探究LED補光技術在藍莓植物工廠中的應用

陸敏 胥明 趙劍 朱連根

摘要：隨著我國社會經濟的發展和人們生活水平的提高，人們對藍莓產品品質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體系來實現藍莓產業化是必然趨勢。植物工廠是一種新型的農業生產方式，利用現代化的設施設備在人工控制下進行生產活動，具有低能耗、高效率、高品質、高產等優點，因此，在現代農業生產中應用廣泛。其中，LED光源是一種具有高效率、高穩定性的光源，非常適合在植物工廠中應用。而采用LED補光系統可以實現對溫度、濕度、CO2濃度和光照強度等環境參數的自動控制，從而提高生產效率和產品品質。

關鍵詞：LED補光技術；LED應用；藍莓植物工廠應用

LED補光系統的優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境的污染。藍莓植物工廠能夠使藍莓生產實現規模化、集約化和標準化，因此，在藍莓生產中具有廣闊的發展前景。但目前，我國植物工廠還處于起步階段，很多技術問題尚未解決，比如溫度、濕度、光照、CO2濃度、營養液等影響藍莓生產的因素還未得到完全解決。對此，為進一步提高藍莓生產效率和品質，滿足市場需求，需要對LED補光技術在藍莓植物工廠中的應用進行探究。

1 LED補光硬件系統在植物工廠中的應用方式

1.1 LED補光硬件系統

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出的光線中含有溴元素，其發出的光線具有一定的黃色調。而LED補光光源是利用LED芯片發出的光線中含有不同波長的藍色光和紅色光，通過紅藍比例調節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：發光芯片、光學透鏡以及外殼。其中，發光芯片是由一個或多個小的正方形或長方形平面發光二極管構成；光學透鏡是一個具有一定孔徑大小、直徑和角度可調的半圓金屬透鏡；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項參數進行對比，然后選擇性價比高的產品。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光二極管（LED）的新型光源，具有體積小、壽命長、能耗低等優點，廣泛應用于植物工廠中。高壓鈉燈是一種高壓汞燈，其發光波長范圍較窄，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閉LED燈的模塊，可以代替傳統的開關來控制路發光設備，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燈的亮度來實現開關路燈。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動電路組成。控制電路將光信號轉化為電信號，驅動電路將電能轉化為光能使LED燈亮或滅，一般使用MOS管或二極管來實現。有源模塊可分為2部分：接收部分和發射部分。接收部分將光信號轉化為電信號，再由驅動電路來實現開關功能，一般使用光敏電阻或MOS管來實現。其工作原理是當LED燈發光時，電流流過LED的正極會產生一個與該電流大小成正比的電壓，從而可以驅動LED燈發光；當不發光時，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動電路的工作狀態，從而實現控制功能。植物工廠的光控模塊通常采用光強控制或光周期控制，光強控制是指根據植物的需要，在一定范圍內選擇合適的LED燈的輸出光通量；光周期控制是指根據植物的生長和發育需求，通過改變LED燈的工作時間來調節輸出光通量。在植物工廠中，LED補光硬件系統通常采用光控模塊控制LED燈，以達到最大的產量和品質。例如，在幼苗期使用LED補光時，應根據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補光硬件系統需要考慮整個系統的布局和布局。

1.1.3 電源系統

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。它的發光原理是：在電的作用下，半導體中的二端電子會發生躍遷，產生光。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電源系統由LED驅動、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驅動電路：由穩壓芯片、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電路變為直流電供給LED工作，當無輸入電壓時，由開關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電源中的可控硅和變壓器，實現對驅動電路的控制和調節。高壓直流供電電源：將220V交流電經過濾波、整流等環節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驅動電源的恒流特性。電源系統的主要作用是為補光光源提供穩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，使用時需要根據植物生長特性和環境條件選擇。在植物工廠中，為了滿足LED光源長時間穩定工作的要求，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，在使用前需要根據其功率大小計算相應的電流。此外，還可以采用變頻技術提高LED光源工作效率。

1.2 在植物工廠中應用LED補光硬件系統時應注意的問題

1.2.1 光源參數的選擇

選擇LED補光硬件系統時，光源的色溫和顯色指數是重要參數，可以根據不同植物對光源的需求，通過調節LED燈的色溫和顯色指數，實現不同植物對不同光源的需求。LED補光系統中，根據實際應用場景選擇合適的LED燈類型和功率。在室內使用，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，還需要根據實際應用場景選擇合適的光源顏色和光效。例如，在生產、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燈對環境的影響。在室內環境中使用LED燈時，應避免產生光污染。

1.2.2 控制方法

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

1.2.3 系統布局

一是紅藍光系列。紅藍光系列補光系統主要由紅藍光芯片、大功率LED燈和配套的鎮流器組成。其中，紅藍光芯片主要起到藍光和紅光的作用，通過調節芯片的導光能力來調節光質。大功率LED燈是補光系統的主要設備，其作用是為植物提供可見光以及紅光、藍光和綠光。鎮流器主要起到鎮流器的作用，它可以將紅藍光芯片產生的光能轉化為電能并供給植物生長所需。雖然目前市面上已經出現了許多紅藍LED燈，但是，紅藍LED芯片并沒有得到很好的優化，因此，紅藍LED芯片仍然是植物工廠中使用較多的補光設備。同時，由于技術含量較高，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對植物的補光。該系統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之一。通過紅藍復合系統對藍莓植株進行補光，可以改善藍莓植株的生長狀態，提高果實品質和產量。目前，有很多學者對該系統進行了研究，如鄭英志等人在LED補光技術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，可以實現對藍莓植株的補光。但目前該系統還存在一些問題，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補光軟件系統采集到的數據進行處理，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。在藍莓生產過程中，經常會用到不同的補光方式，不同的光照模式可以用來生產出不同的藍莓。但在生產過程中，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補光軟件系統中進行處理，軟件會自動根據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尋找。通過圖像處理技術可以根據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補光軟件系統根據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補光軟件系統是一款專業的LED植物補光控制軟件，目前，已在多個地區應用。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，是植物生產的最佳照明方案。光照計算方法：確定要補光的植物；導入植物；輸入相關參數（一般為需要補光的植物名稱、品種、類別、數量、放置位置等）；打開光照計算系統，輸入需要補光的植物名稱和數量，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，將結果保存到指定位置。計算植物在不同時間段內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主要是根據不同的作物和生長階段，進行智能算法的計算，選擇最優的LED燈輸出功率，保證作物在最佳的生長環境下進行光合作用。LED補光軟件系統具有實時監測植物生長情況、精準補光等優勢，是植物工廠中重要的補光設備。LED補光軟件系統的功能非常強大，首先，要打開LED補光軟件系統，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，我們只要根據實際需要選擇合適的選項就可以。

2.4 控制系統

在植物工廠中，控制系統主要用于調節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變化，當電流超過一定值時，LED燈的發熱和效率就會下降，如果繼續加大電流，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來控制電流。由于開關電源是由一系列開關管組成，在開關管處于導通狀態時，可以利用控制系統來調節電流大小。因此使用開關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燈進行調節，可以使LED燈的輸出功率達到最佳狀態。不僅可以節約能源，還能很好地保護環境。控制系統可以使用PC或可編程邏輯控制器（PLC）進行設計，也可以使用PLC、單片機、智能儀表等來進行設計。在植物工廠中，LED燈的輸出功率和光質、光強等環境參數以及作物種類和生長階段有關。通過調節LED燈的輸出功率和光質，可以在保證作物生長的同時，減少對環境的影響，從而節約能源。在不同的植物工廠中，補光系統需要根據具體情況進行調試。

2.5 數據管理

補光軟件系統可將采集到的數據通過網絡進行管理，進行數據的分析、統計、計算等工作。當采集到植物生長環境參數或作物生理參數時，會通過補光軟件系統進行實時監測和分析，然后根據分析結果對補光系統進行調整。同時，軟件還可以根據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網系統的對接，還可以對植物工廠中的植物生長情況進行監控，及時了解植物生長狀態和補光情況，并對補光系統進行調整。

3 結語

植物工廠是一種新型的種植模式，其在未來的發展前景廣闊。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的研究和開發，并將其應用于植物工廠，以提高藍莓產量和品質，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“科技創新行動計劃”農業科技領域項目“低耗能高效光技術在藍莓植物工廠上的研究”（項目編號：20392001400）的階段性研究成果。