探究LED補光技術(shù)在藍莓植物工廠中的應用

陸敏 胥明 趙劍 朱連根

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對藍莓產(chǎn)品品質(zhì)和食用安全問題也越來越重視。因此，通過建立高效的藍莓生產(chǎn)體系來實現(xiàn)藍莓產(chǎn)業(yè)化是必然趨勢。植物工廠是一種新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，利用現(xiàn)代化的設(shè)施設(shè)備在人工控制下進行生產(chǎn)活動，具有低能耗、高效率、高品質(zhì)、高產(chǎn)等優(yōu)點，因此，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛。其中，LED光源是一種具有高效率、高穩(wěn)定性的光源，非常適合在植物工廠中應用。而采用LED補光系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫度、濕度、CO2濃度和光照強度等環(huán)境參數(shù)的自動控制，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：LED補光技術(shù)；LED應用；藍莓植物工廠應用

LED補光系統(tǒng)的優(yōu)點是能保證植物生長所需的光照條件，并能有效減少人工光源對環(huán)境的污染。藍莓植物工廠能夠使藍莓生產(chǎn)實現(xiàn)規(guī)模化、集約化和標準化，因此，在藍莓生產(chǎn)中具有廣闊的發(fā)展前景。但目前，我國植物工廠還處于起步階段，很多技術(shù)問題尚未解決，比如溫度、濕度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)液等影響藍莓生產(chǎn)的因素還未得到完全解決。對此，為進一步提高藍莓生產(chǎn)效率和品質(zhì)，滿足市場需求，需要對LED補光技術(shù)在藍莓植物工廠中的應用進行探究。

1 LED補光硬件系統(tǒng)在植物工廠中的應用方式

1.1 LED補光硬件系統(tǒng)

1.1.1 補光光源

LED補光光源主要是用來提供一定的光色，也就是亮度和色溫，但是不同的LED補光光源其光色是不同的。例如，鹵素燈是利用鹵素燈管發(fā)出的光線中含有溴元素，其發(fā)出的光線具有一定的黃色調(diào)。而LED補光光源是利用LED芯片發(fā)出的光線中含有不同波長的藍色光和紅色光，通過紅藍比例調(diào)節(jié)后形成不同色溫的顏色。我們常見的一些補光型光源屬于白光LED類型，它主要由3個部分組成：發(fā)光芯片、光學透鏡以及外殼。其中，發(fā)光芯片是由一個或多個小的正方形或長方形平面發(fā)光二極管構(gòu)成；光學透鏡是一個具有一定孔徑大小、直徑和角度可調(diào)的半圓金屬透鏡；外殼則是一個具有一定厚度和高度且能均勻散熱的半透明塑料外殼。一般情況下，在選購LED補光光源時，我們可以通過光線亮度、色溫以及色溫3項參數(shù)進行對比，然后選擇性價比高的產(chǎn)品。植物工廠中常用的補光光源有LED和高壓鈉燈。LED是一種基于三基色發(fā)光二極管（LED）的新型光源，具有體積小、壽命長、能耗低等優(yōu)點，廣泛應用于植物工廠中。高壓鈉燈是一種高壓汞燈，其發(fā)光波長范圍較窄，并且顯色性不佳。熒光燈是一種高功率、低成本的熒光燈，具有較高的發(fā)光效率和顯色性。LED光源與其他補光光源相比，具有壽命長、使用方便、體積小、能耗低等優(yōu)點。

1.1.2 光控模塊

光控模塊是一種可以在晚上自動打開和關(guān)閉LED燈的模塊，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)來控制路發(fā)光設(shè)備，是一種低成本、低功耗、高效率的路燈控制裝置。其工作原理是通過接收光信號，控制LED燈的亮度來實現(xiàn)開關(guān)路燈。光控模塊一般分為2種類型：一種為有源模塊，另一種為無源模塊。有源模塊一般由控制電路和驅(qū)動電路組成。控制電路將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，驅(qū)動電路將電能轉(zhuǎn)化為光能使LED燈亮或滅，一般使用MOS管或二極管來實現(xiàn)。有源模塊可分為2部分：接收部分和發(fā)射部分。接收部分將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由驅(qū)動電路來實現(xiàn)開關(guān)功能，一般使用光敏電阻或MOS管來實現(xiàn)。其工作原理是當LED燈發(fā)光時，電流流過LED的正極會產(chǎn)生一個與該電流大小成正比的電壓，從而可以驅(qū)動LED燈發(fā)光；當不發(fā)光時，該電壓為零，從而可以斷開電流。通過對LED燈的電流進行采樣來控制驅(qū)動電路的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)控制功能。植物工廠的光控模塊通常采用光強控制或光周期控制，光強控制是指根據(jù)植物的需要，在一定范圍內(nèi)選擇合適的LED燈的輸出光通量；光周期控制是指根據(jù)植物的生長和發(fā)育需求，通過改變LED燈的工作時間來調(diào)節(jié)輸出光通量。在植物工廠中，LED補光硬件系統(tǒng)通常采用光控模塊控制LED燈，以達到最大的產(chǎn)量和品質(zhì)。例如，在幼苗期使用LED補光時，應根據(jù)幼苗對光照強度的需求確定LED燈的工作時間；在生長期使用LED補光時，應根據(jù)植物的生長情況確定LED燈的工作時間。在植物工廠中，LED補光硬件系統(tǒng)需要考慮整個系統(tǒng)的布局和布局。

1.1.3 電源系統(tǒng)

LED是一種新型的照明光源，它是利用半導體材料的光生伏特效應制成的。它的發(fā)光原理是：在電的作用下，半導體中的二端電子會發(fā)生躍遷，產(chǎn)生光。而這種光并不是直接照射到人的眼睛上，而是通過光電效應，在半導體表面上形成光斑，從而達到照明的目的。LED電源系統(tǒng)由LED驅(qū)動、控制電路和高壓直流供電電源3部分組成。其工作原理如下：LED驅(qū)動電路：由穩(wěn)壓芯片、電感、電容和二極管組成。當有輸入電壓時，由電容濾波后的交流電通過開關(guān)電路變?yōu)橹绷麟姽┙oLED工作，當無輸入電壓時，由開關(guān)電路將交流電直接變換為直流電供給LED工作。控制電路：利用單片機控制開關(guān)電源中的可控硅和變壓器，實現(xiàn)對驅(qū)動電路的控制和調(diào)節(jié)。高壓直流供電電源：將220V交流電經(jīng)過濾波、整流等環(huán)節(jié)后得到所需的直流電源。在高壓直流供電電源中，常采用電解電容來儲存直流電壓，以保證LED驅(qū)動電源的恒流特性。電源系統(tǒng)的主要作用是為補光光源提供穩(wěn)定的供電電壓和電流。目前，在植物工廠中，常用的電源類型有AC/DC、DC/AC、PWM和DC-DC等。不同類型的電源具有不同的特點，使用時需要根據(jù)植物生長特性和環(huán)境條件選擇。在植物工廠中，為了滿足LED光源長時間穩(wěn)定工作的要求，通常采用多組電源同時供電的方式。如果單組電源供電時間較長，則可以增加第二組電源。對于不同功率的LED光源，在使用前需要根據(jù)其功率大小計算相應的電流。此外，還可以采用變頻技術(shù)提高LED光源工作效率。

1.2 在植物工廠中應用LED補光硬件系統(tǒng)時應注意的問題

1.2.1 光源參數(shù)的選擇

選擇LED補光硬件系統(tǒng)時，光源的色溫和顯色指數(shù)是重要參數(shù)，可以根據(jù)不同植物對光源的需求，通過調(diào)節(jié)LED燈的色溫和顯色指數(shù)，實現(xiàn)不同植物對不同光源的需求。LED補光系統(tǒng)中，根據(jù)實際應用場景選擇合適的LED燈類型和功率。在室內(nèi)使用，一般選擇2 000～5 000 k色溫；在室外使用，一般選擇5 000～10 000k色溫。植物工廠中，還需要根據(jù)實際應用場景選擇合適的光源顏色和光效。例如，在生產(chǎn)、加工或研究等特殊場合下需要使用特定顏色的光源，為了達到更好的效果，還需要進一步研究適合該場合使用的光源顏色。在實際應用中，除了需要考慮補光效果和效率外，還需考慮LED燈對環(huán)境的影響。在室內(nèi)環(huán)境中使用LED燈時，應避免產(chǎn)生光污染。

1.2.2 控制方法

在植物工廠中，補光系統(tǒng)的作用是給植物提供適宜的光照環(huán)境，以促進植物的生長。在 LED補光系統(tǒng)中，控制器是一個核心部件，控制器通過與LED燈、LED控制器等設(shè)備之間的通信，對整個補光系統(tǒng)進行控制。在應用LED補光系統(tǒng)時，一般會采用模擬量輸入與數(shù)字量輸入相結(jié)合的方式來控制補光。對于模擬量輸入，主要是通過開關(guān)量來實現(xiàn)對LED燈的控制；對于數(shù)字量輸入，主要是通過中斷或者定時器來實現(xiàn)對LED燈的控制。溫度控制：植物工廠中需要嚴格控制溫度環(huán)境，否則，會導致植物生長不良甚至死亡。在應用LED補光系統(tǒng)時，主要通過設(shè)定溫度來對LED燈進行控制。具體流程為：當環(huán)境溫度達到設(shè)定值時，控制器發(fā)出指令給LED燈進行加熱。在植物工廠中，環(huán)境濕度變化也是影響植物生長的重要因素。在應用LED補光系統(tǒng)時，要嚴格控制環(huán)境濕度變化，并對系統(tǒng)進行合理的設(shè)置。

1.2.3 系統(tǒng)布局

一是紅藍光系列。紅藍光系列補光系統(tǒng)主要由紅藍光芯片、大功率LED燈和配套的鎮(zhèn)流器組成。其中，紅藍光芯片主要起到藍光和紅光的作用，通過調(diào)節(jié)芯片的導光能力來調(diào)節(jié)光質(zhì)。大功率LED燈是補光系統(tǒng)的主要設(shè)備，其作用是為植物提供可見光以及紅光、藍光和綠光。鎮(zhèn)流器主要起到鎮(zhèn)流器的作用，它可以將紅藍光芯片產(chǎn)生的光能轉(zhuǎn)化為電能并供給植物生長所需。雖然目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了許多紅藍LED燈，但是，紅藍LED芯片并沒有得到很好的優(yōu)化，因此，紅藍LED芯片仍然是植物工廠中使用較多的補光設(shè)備。同時，由于技術(shù)含量較高，紅藍LED芯片在價格方面也比白熾燈要貴很多。二是紅藍復合系列。紅藍復合系列是一種復合型光源，包括光源、反射罩、紅藍復合透鏡等部分。紅色光源與藍色透鏡組合后可以實現(xiàn)對植物的補光。該系統(tǒng)具有良好的補光效果，是目前植物工廠中使用最多的補光系統(tǒng)之一。通過紅藍復合系統(tǒng)對藍莓植株進行補光，可以改善藍莓植株的生長狀態(tài)，提高果實品質(zhì)和產(chǎn)量。目前，有很多學者對該系統(tǒng)進行了研究，如鄭英志等人在LED補光技術(shù)研究方面進行了探索，在LED光源中加入不同波長的藍、綠色濾光鏡片和紅、橙色濾光鏡片后，可以實現(xiàn)對藍莓植株的補光。但目前該系統(tǒng)還存在一些問題，如紅色和藍色在光譜上有較大差異，對藍莓植株的生長影響較大。

2 LED補光硬件系統(tǒng)在植物工廠中的應用方式

2.1 作物識別

通過對LED補光軟件系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行處理，提取出作物的顏色特征，可以對植物的健康狀況進行初步判斷。在藍莓生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會用到不同的補光方式，不同的光照模式可以用來生產(chǎn)出不同的藍莓。但在生產(chǎn)過程中，對不同植物進行識別時，通常是手動去匹配光照模式。目的是解決人工識別的準確性問題。方法是：首先將待測植物圖片導入到LED補光軟件系統(tǒng)中；然后選擇需要識別的植物，在軟件界面上選擇對應的模式；進入識別界面后，在界面上可以看到藍色和紅色的2種顏色，點擊藍色按鈕可以開始拍攝植物圖片；將拍攝好的植物圖片導入到LED補光軟件系統(tǒng)中進行處理，軟件會自動根據(jù)植物圖片中顏色進行對比，并把顏色匹配好的植物圖片顯示出來；然后選擇藍色按鈕可以進入圖像識別界面。在識別界面上可以選擇識別的模式：綠色、紅色、藍色和黃色；點擊綠色按鈕可以進入識別結(jié)果界面，可以看到圖像識別出來的植物信息；如果沒有找到想要的植物信息，可以點擊藍色按鈕繼續(xù)尋找。通過圖像處理技術(shù)可以根據(jù)作物的顏色特征來判斷藍莓植物是否受到病蟲害的侵害，以及不同作物是否受到光照不足的影響。

2.2 光照計算

LED補光軟件系統(tǒng)根據(jù)植物在不同階段所需的光照強度計算出需要補充的LED燈功率。LED補光軟件系統(tǒng)是一款專業(yè)的LED植物補光控制軟件，目前，已在多個地區(qū)應用。這款軟件采用了全新的算法，能夠精準計算出植物需要的光照參數(shù)，是植物生產(chǎn)的最佳照明方案。光照計算方法：確定要補光的植物；導入植物；輸入相關(guān)參數(shù)（一般為需要補光的植物名稱、品種、類別、數(shù)量、放置位置等）；打開光照計算系統(tǒng)，輸入需要補光的植物名稱和數(shù)量，點擊“確定”按鈕；計算出所需光照的強度和照射時間；點擊“保存”按鈕，將結(jié)果保存到指定位置。計算植物在不同時間段內(nèi)所需的光照強度和照射時間的方法：在軟件首頁選擇“日期”菜單，選擇相應月份；進入月份界面，點擊“添加日期”按鈕，彈出“月份”界面；點擊“選擇日期”按鈕，在彈出框中輸入對應月份；點擊“添加時間”按鈕，彈出“日期和時間”界面，顯示所需計算出的光照強度和照射時間；點擊“確定”按鈕，完成月份計算。

2.3 智能補光

植物工廠中的智能補光系統(tǒng)主要是根據(jù)不同的作物和生長階段，進行智能算法的計算，選擇最優(yōu)的LED燈輸出功率，保證作物在最佳的生長環(huán)境下進行光合作用。LED補光軟件系統(tǒng)具有實時監(jiān)測植物生長情況、精準補光等優(yōu)勢，是植物工廠中重要的補光設(shè)備。LED補光軟件系統(tǒng)的功能非常強大，首先，要打開LED補光軟件系統(tǒng)，然后在其界面中選擇“智能補光”選項卡，此時，需要對畫面進行智能補光。在“智能補光”的界面中會有很多不同的功能選項，我們只要根據(jù)實際需要選擇合適的選項就可以。

2.4 控制系統(tǒng)

在植物工廠中，控制系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)LED燈的輸出功率，從而控制植物的生長。LED燈的輸出功率是在一定的范圍內(nèi)變化，當電流超過一定值時，LED燈的發(fā)熱和效率就會下降，如果繼續(xù)加大電流，那么就會導致LED燈燒壞。所以LED燈的功率不能無限增大，而要有一個度。LED燈是通過電流來發(fā)光的，它的輸出功率由電流決定。由于LED燈的輸出功率不能無限增大，所以，如果想要更好地控制LED燈的輸出功率，就必須通過控制系統(tǒng)來控制電流。由于開關(guān)電源是由一系列開關(guān)管組成，在開關(guān)管處于導通狀態(tài)時，可以利用控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電流大小。因此使用開關(guān)電源控制器就可以很好地控制電流，使其符合要求。比如將LED燈連接到控制器上，就能讓其正常工作了。通過對LED燈進行調(diào)節(jié)，可以使LED燈的輸出功率達到最佳狀態(tài)。不僅可以節(jié)約能源，還能很好地保護環(huán)境。控制系統(tǒng)可以使用PC或可編程邏輯控制器（PLC）進行設(shè)計，也可以使用PLC、單片機、智能儀表等來進行設(shè)計。在植物工廠中，LED燈的輸出功率和光質(zhì)、光強等環(huán)境參數(shù)以及作物種類和生長階段有關(guān)。通過調(diào)節(jié)LED燈的輸出功率和光質(zhì)，可以在保證作物生長的同時，減少對環(huán)境的影響，從而節(jié)約能源。在不同的植物工廠中，補光系統(tǒng)需要根據(jù)具體情況進行調(diào)試。

2.5 數(shù)據(jù)管理

補光軟件系統(tǒng)可將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進行管理，進行數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計、計算等工作。當采集到植物生長環(huán)境參數(shù)或作物生理參數(shù)時，會通過補光軟件系統(tǒng)進行實時監(jiān)測和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對補光系統(tǒng)進行調(diào)整。同時，軟件還可以根據(jù)用戶的需求定制計算功能，對作物生長周期和生長狀況進行預測。通過與植物工廠的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的對接，還可以對植物工廠中的植物生長情況進行監(jiān)控，及時了解植物生長狀態(tài)和補光情況，并對補光系統(tǒng)進行調(diào)整。

3 結(jié)語

植物工廠是一種新型的種植模式，其在未來的發(fā)展前景廣闊。由于植物工廠對補光的特殊需求，我們應該重視對補光系統(tǒng)的研究和開發(fā)，并將其應用于植物工廠，以提高藍莓產(chǎn)量和品質(zhì)，減少對土地、水和肥料的需求。

參考文獻

[1] 張亦鵬，周麗萍，王化，等.LED光源對小漿果生長發(fā)育影響研究進展[J].國土與自然資源研究，2023（4）：69-72.

基金項目：本文系上海市2020年度“科技創(chuàng)新行動計劃”農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域項目“低耗能高效光技術(shù)在藍莓植物工廠上的研究”（項目編號：20392001400）的階段性研究成果。