溫室植物半導體照明智能控制技術分析

劉文科

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

在我國，設施園藝栽培面積高達400萬公頃，包括自然光栽培系統(拱棚、塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室等)和人工光栽培系統(植物工廠、組培室、培養箱等)。溫室是最為重要的自然光栽培系統類型，截止2014年底，溫室面積已有100萬公頃以上，在反季節蔬菜、花卉、果樹栽培方面起主導作用。溫室主要包括日光溫室和連棟溫室，溫室補光是設施農業半導體照明應用主要場所。國內外研究表明，溫室補光非常必要，對保障作物健康生長發育具有重要作用。其一，溫室補光是設施農業的本質需求。設施農業的本質是促生生產方式，就是要通過環境控制促進或延遲農業生物生長發育與繁殖過程，獲得更高的產量和品質。光照最為重要環境因子，認為調控起著關鍵作用，現代溫室生產必需實現光照條件的按需調節。其二，溫室補光是溫室生產的現實需求。實際生產中，連陰雨雪、霧霾、灰塵污染等導致的弱光寡照脅迫時有發生，危害嚴重，導致作物減產甚至絕收(補光)；而且，高緯度地區日照短，無法滿足長日照園藝作物的光周期需求，需要人工光補充。最后，LED補光裝備是溫室環控的必需執行機構。溫室內光照環境隨外界自然光照的變化即時變化，加之墻體、溫室橫梁支架結構、以及保溫覆蓋遮陽機構的遮擋，其內部光照條件在光強和光周期上遭到縮減，在光質上也產生了變化。這些改變在弱光寡照天氣條件下尤為嚴重，光環境脅迫已成為制約我國溫室園藝產業體質增效的瓶頸障礙，亟待解決。按照因子綜合作用率理論，實施溫室光環境智能控制不僅可保障溫室作物優質高產和穩產，也能提高溫室生產資源的利用效率(水肥、CO2等)，可提升溫室自動化水平，節省人力資源。荷蘭作為設施園藝強國，已將補光技術研究推上了較高水平，取得了豐碩的成果，在LED補光方面走在了世界前列，而我國溫室半導體照明則剛剛起步。

1 溫室植物半導體照明智能控制的必要性

通常而言，溫室工廠化生產需要環境要素甚至生產要素的智能控制，基于智能控制使溫室具有周年生產的能力。溫室智能控制的實現難度與溫室類型有關，取決于外圍護結構及其材料種類，其投入產出比存在溫室類型差別。而且，智能控制系統的性能隨著電力電子技術和計算機網絡通訊技術的發展而不斷優化和提升。實際上，我國塑料大棚、日光溫室遠未實現智能控制管理，只有連棟溫室和玻璃溫室裝備水平較高?，F今，世界范圍內絕大多數溫室未真正意義上實現智能補光，多數連棟溫室僅采用HPS實現了定時補光。LED光源的出現與技術發展從根本上解決了溫室智能補光缺乏執行機構的難題，正在推進溫室光環境調控的智能化進程。實際上，溫室補光因溫室類型而存在本質上的不同，也與栽培作物種類、季節因素有關，這種補光需求的時空變異性導致溫室補光必需實施智能化管控，才能節能、高效。而且，溫室人工補光是以自然光為主導的調控模式，需要智能化控制才能達到節能、高產、穩產、優質和提高資源利用效率的目標。LED照明系統的設計與研發是以最大化提高其光電轉化效率和時空生物光效為目標的，以確保設施園藝光環境調控的效益。同時，溫室內溫度不僅受控于環境溫度、溫室保溫性能，更受控于光照條件，弱光寡照天氣導致的光脅迫常伴隨著低溫脅迫的發生。此外，與溫室氣溫相比，溫室作物根區溫度變化具有滯后性，在補光時需要考慮。溫室內光環境的質量和數量屬性瞬時間都在發生日變化和季節變化，如果采用恒定不變的補光系統進行光環境調控是不適合的，難以取得很好的生物學效益。所以，溫室補光系統必須采用智能控制，充分考慮利用自然光條件，減少人工光的能耗，按需補光。溫室半導體照明可行性高，在無電力地區可采納光伏發電技術供LED照明使用。

智能控制是指利用計算機、無線通訊數據傳輸、擴頻電力載波通訊技術、計算機智能化信息處理及節能型電器控制等技術組成的分布式無線遙測、遙控、要尋控制系統，來實現對照明設備的智能化控制[1]。智能控制方式可分為兩類，有線控制無線控制。當前，溫室補光應該采納基于傳感器和PLC系統構成的智能控制系統，而非基于WiFi通訊和Zigbee組網的物聯網系統，后者實際應用的必要性尚遠。智能控制除了光照配方智能控制外，更需要關注基于設施植物生產領域、植物的各生長發育階段的形態、調控目標和自然光資源利用的照明技術差異，應因地制宜，因溫室類型而變。

2 溫室植物半導體照明智能控制的內涵

現代設施園藝必需發展實現光環境智能控制，營造作物適宜的生長條件，保證高產、穩產、優質。溫室植物半導體照明智能控制是指按照生產季節、設施類型、作物種類和生產優先目標主導的設施光環境時空變化和需求規律，以LED光源為光源執行機構，按照節能、高效的原則實施的光源動作自動化管理的運行模式。溫室植物半導體照明智能控制是具有多維、多因素、多目標的管理模式，具有豐富的內涵，其核心要建立光環境調控的模型，按照模型實施智能控制。其內涵之一，溫室植物半導體照明智能控制的內容包括光質、光強和光周期及其耦合調節，對LED光源性能有特殊的要求；其內涵之二，溫室植物半導體照明智能控制是時間和空間的雙尺度的耦合調控，既要考慮光環境的日變化，也要考慮季節變化和作物生長變化，需要統籌安排；其內涵之三，溫室植物半導體照明智能控制是與溫室其他環境要素、水肥要素耦合的控制過程，要做必要的交互設計；其內涵之四，溫室植物半導體照明智能控制是要充分利用自然光基礎上，最大程度地發揮人工光的效用，使自然光和人工光資源有機結合，發揮疊加效應和互補效用，而不是替代關系。總之，光環境智能控制是個復雜的系統工程，而且它僅是溫室智能控制較小的必要組分，如何將溫室補光智能控制合理、有機地嵌套到溫室智能控制系統中是發揮最大效能的關鍵。

3 溫室植物半導體照明智能控制的技術策略

劉文科和楊其長(2014)[2]提出了人工光植物工廠光環境智能控制的策略，強調基于植物光環境需求特性，建立光照配方(Lighting recipe，LR)，制定光環境控制策略(Light environment control strategy, LECS)，是保證優質高產前提下實現光能最大利用效率，削減光源能耗的有效方法。實際上，溫室光環境調控智能控制需要考慮的因素比人工光植物工廠光環境智能控制更復雜，控制模型與策略更復雜(具體技術體系見圖1)。首先，溫室植物半導體照明智能控制技術需要充分利用設施內太陽光能量與資源，實時調整光照配方中自然光貢獻部分，調整光照策略，削減能耗。其次，溫室植物半導體照明智能控制技術需要遵循設施內園藝作物生長的時空規律，按照植物生長發育階段，考慮作物冠層分布、果實分布與葉片角度等要素，注重照射面積與作物冠層的匹配關系，調整光源懸掛位置、照射角度等控制參數。最后，溫室植物半導體照明智能控制技術需要大功率紅藍LED光源裝置作為執行機構，該光源裝置具有較寬的光強控制范圍，較大的照射面積，較好的散熱性能，并具有可調節的懸掛能力。從節能角度而言，劉文科(2015)[3]論述了LED照明系統裝備的構成(LED光源及LED燈、LED燈懸掛裝置及調控系統、光環境智能控制系統)及其光效提升途徑，重點闡明LED芯片光質構建、LED燈珠發光角度、LED陣列排布方式、發光面性狀設計、散熱系統設計、光環境智能控制、懸掛裝置及調控系統、栽培平臺創新與調控等環節的技術途徑。具體而言，溫室植物半導體照明智能控制技術要充分檢測、利用自然光基礎上進行人工補光，基于溫室作物光環境需求(光強和光周期)分階段分強度進行動態實時補光。

圖1 溫室植物補光智能控制技術體系構建Fig.1 Technology system establishment of supplemental lighting for plants in protected facilities

通常，葉片的光能利用率僅有5%，補光照射方向與葉片間的夾角度大小很重要。目前，溫室補光已有冠層內補光、冠層上補光、行間補光和立體補光等技術模式，能夠最大程度地擴大冠層和葉片的受光的比例和強度，盡量讓補覆蓋光面積無法覆蓋整個冠層，在不能完全覆蓋的情況下，補光應集中于生理活性最高、葉面積指數最大部位進行補光，而且要以果實著生部位周邊作為補光重點，才能達到最佳的補光效果。

4 溫室植物補光響應的生物學方式

光作為溫室作物生產的重要環境要素，是植物光合作用的唯一能量來源，也是調節作物光形態建成的關鍵環境信號。一方面，人們可通過改變光質，調節其質量屬性控制植物生長發育；另一方面，通過改變光強和光周期，調控其數量屬性來控制植物生長發育及其速率。光對植物的調節作用是通過葉片中的光合色素和光受體作用來進行的[4]，進而影響植物碳氮代謝等生物學過程來實現的。不同的植物種類甚至品種對光環境的要求都存在一定差別，因此需要系統研究建立植物LR和LECS。植物工廠特定植物的LR確定要以植物生長發育階段為中心，以優質高產為目的，通過研究確定不同階段植物所需要的最佳光環境參數來獲得的。LR是光源和光環境智能控制的基礎，建立LR及LR庫是植物工廠節能高效生產的前提。從光質角度而言，400nm～700nm可見光通過植物光合色素調節光合機構活性與效率，是光合有效輻射，300nm～800nm是生理有效輻射。紅藍光為植物葉片光合需求最多的光譜類型，是人工補光的主體[5]。其次，遠紅光與UV光通過植物光受體調節葉、莖與植株形態。從植物生物學角度，植物從不同尺度響應光環境的變化，包括形態學響應、生理學響應(初級代謝和次生代謝，可食部位產量和品質指標)和分子生物學響應(基因表達)，各種響應相輔相成、相互影響。

5 結語

溫室半導體照明實現了溫室內光照及光環境的智能化控制，在溫室環境管控技術發展史上具有里程碑式的意義?；贚R及LEMS技術建立起的人工光植物工廠智能控制系統是溫室補光智能控制的基礎。溫室半導體照明智能控制將對溫室優質高產、節能、穩產起到關鍵作用，亟待實現和推廣應用。

[1] 居家奇，姚其，陳大華,等. 智能控制在植物生長補光系統中的應用探討[J]. 照明工程學報，2015,26(4)：115-117.

[2] 劉文科，楊其長. 植物工廠LED光源與光環境智能控制策略[J]. 照明工程學報，2014，25(4)：6-8.

[3] 劉文科. 設施園藝LED照明系統及其光效提升途徑[J]. 中國照明電器，2015,(8):26-28.

[4] Stutte G W. Light-emitting diodes for manipulating the phytochrome apparatus[J]. HortScience, 2009, 44(2): 231-234.

[5] McCree K J. The action spectra absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants[J]. Agricultural Meteorology, 1972,(9):191-196.