試驗研究 60 新農(nóng)民2024 年第 1 期 探究 LED 補光技術(shù)在藍(lán)莓植物工廠中的應(yīng)用 陸 敏 1 胥 明 2 趙 劍 1 朱連根 1 1 上海市敏藍(lán)藍(lán)莓種植專業(yè)合作社 上海 201517 2 上海市藍(lán)莓研究所 上海 201517 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(lán)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(lán)莓生產(chǎn)體系來實現(xiàn)藍(lán)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(jìn)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(yīng)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(yīng)用 而采用LED補光系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫 度 濕度 CO 2 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(yīng)用 藍(lán)莓植物工廠應(yīng)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(lán)莓 植物工廠能夠使藍(lán)莓生產(chǎn)實現(xiàn)規(guī)模化 集約化和標(biāo)準(zhǔn) 化 因此 在藍(lán)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 CO 2 濃度 營養(yǎng)液等影 響藍(lán)莓生產(chǎn)的因素還未得到完全解決 對此 為進(jìn)一步 提高藍(lán)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(lán)莓植物工廠中的應(yīng)用進(jìn)行探究 1 LED補光硬件系統(tǒng)在植物工廠中的應(yīng)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?zé)羰抢名u素?zé)艄馨l(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(lán)色光和紅色光 通過紅藍(lán)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(xué)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(xué)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(jìn)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(dá)到最大的 產(chǎn)量和品質(zhì) 例如 在幼苗期使用LED補光時 應(yīng)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(yīng)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) 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(lán)莓植物工廠上的研 究 項目編號 20392001400 的階段性研究成果 試驗研究 61 2024 年第 1 期新農(nóng)民 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(dǎo)體材 料的光生伏特效應(yīng)制成的 它的發(fā)光原理是 在電的 作用下 半導(dǎo)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(yīng) 在半導(dǎo)體表面上形成光斑 從而達(dá)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(dāng)有 輸入電壓時 由電容濾波后的交流電通過開關(guān)電路變 為直流電供給LED工作 當(dāng)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(yīng)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(yīng)用LED補光硬件系統(tǒng)時應(yīng)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(yīng)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(yīng) 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(dá)到更好的效果 還需要進(jìn)一步研究適合該場合 使用的光源顏色 在實際應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(jìn)行 控制 在應(yīng)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(yán)格控 制溫度環(huán)境 否則 會導(dǎo)致植物生長不良甚至死亡 在應(yīng)用LED補光系統(tǒng)時 主要通過設(shè)定溫度來對LED燈 進(jìn)行控制 具體流程為 當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值時 控制器發(fā)出指令給LED燈進(jìn)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(yīng)用 LED補光系統(tǒng)時 要嚴(yán)格控制環(huán)境濕度變化 并對系 統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)置 1 2 3 系統(tǒng)布局 一是紅藍(lán)光系列 紅藍(lán)光系列補光系統(tǒng)主要由 紅藍(lán)光芯片 大功率LED燈和配套的鎮(zhèn)流器組成 其 中 紅藍(lán)光芯片主要起到藍(lán)光和紅光的作用 通過調(diào) 節(jié)芯片的導(dǎo)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(lán)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(lán)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(lán)LED 燈 但是 紅藍(lán)LED芯片并沒有得到很好的優(yōu)化 因 此 紅藍(lán)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(lán)LED芯片在價 格方面也比白熾燈要貴很多 二是紅藍(lán)復(fù)合系列 紅 藍(lán)復(fù)合系列是一種復(fù)合型光源 包括光源 反射罩 紅藍(lán)復(fù)合透鏡等部分 紅色光源與藍(lán)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(lán)復(fù)合系統(tǒng)對藍(lán)莓植株進(jìn)行補光 可以改善藍(lán)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(xué) 者對該系統(tǒng)進(jìn)行了研究 如鄭英志等人在LED補光技 術(shù)研究方面進(jìn)行了探索 在LED光源中加入不同波長 的藍(lán) 綠色濾光鏡片和紅 橙色濾光鏡片后 可以實 現(xiàn)對藍(lán)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(lán)色在光譜上有較大差異 對藍(lán)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(yīng)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(jìn)行處 理 提取出作物的顏色特征 可以對植物的健康狀況 進(jìn)行初步判斷 在藍(lán)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 試驗研究 62 新農(nóng)民2024 年第 1 期 藍(lán)莓 但在生產(chǎn)過程中 對不同植物進(jìn)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(zhǔn) 確性問題 方法是 首先將待測植物圖片導(dǎo)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(yīng)的模式 進(jìn)入識別界面后 在界面上 可以看到藍(lán)色和紅色的2種顏色 點擊藍(lán)色按鈕可以開 始拍攝植物圖片 將拍攝好的植物圖片導(dǎo)入到LED補 光軟件系統(tǒng)中進(jìn)行處理 軟件會自動根據(jù)植物圖片中顏 色進(jìn)行對比 并把顏色匹配好的植物圖片顯示出來 然 后選擇藍(lán)色按鈕可以進(jìn)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(lán)色和黃色 點擊 綠色按鈕可以進(jìn)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(lán)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(lán)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(yīng)用 這款軟件采用了全新的算法 能夠 精準(zhǔn)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(dǎo)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(yīng)月份 進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行調(diào)節(jié) 可以使LED燈的輸出 功率達(dá)到最佳狀態(tài) 不僅可以節(jié)約能源 還能很好地 保護(hù)環(huán)境 控制系統(tǒng)可以使用PC或可編程邏輯控制器 PLC 進(jìn)行設(shè)計 也可以使用PLC 單片機 智能 儀表等來進(jìn)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(jìn)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(jìn)行管 理 進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析 統(tǒng)計 計算等工作 當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行預(yù) 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(jìn)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(jìn)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(yīng)該重視對補光系統(tǒng)的研究和開發(fā) 并將其應(yīng)用于植 物工廠 以提高藍(lán)莓產(chǎn)量和品質(zhì) 減少對土地 水和 肥料的需求 參考文獻(xiàn) 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(jìn)展 J 國土與自然資源研究 2023 4 69 72