温室植物半导体照明智能控制技术分析

2015-02-02刘文科

照明工程学报 2015年5期

刘文科

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

在我国，设施园艺栽培面积高达400万公顷，包括自然光栽培系统(拱棚、塑料大棚、日光温室、玻璃温室等)和人工光栽培系统(植物工厂、组培室、培养箱等)。温室是最为重要的自然光栽培系统类型，截止2014年底，温室面积已有100万公顷以上，在反季节蔬菜、花卉、果树栽培方面起主导作用。温室主要包括日光温室和连栋温室，温室补光是设施农业半导体照明应用主要场所。国内外研究表明，温室补光非常必要，对保障作物健康生长发育具有重要作用。其一，温室补光是设施农业的本质需求。设施农业的本质是促生生产方式，就是要通过环境控制促进或延迟农业生物生长发育与繁殖过程，获得更高的产量和品质。光照最为重要环境因子，认为调控起着关键作用，现代温室生产必需实现光照条件的按需调节。其二，温室补光是温室生产的现实需求。实际生产中，连阴雨雪、雾霾、灰尘污染等导致的弱光寡照胁迫时有发生，危害严重，导致作物减产甚至绝收(补光)；而且，高纬度地区日照短，无法满足长日照园艺作物的光周期需求，需要人工光补充。最后，LED补光装备是温室环控的必需执行机构。温室内光照环境随外界自然光照的变化即时变化，加之墙体、温室横梁支架结构、以及保温覆盖遮阳机构的遮挡，其内部光照条件在光强和光周期上遭到缩减，在光质上也产生了变化。这些改变在弱光寡照天气条件下尤为严重，光环境胁迫已成为制约我国温室园艺产业体质增效的瓶颈障碍，亟待解决。按照因子综合作用率理论，实施温室光环境智能控制不仅可保障温室作物优质高产和稳产，也能提高温室生产资源的利用效率(水肥、CO2等)，可提升温室自动化水平，节省人力资源。荷兰作为设施园艺强国，已将补光技术研究推上了较高水平，取得了丰硕的成果，在LED补光方面走在了世界前列，而我国温室半导体照明则刚刚起步。

1 温室植物半导体照明智能控制的必要性

通常而言，温室工厂化生产需要环境要素甚至生产要素的智能控制，基于智能控制使温室具有周年生产的能力。温室智能控制的实现难度与温室类型有关，取决于外围护结构及其材料种类，其投入产出比存在温室类型差别。而且，智能控制系统的性能随着电力电子技术和计算机网络通讯技术的发展而不断优化和提升。实际上，我国塑料大棚、日光温室远未实现智能控制管理，只有连栋温室和玻璃温室装备水平较高。现今，世界范围内绝大多数温室未真正意义上实现智能补光，多数连栋温室仅采用HPS实现了定时补光。LED光源的出现与技术发展从根本上解决了温室智能补光缺乏执行机构的难题，正在推进温室光环境调控的智能化进程。实际上，温室补光因温室类型而存在本质上的不同，也与栽培作物种类、季节因素有关，这种补光需求的时空变异性导致温室补光必需实施智能化管控，才能节能、高效。而且，温室人工补光是以自然光为主导的调控模式，需要智能化控制才能达到节能、高产、稳产、优质和提高资源利用效率的目标。LED照明系统的设计与研发是以最大化提高其光电转化效率和时空生物光效为目标的，以确保设施园艺光环境调控的效益。同时，温室内温度不仅受控于环境温度、温室保温性能，更受控于光照条件，弱光寡照天气导致的光胁迫常伴随着低温胁迫的发生。此外，与温室气温相比，温室作物根区温度变化具有滞后性，在补光时需要考虑。温室内光环境的质量和数量属性瞬时间都在发生日变化和季节变化，如果采用恒定不变的补光系统进行光环境调控是不适合的，难以取得很好的生物学效益。所以，温室补光系统必须采用智能控制，充分考虑利用自然光条件，减少人工光的能耗，按需补光。温室半导体照明可行性高，在无电力地区可采纳光伏发电技术供LED照明使用。

智能控制是指利用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、要寻控制系统，来实现对照明设备的智能化控制[1]。智能控制方式可分为两类，有线控制无线控制。当前，温室补光应该采纳基于传感器和PLC系统构成的智能控制系统，而非基于WiFi通讯和Zigbee组网的物联网系统，后者实际应用的必要性尚远。智能控制除了光照配方智能控制外，更需要关注基于设施植物生产领域、植物的各生长发育阶段的形态、调控目标和自然光资源利用的照明技术差异，应因地制宜，因温室类型而变。

2 温室植物半导体照明智能控制的内涵

现代设施园艺必需发展实现光环境智能控制，营造作物适宜的生长条件，保证高产、稳产、优质。温室植物半导体照明智能控制是指按照生产季节、设施类型、作物种类和生产优先目标主导的设施光环境时空变化和需求规律，以LED光源为光源执行机构，按照节能、高效的原则实施的光源动作自动化管理的运行模式。温室植物半导体照明智能控制是具有多维、多因素、多目标的管理模式，具有丰富的内涵，其核心要建立光环境调控的模型，按照模型实施智能控制。其内涵之一，温室植物半导体照明智能控制的内容包括光质、光强和光周期及其耦合调节，对LED光源性能有特殊的要求；其内涵之二，温室植物半导体照明智能控制是时间和空间的双尺度的耦合调控，既要考虑光环境的日变化，也要考虑季节变化和作物生长变化，需要统筹安排；其内涵之三，温室植物半导体照明智能控制是与温室其他环境要素、水肥要素耦合的控制过程，要做必要的交互设计；其内涵之四，温室植物半导体照明智能控制是要充分利用自然光基础上，最大程度地发挥人工光的效用，使自然光和人工光资源有机结合，发挥叠加效应和互补效用，而不是替代关系。总之，光环境智能控制是个复杂的系统工程，而且它仅是温室智能控制较小的必要组分，如何将温室补光智能控制合理、有机地嵌套到温室智能控制系统中是发挥最大效能的关键。

3 温室植物半导体照明智能控制的技术策略

刘文科和杨其长(2014)[2]提出了人工光植物工厂光环境智能控制的策略，强调基于植物光环境需求特性，建立光照配方(Lighting recipe，LR)，制定光环境控制策略(Light environment control strategy, LECS)，是保证优质高产前提下实现光能最大利用效率，削减光源能耗的有效方法。实际上，温室光环境调控智能控制需要考虑的因素比人工光植物工厂光环境智能控制更复杂，控制模型与策略更复杂(具体技术体系见图1)。首先，温室植物半导体照明智能控制技术需要充分利用设施内太阳光能量与资源，实时调整光照配方中自然光贡献部分，调整光照策略，削减能耗。其次，温室植物半导体照明智能控制技术需要遵循设施内园艺作物生长的时空规律，按照植物生长发育阶段，考虑作物冠层分布、果实分布与叶片角度等要素，注重照射面积与作物冠层的匹配关系，调整光源悬挂位置、照射角度等控制参数。最后，温室植物半导体照明智能控制技术需要大功率红蓝LED光源装置作为执行机构，该光源装置具有较宽的光强控制范围，较大的照射面积，较好的散热性能，并具有可调节的悬挂能力。从节能角度而言，刘文科(2015)[3]论述了LED照明系统装备的构成(LED光源及LED灯、LED灯悬挂装置及调控系统、光环境智能控制系统)及其光效提升途径，重点阐明LED芯片光质构建、LED灯珠发光角度、LED阵列排布方式、发光面性状设计、散热系统设计、光环境智能控制、悬挂装置及调控系统、栽培平台创新与调控等环节的技术途径。具体而言，温室植物半导体照明智能控制技术要充分检测、利用自然光基础上进行人工补光，基于温室作物光环境需求(光强和光周期)分阶段分强度进行动态实时补光。

图1 温室植物补光智能控制技术体系构建Fig.1 Technology system establishment of supplemental lighting for plants in protected facilities

通常，叶片的光能利用率仅有5%，补光照射方向与叶片间的夹角度大小很重要。目前，温室补光已有冠层内补光、冠层上补光、行间补光和立体补光等技术模式，能够最大程度地扩大冠层和叶片的受光的比例和强度，尽量让补覆盖光面积无法覆盖整个冠层，在不能完全覆盖的情况下，补光应集中于生理活性最高、叶面积指数最大部位进行补光，而且要以果实着生部位周边作为补光重点，才能达到最佳的补光效果。

4 温室植物补光响应的生物学方式

光作为温室作物生产的重要环境要素，是植物光合作用的唯一能量来源，也是调节作物光形态建成的关键环境信号。一方面，人们可通过改变光质，调节其质量属性控制植物生长发育；另一方面，通过改变光强和光周期，调控其数量属性来控制植物生长发育及其速率。光对植物的调节作用是通过叶片中的光合色素和光受体作用来进行的[4]，进而影响植物碳氮代谢等生物学过程来实现的。不同的植物种类甚至品种对光环境的要求都存在一定差别，因此需要系统研究建立植物LR和LECS。植物工厂特定植物的LR确定要以植物生长发育阶段为中心，以优质高产为目的，通过研究确定不同阶段植物所需要的最佳光环境参数来获得的。LR是光源和光环境智能控制的基础，建立LR及LR库是植物工厂节能高效生产的前提。从光质角度而言，400nm～700nm可见光通过植物光合色素调节光合机构活性与效率，是光合有效辐射，300nm～800nm是生理有效辐射。红蓝光为植物叶片光合需求最多的光谱类型，是人工补光的主体[5]。其次，远红光与UV光通过植物光受体调节叶、茎与植株形态。从植物生物学角度，植物从不同尺度响应光环境的变化，包括形态学响应、生理学响应(初级代谢和次生代谢，可食部位产量和品质指标)和分子生物学响应(基因表达)，各种响应相辅相成、相互影响。