農業栽培用人工光源及控制系統設計與應用

王躍飛，呂天剛，呂鶴男，黃 巍

（1.鴻利智匯集團股份有限公司，廣州 510890；2.廣州市萊帝亞照明股份有限公司，廣州 510890）

隨著農業現代化和人工光技術的發展，人工光在農業栽培中的應用越來越廣，如人工光植物工廠，人工光育種，人工光藥材種植和人工光花卉繁殖，等等。農業栽培實景如圖1所示。研究表明，除了環境溫度、濕度和二氧化碳含量以外，光是影響植物生長和發育最為關鍵的影響因子[1]，對光照系統的優化設計能加速植物生長發育并減少能量損耗[2]。人工光在農業栽培中的推廣應用，擺脫了人類數千年來靠天吃飯的舊模式，是農業生產力發展過程中一次飛躍。而半導體發光技術的不斷發展又為智慧農業建設帶來新的契機，由于發光二極管（LED）作為最新一帶光源，較傳統光源，除了高效節能、環保和長壽命外，還有一個最大的特點就是其本身是半導體材料，其特性就是天然與數字電路相兼容，結合現代計算機、互聯網技術很容易實現高度智能化[3]。結合現代數字技術，能實現高產、智能、高效、節能、健康和環保的智慧農業先進生產方式[4]。因此，本項目設計了一個適合農業栽培的LED照明控制系統，并使用了DIAlux程序進行了仿真模擬[5]。為了用戶使用便利，提高用戶體驗感，利用Bluetooth無線通信技術制作了可以遠程控制的控制器，并開發出了可以安裝于智能手機的控制系統App“Plant Lamp Terminal Control System”（植物燈終端控制系統）。

圖1 農業栽培實景

1 光源及控制系統技術方案

1.1 光源選擇

影響植物生長的光合作用是在自然光譜的一定波段下進行的，如圖2所示，UVR8、隱花色素、向光素、ZTL基因家族及光敏色素的光響應范圍[6]。

圖2 UVR8、隱花色素、向光素、ZTL基因家族及光敏色素的光響應范圍

植物的生長發育不僅受光子輻照度（在植物生理學范疇內，即為光合有效的光子通量密度，Photosynthetically Active Photon Flux Density，PPFD，通常稱為“光強”）的制約，而且受光譜分布（不同波長的光及其不同組成比例，在植物生理學范疇內，通常稱為“光質”）的影響[7]。隨著植物種類和生長時期的不同，不同波長的光被用于植物生長[8]。光環境對植物的生長十分重要，為了在植物栽培中使用人工光源，需要利用現代光電技術和信息技術開發能輻射特定波長類似自然光光譜的光源。特別是對于完全人工光型的照明設施，高效、節能和智能等技術指標成為重要的研究課題。為了照明設施的經濟性，應該使用光合效率高、光質好、安全可靠和長壽的光源。近年來，光合光子通量密度（PPFD）和光合有效輻射（PAR）的人工光源LED被廣泛用于作物栽培領域[9]。LED不僅具有長壽命的優點，還具有波長覆蓋廣，并可根據需求定制輻射波段的優點，還具有可以利用數字電路根據植物種類和生長時期的精確計算所需混合光的特點。因此，本研究開發出了農業栽培用人工光源及控制系統。提出帶光學透鏡的植物生長用LED光源，改善了配光特性，并對設施農業栽培場所進行建模，利用光學模擬程序DIAlux進行驗證。并根據植物的生長時期和種類，制作了無線控制LED照明的應用App，為用戶提供了便利。

1.2 光照模塊

光照作為光合作用的能量來源是影響植物生長的重要因素之一，光強、光質和光周期等都會對植物生長發育和形態建成產生較大影響[10]。自然光是植物生長所需最好的光源，為了彌補因氣候和環境變化引起的自然光不足或為提高植物生長效率及完全避免對太陽的依賴，人們采用人工補光或全人工光形式進行農業生產。通常，人工光照采用高PPDF和高PAR的LED，對于農業栽培用戶來說，最重要的是綜合經濟效益[11]。

為了提高光合作用效率，本項目采用適合設施農業的高輻射強度和均勻度的透鏡陳列的LED模塊，如圖3—圖5所示。光學透鏡與LED光入射面和光輸出面的位置關系，根據光照模塊結構進行了組合優化，優化的鏡片呈水平方向軸對稱形式，形成垂直方向的不對稱形式的光型，能夠為設施農業用戶提供最佳配光形態。

圖3 本項目器件光學配光曲線模型

圖4 本項目LED器件

利用這種光學鏡片設計出了具有優秀的散熱和配光特性的植物生長用LED照明模塊，如圖5所示。

圖5 本項目LED模組

1.3 控制系統

植物對光的需求主要體現在光輻射照度、光周期和光譜分布3個方面，也稱之為植物生長的“光環境”[12]。因此，本文光源模組及配套控制系統都是圍繞這一需求目標進行研究開發，以提供一種能根據不同植物、不同生長階段進行光環境定制和優化的最佳效果。圖6中使用了一個智能手機Arduino操作系統App，Arduino和LED燈之間無線通信的原理方框圖。使用了藍牙模塊和智能手機，可以分別控制不同波長段LED光源的ON/OFF狀態和輻射通量輸出比例。該專門運行于智能手機平臺的控制App“Plant Lamp Terminal Control System”為用戶使用提供了操作便利性。

圖6 LED調光控制器

2 設計實施和驗證

2.1 設計過程

利用DIAlux程序分析了本項目LED光照模塊在模擬應用場景下的光強分布特性和輻射照度均勻度特性。應用場景模擬如圖7所示。

模擬使用480 W LED光照模組，在圖7的基礎上對農業設施進行了建模。農業栽培場所的建模標準設計為長6 m，寬5 m，高3 m的封閉空間，光源高2 m。模擬結果：光強分布特性結果如圖8所示，被照射面平均照度特征如圖9所示。模擬證實了本項目的LED模塊的光照度特性達到設計目標要求。

圖7 應用場景模擬

圖8 光強分布分析

圖9 被照射面輻射照度均勻度分析

2.2 試驗驗證

為了驗證本研究開發的LED照明控制系統的前期工作，由植物生長用LED模塊，提供電源的AC-DC轉換裝置，無線通信藍牙模塊，用于LED模塊調控控制裝置和安裝于Arduino系統的應用App等部分組成，LED光照控制系統實物，如圖10所示，本項目產品應用實景照片如圖11所示。

圖10 LED光照控制系統實物圖

圖11 本項目產品應用實景照片

本項目專門設計的智能手機App“Plant Lamp Terminal Control System”運行界面如圖12所示。經檢測證明，通過運行Android應用程序“Plant Lamp Terminal Control System”，藍牙可以正常連接，并使用App內部的setBrightness、BRIGHT和TIMER按鈕，可以控制LED模塊，并調節輻射通量和時間。

植物用發光二極管（LED）照明模塊的亮度控制使用了Android內置的一款高級應用SeekBar。SeekBar允許控制供應給LED照明模塊的電流，根據植物種類和生長時期調輻射波長、節輻射照度和照射時間，如圖12所示。因此，本項目的控制系統可以為不同種類和不同生長時期的植物提供最佳的光照環境。

圖12 LED控制系統實物演示

3 總束語

本項目設計開發了一款農業栽培用人工光源及控制系統，包括一個基于Android的智能手機應用程序，該LED光照控制系統，可根據植物類型和生長季節，對不同輻射波長的光輸出進行無線控制。為農業栽培提供便捷、高效和良好用戶體驗感的光照環境。經DIALux對其進行仿真模擬，光照模塊在模擬應用場景下的光強分布特性和輻射照度均勻度特性指標優異。使用本項目提出的植物生長用LED照明模塊和照明控制系統，可以為農業栽培提供優化的光照環境，改善農戶的生產效率的同時用戶體驗感也大大提高。