計了一種基于MSP430F149低功耗單片機, 結合ZigBee無線傳感器網絡技術的新型植物LED補光控制系統，該系統為植物提供了一種低成本、智能化的LED補光控制方式。

本文主要介紹LED植物補光控制系統的研究現狀，其中包括 LED植物補光技術的原理和結構、驅動調光，最后介紹其最新的研究進展。

1 LED植物補光系統的原理和結構

LED植物補光技術是以LED作為發光體，可以在缺少太陽光的環境下，為滿足植物光合作用提供所需要的光照條件，使植物能夠正常或者更好生長發育的一項技術。LED作為發光源，它比傳統的人工光源有著很多無法比擬的優點，包括效率、壽命、能耗、光譜范圍等方面。在一個經典的LED植物補光系統中，如圖1所示，主要有傳感器模塊、控制器模塊、電源模塊、LED驅動模塊以及LED光源陣列模塊。傳感器的作用是監測環境光照的情況并將數據經過數模轉換后傳遞給控制模塊，控制模塊會根據傳感器傳遞來的信息制定補光控制策略，控制模塊大都會使用單片機作為控制核心，會根據設定參數及傳感器模塊采集數據調節PWM控制信號的占空比，LED驅動模塊主要用于驅動LED光源陣列發出不同強度和光質配比的光，電源模塊則為整個系統進行供電，維持系統的正常運行。LED最簡單的控制方式就是手動控制，通過人工開關來控制LED的發光強度和光質配比，這種方式比較繁瑣，需要根據種植者的經驗進行調節，這種方式往往會造成光質不匹配、光照不足或過度等現象，這種手動控制的補光系統一般運用在傳統的溫室大棚中。還有一種控制方式是定光質和光強，需要預先對控制器進行程序編寫，控制器會按照預期的方式去控制LED光源陣列，這種方式缺少靈活性，無法滿足同一植物不同生長階段的生長需求。隨著補光技術的發展，現今使用最多的智能控制手段會依據植物的生長需求自動對光照強度進行調整，以滿足植物生長的不同階段的需求，這種方式比較精確化、智能化。

圖1 LED植物補光系統結構圖

2 LED植物補光系統的驅動調光

在一天中不同時間段植物生長對光的需求是不同的，因此，LED的驅動調光對設計 LED 植物補光系統是很重要的，它也可以在給植物提供充足光照的前提下實現高效節能。LED 的低電壓驅動以及良好的易控性也使 LED 燈具的調光相對于傳統人工光源更容易實現。常見的驅動調光方式有兩種，分別是模擬調光和PWM調光。

1)模擬調光。這種調光方式通過改變流過 LED 的電流來改變LED的亮度，在一定范圍內電流的增大會提高亮度。LED 輸出相對光強與正向電流的關系如圖2所示，以 350 mA 電流為LED的額定電流，在100～350 mA的范圍內，正向電流增加，輸出光強也隨之增大。所以，通過改變正向電流的方式很容易控制 LED的亮度。但這種方式有個弊端那就是改變LED亮度的同時LED的光譜和色溫也會隨之改變[19, 20]，光譜的改變必然也會帶來光波長的改變，波長的改變對植物生長是有重要影響的。這種調光方式在 LED 植物生長系統的設計中并不適用，比較適用于低成本、精確度要求不高的調光應用中。

圖2 正向電流與輸出相對光強間的關系

2)PWM 調光[21]。又稱脈沖寬度調制調光，它是一種通過調節脈沖恒流源的脈沖寬度而調節 LED 亮度的調光方法[22]。如圖3所示，假設脈沖的周期為tpwm，脈沖寬度為ton，那么通過的占空比D為ton/tpwm。改變占空比D就可以改變 LED 的亮度。PWM 調光模式又可以分為正調光和負調光兩種模式。正調光模式下，占空比D越大，LED的亮度就越亮；對于負調光模式，占空比D越大，LED的亮度就越暗。

圖3 占空比D與電流ILED 的對應關系

在進行PWM 調光時，需要提供一個額外的脈沖寬度調節信號源。通過改變輸入脈沖信號的占空比來調制LED 驅動芯片對功率場效應管的柵極控制信號，從而達到調節通過 LED 電流大小的目的。這種調光技術的優點在于應用簡單、效率高、精度高并且調光效果好。缺點在于如果PWM的調光頻率設置為200 Hz～20 kHz，容易產生人耳容易聽到的噪聲[23]。

3 LED植物補光的控制系統研究進展

近年來，由于植物補光技術的快速發展，LED補光控制系統也發生了巨大的變化，早期的開關控制LED，通過觀測作物生長的各項因素的變化，并且結合種植者的經驗，對LED進行手動調節，這就限制了作物的出產率，降低了土地利用率，并且對于種植者的經驗要求較高，稍有不慎就會造成經濟損失[24]。定光質、定光強的控制方式，也不能滿足同一植物在不同生長階段或不同植物生長的光照需求。針對這些問題，迫切需要優化補光控制系統，近些年大量研究采用智能控制技術來對LED植物生長補光的光質、光強、光周期進行調控，從而獲得高性能的LED植物補光系統。

3.1 單體LED 植物補光系統的控制

單體LED植物補光系統將光照強度作為控制因子，通過光照傳感器傳遞來的數據對LED進行調控。2017年，陳方圓等[25]采用模糊控制算法設計一種LED植物補光照明系統，進行了控制算法的優化，該系統實時檢測植物生長環境下光強度的變化,控制核心通過模糊控制算法動態調整產生不同占空比的PWM信號進而去調整由0.2 W貼片RGB燈珠組成的紅、藍、綠LED陣列的光強度，如圖4所示。系統還加入LabVIEW上位機軟件，用于設定和觀察植物的所需PFD和光質比例。該系統試驗于生菜，上位機設定生菜所需的PFD值為220 μmol·m-2·s-1，如圖5所示，生菜PFD變化誤差能夠控制在±0.5 μmol·m-2·s-1，可見此系統能夠對植物不同生長階段準確、穩定補光。

圖4 模糊控制器原理框圖

圖5 生菜PFD變化曲線

2018年，He等[26]基于并行粒子群算法設計了溫室LED植物最優補光系統, 如圖6所示，此系統根據專家系統和并行粒子群算法推算出最優補光量以及補光位置，系統選用內含接收模擬調光和PWM信號的DIM接口的PT4115降壓恒流源驅動LED補光設備。所選用LED燈組內的紅、藍比例為5∶1, 其中設置紅光的閾值為3 000 lx, 藍光的閾值為600 lx。圖7顯示的是某天的光照度狀況,數據中包含1天內每2 h的補光狀態, 通過專家系統可以更加直觀地掌握溫室內光照度的變化情況。

圖6 系統硬件結構圖

圖7 數據查詢結果

2020年，鞠紅艷等[27]設計了一種微型植物工廠LED多光譜補光系統。如圖8所示，該系統主控制器選用高性能、低功耗的ARM微控制器，通過通信接口發送PWM控制信號,降壓恒流驅動模塊選用高效率、外圍電路簡單的XL4005E1，并且電路內設有一個常規按鍵和復位開關,可以用于手動PWM調制。LED燈板選用規格為3 W的大功率貼裝式LED燈珠,照射角為120°,包含365～940 nm共25種不同波長的燈。該補光系統可從這25種不同波段的光譜自由選擇,實現LED光譜自由擬合。

圖8 主控制器應用原理結構

2021年，丁夢寒等[28]采用改進單神經元PID控制算法和模糊算法對傳統溫室大棚補光存在能耗高和智能化程度低的問題進行優化，如圖9所示，LED驅動電路添加功率因數校正電路對電源進行功率校正以便節約電能，控制電路利用單神經元智能算法控制MOS管的通斷來調節LED的光照度。此設計對番茄進行了試驗，與自然補光相比使產量提升了25.7%，生長周期縮短了12天，能耗降低了23.2%。設計的LED功率因數校正電路將功率因數由0.524提高到了0.989，有效提高了LED的電能轉換率。

圖9 LED驅動電路結構

3.2 智能型 LED植物補光系統的控制

智能型LED 植物補光系統相比于單體 LED 植物補光系統來說，具有系統性好、范圍廣的優點，適用于較大種植面積的植物生長補光，智能型系統引入了溫度、濕度、CO2濃度等環境參數作為控制因子，使系統更加具有合理性和科學性，是大規模種植農業的發展方向。

2012年，徐秀知等[29]設計一種基于CPLD的全數字智能LED植物補光燈控制系統,該補光系統由控制盒、智能驅動器及LED植物補光燈頭組成,如圖10所示，智能驅動器PWM產生模塊產生不同占空比的PWM信號來控制LED植物補光燈頭，有效地控制紅、藍 2 種 LED 達到預設的光照度值，滿足植物照明系統按需補光的要求。

圖10 智能驅動器分模塊框圖

2015年，Li等[30]設計一套LED照明的溫室監控系統，該系統基于LabVIEW的上位機與控制器的結合，實現了對溫室的監控。控制器動態調節PWM信號，使光照下植物的光子通量密度(PFD)值保持恒定，并實時檢測紅、綠、藍波段的PFD和溫度、濕度，并在上位機界面上顯示檢測信息，同時系統還實現了溫濕度閾值范圍的智能調節。

2018年，Fan等[31]設計了基于植物專家系統的智能LED光照控制系統，如圖11所示，該系統以單片機為核心實時設定最適宜的各色光照度配比，由PWM信號控制發光模塊各色光的光照度。光照度控制采用閉環自動控制的方法實時反饋給單片機, 可實現光環境的低能耗、高精準自動調節以及環境溫濕度的自動控制。

圖11 光照度控制方案

2019年，馬州生等[32]設計用于植物生長的LED光強自動調節系統，如圖12所示，此系統采用STC系列單片機作為控制核心,其內部具有2路PWM輸出口, 可分別用于控制2個LED光源, 非常適合植物藍光、紅光控制。該系統選擇番茄進行試驗，如表1所示，分別使用自然光、固定光強LED和自動調節補光系統為番茄提供光源，可見LED光強自動調節系統的各項數據均明顯高于另外2種補光方式。此系統依據監測模塊對LED的發光強度進行動態調節。

圖12 系統基本架構

表1 番茄產量比較

2021年，Zhang[33]設計了基于Zigbee無線網絡通信技術的LED植物照明系統。系統包括LED植物補光燈控制盒和LED植物補光燈，系統是以控制盒為核心，通過Zigbee無線網絡將所有植物生長燈加入網絡，實現統一控制。如圖13所示，智能驅動器采用PWM控制方式來改變燈具的光譜特性并且接收LED植物燈控制盒發來的設置參數，執行相應的指令。圖14給出了智能化 LED 植物照明控制系統程序流程圖，系統可以提高系統的光能利用效率、節約電能，實現智能化控制。

圖14 系統程序流程圖

4 結論

LED植物補光技術還在不斷地優化以追求最優的系統，一些光質配比和光照強度的問題仍需要去解決。基于此本文分析了LED植物補光控制的研究進展，總結出了近幾年研究采用合理控制技術手段，研究可發現植物補光系統通過控制模塊產生PWM信號作用到驅動調光模塊，精準控制LED光源，現今研究大都選用單片機去控制，根據植物生長需求完成程序設定以及植物的光質配比。一些研究加入專家系統和Zigbee無線網絡通信技術等去優化系統，智能型系統還引入多種控制因子，實時接收各類傳感器傳遞來的信號進行調節，能夠更好地滿足植物生長需求。這些研究為LED植物補光技術的發展提供了參考。我們相信隨著廣大的農業科學工作者與LED植物補光技術研究者的密切合作和交流，植物補光系統會廣泛地應用到農業生產中去，相信今后系統的性能也必將更加高效節能。