兰花组培LED照明特种光源及其精准调控方法

李金玉， 龚爱平， 周永明

（1. 广东轻工职业技术学院环境工程系， 广东 广州 510300； 2. 深圳信息职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518172；3. 广东轻工职业技术学院电子通信工程系，广东 广州 510300）



兰花组培LED照明特种光源及其精准调控方法

李金玉1， 龚爱平2， 周永明3

（1. 广东轻工职业技术学院环境工程系， 广东 广州 510300； 2. 深圳信息职业技术学院机电工程学院，
广东 深圳 518172；3. 广东轻工职业技术学院电子通信工程系，广东 广州 510300）

摘 要：组织培养是一种快速高效的兰花繁殖手段和重要途径，新型人造LED照明特种光源的光质比和光密度可以根据兰花组培苗生长的实际需要及时精准调节，LED照明调控系统具有易于混合配光、便于数字化精准调控、高效节能、绿色环保等诸多优点，能够提供兰花组培最适宜的特定光照，推广应用经济价值高、市场前景好。

关键词：兰花组培；LED光源；光配方；精准调控

1　兰花组培

兰花（Cymbidium ）是兰科植物的统称，具有很高的观赏价值、药用价值、科研价值和经济价值，一般以种子繁殖或分株的方法进行繁殖，常规繁殖比较困难且周期较长。

兰花组培（tissue culture，组织培养），是指通过无菌操作分离兰花（卡特兰、蝴蝶兰、文心兰、大花蕙兰等）的一部分（外植体explant），接种到人为提供的培养基质上，在人工控制的小气候环境（一定的光照、温度、湿度、营养、激素等）条件下进行培养生长，使其成为完整的幼小无病毒兰花植株，实现兰花的经济有效快速繁育（rapidpropagation）。通过组培获得的兰花苗生长、开花比较整齐一致，可完全保存母株的花色性状。兰花组培，可以进行规模化、批量化、集约化、自动化工厂生产，在成活率、抗病虫害性、出花率等方面也都有明显优势，能够在短时间内获得大量同源母本基因幼苗，具有很好的工程应用推广价值，有着巨大的市场前景。

2　组培架与LED照明光源

2.1组培架

组培架用来放置接种后的组培苗，用于提供组培所需光照的光源灯具一般固定在组培架上，组培车间（人造密闭式光照生产系统）是组培苗生长的场所［1］。

2.2人工光源

图1　植物光谱响应曲线Fig.1 The plant response of light

图2　各类色素的吸收光谱Fig.2 The light spectrum absorbed by different pigment

组培苗需要光照进行光合作用，为了保证组培生产的质量和稳定性，必须应用人工光源。光照条件的好坏直接影响兰花组培苗的生根及形态建成、色素含量、茎的生长、叶绿体的合成、叶片酶活，最终影响组培苗的品质：株高、茎节间距、茎粗、根数、最长根长、根系活力、叶片数、叶片气孔数、叶色、叶片面积和厚度、叶片质量、鲜重、干重、叶绿素含量、类胡萝卜含量、蛋白质含量、游离氨基酸含量、可溶性糖和淀粉及碳水化合物含量、过氧化氢酶和过氧化物酶活性。

目前普遍采用的是传统T8或T5荧光灯［2］。荧光灯作为组培光照光源，光效不高、光谱不佳、光生物能效低，用电量大（占整个电费的65%）、成本高（占到组培苗总成本的30-40%），且光质（光谱分布）、光强（光照强度）不可调，发热大、空调降温能耗高、不能近距离照射，光衰大、寿命短，其结果是增加组培生产成本，影响组培苗品质。

图3　荧光灯光谱Fig.3 The light spectrum of fluorescent lamp

图4　荧光灯光照组培车间Fig.4 The tissue culture shop of fluorescent lamp

发光二极管（Light-Emitting Diodes，简称LED）是将电能直接转化成光能的半导体光电子器件，光色纯、种类多，可灵活地配制任何不同比例的组合光谱，LED具有无限的光谱调配可能性。

图5　LED光谱Fig.5 The light spectrum of LED

LED照明特种光源是一种以LED为发光体，光质比（光色及其配比）和光密度（光合光量子通量密度PPFD:photosynthetic photon flux Density）可根据兰花组培实际需要及时精准调节，满足其所需特定光照的新型人造光源。

选择合适的光源（红光、蓝光、绿光、暖白光、远红等颜色混合组成，单颗LED灯珠功率为0.2 W 或1 W ），确定光源的数量（LED灯的总功率4.8 W 、18 W 、 36 W 、 48 W 、 72 W ）及排布，根据植物对光的合理需求为光源研制应用提供适宜的方案。

图6　LED组培光源及应用Fig.6 The LED lamp and its application in tissue culture

2.3兰花组培LED光源的优点

LED应用于兰花组培，具有以下优势：

（1）单色性好，LED的波长与发光材料的禁带宽度对应，光谱性能好、半峰宽窄、颜色纯，便于集中提供特定波段的光照。人们研发并制备了多种LED，覆盖可见光、红外及紫外，红光（Red）、蓝光（Blue）、绿光（Green）、黄光（Yellow）、红外（FR）、紫外（UV）可以分别单独控制。红蓝光有利于组培苗的光合成和光形态建成，根据叶绿素的吸收光谱针对性地调节LED不同光质比，提高光合效率。按照兰花组培特定的光需求，设计红、蓝、绿、黄、红外、紫外等不同混配比例（组合调节光质）、调节光照强度、占空比，进行“光配方”。

（2）光效高：LED具有较高的电光转化效率，总光效可达150lm/W以上，而荧光灯一般不会超过90lm/W，使用LED替代荧光灯可以减少用电。

（3）响应快：即开即亮，LED可以被快速地开关（达到ns级），可以实现各种要求的波形。

（4）寿命长：LED理论寿命为100000小时，做成灯具使用寿命也能够到达40000小时，使用过程中光通维持率正常不会低于90%。

（5）冷光源：LED属于冷光源，发热量少、向组培苗辐射的热量也小，这样可减小光源灯具与组培苗之间的距离以实现近距离光照。LED体积小，适用于多层立体组培架，可提高组培车间的空间利用效率。

（6）精准调控，LED可以与智能控制系统结合，对光质比、光密度、光照时间等进行智能精准调控，使光能被组培苗更有效地吸收利用［3，4］。对不同品种及不同生长期提供不同的光质比、光密度、光周期的可控光，能够调控兰花组培的生长发育和形态建成，提高组培苗的品质。红光、蓝光是必需光质，红光促进叶绿素A和叶绿素B进行光合作用，促成茎、茎根、叶球以及其他器官形成；蓝光有助于光合作用，能促进绿叶生长，蛋白质合成以及缩短培育期。其它可见光质种类和红外、紫外为有益光质，在红蓝组合光基础上补充一些特殊光质成分，有助于实现促进兰花生长发育和提高产量品质的特殊目标。

（7）光照均匀：提高产品一致性和品质，缩短组培生产周期，降低组培生产成本［5］。

（8）远程控制：通过计算机软件对多个光照区域分别定义光照模式和光照程序，利用Zigbee无线控制技术，单个节点控制多块LED灯板（也可以做成灯条或者灯管的形式）。

在植物组培中，光质比、光密度、光周期（光照时间）对组培苗的生长发育、形态建成、光合作用、物质代谢及基因表达起重要作用［6-10］，也就是说兰花组培对光照有其特定需求、需要有针对性的光照专业解决方案，可以科学利用光照最大程度地促进组培苗的生长。兰花组培LED照明系统，能够保障光照的高均匀性，组培苗放置在培养架上的任何位置，都能获得同等水平的光照，这样组培苗的生长速度相同、长势相同；并且还能够通过输出光谱的调节，使组培苗能接受到最适宜的光照。总之，兰花组培LED照明系统具有技术先进、易于混合配光、便于精准调控、高效节能、绿色环保、灵活简便、安全可靠等诸多优点。通过对光质比、光密度和光周期的综合调控，达到兰花组培光环境的精准、智能调控，控制兰花组培苗植株形态建成，提高组培苗的净光合速率，加速兰花组培苗有效健壮生长，提高兰花组培生产作业效率，实现兰花组培优质、高效、节能的目的。使用LED照明特种光源，为兰花组培苗生长提供所需最佳光照，提高兰花种苗产量、品质和兰花组培生产企业的经济效益。

3　LED照明调控系统

精准智能光调控是人工光兰花组培领域优质高产、降低能耗与提高效率的决定因素，目标是实现光照的按需调控［3，4］。兰花组培LED照明调控系统，可采用WiFi+Zigbee通信技术，PWM调光技术进行按需给光。

3.1系统组成

基于WiFi+Zigbee LED兰花组培光照环境调控系统由控制前端（智能手机、平板电脑或控制平台）、光传感器（ light sensor ）、现场总线（Fieldbus）、光照驱动控制器（包含AC/DC恒压电源、DC-DC恒流模块和集成有WiFi+Zigbee、MCU主控电路的专用通信模块）和LED灯组成。

图7　LED兰花组培光照环境调控系统Fig.7 The regulation and control system for light environment used in tissue culture

3.2系统功能

利用分布式光传感器感知环境的现有光质、光密度及其分布，进行实时光照数据采集，再根据兰花组培总的需光量计算出LED光源还需补充提供的光波长和光强，按此需求控制嵌入有基于安卓（Android）或iOS系统的前端操控设备、通过WiFi通信、及时精准调控终端LED光源板：

（1）开关LED光源；

（2）调整LED光强：PWM模式与模拟调光模式

（3）调整LED光质：不同LED 及其混配比例。

4　结语

组织培养是兰花快速高效繁殖的重要手段和技术途径，新型LED照明光源凭借其高效节能及便于组合配光的优异光电性能，必将取代传统荧光灯成为组培光照电光源的重要发展方向。结合LED照明和网络通信及智能控制的先进技术，构建兰花组培光环境精准调控照明系统，应用于兰花组培工程领域，实现组培光照按需及时精准调控，能够经济地在短时间内培育出大量同源母本基因优质兰花幼苗，组培生产成本合理、兰花组培苗品质优良。LED照明特种光源及精准调控新技术的应用，将会促进兰花组培产业的健康快速发展。

参考文献（References）:

［1］ 李金玉. 植物组织培养架. 中国， ZL201520196958.2［P］. 2015.

LI Jinyu. Plant Tissue Culture Trellis. China，ZL201520196958.2［P］. 2015 （in Chinese）

［2］ 陈育明. 农业照明光源的发展［C］. 第三届全国现代农业照明及智能控制技术研讨会， 2015. 5:29-38.

CHEN Yuming. Development of Illuminating Source used in Agriculture［C］. The Third Nationwide Discussion on Modern Agriculture Illuminating and Intelligent Control Technology. 2015， 5:29-38. （in Chinese）

［3］ 曹小兵. 基于WiFi+Zigbee智能控制在农业照明的应用［C］. 第三届全国现代农业照明及智能控制技术研讨会，2015， 5:87-92.

CAO Xiaobin. Intelligent Control Technology used in Agriculture Illuminating［C］. The Third Nationwide Discussion on Modern Agriculture Illuminating and Intelligent Control Technology. 2015， 5:87-92. （in Chinese）

［4］ 徐虹. 设施农业智能控制系统现状和趋势［C］. 第二届全国现代农业照明及智能控制技术研讨会， 2014， 6.

XU Hong. Current Situation and Trend of Intelligent Control Technology Used in Agriculture Facilities［C］. The Second Nationwide Discussion on Modern Agriculture Illuminating and Intelligent Control Technology. 2014，6. （in Chinese）

［5］ 季杭峰. LED植物组培灯具的光照均匀性设计［C］. 第一届全国现代农业照明及智能控制技术研讨会， 2013， 9.

JI Hangfeng. Design on Illuminating Uniformity of LED Lamp Used in Tissue Culture［C］. The First Nationwide Discussion on Modern Agriculture Illuminating and Intelligent Control Technology. 2013， 9. （in Chinese）

［6］ 王亚沉，王玉英，徐诗涛，李枝林. 不同LED光源对碧玉兰组培苗淀粉含量的影响［J］. 热带农业科学，2015（7）:27-29

WANG Yachen， etc. Effects of Different LED Light Sources on Amylum Content of Cymbidium lowianum Plantlets in Vitro［J］. Chinese Journal of Tropical Agriculture. 2015（7）: 27-29（in Chinese）

［7］ 张宝珠，金茂勇，于静，戴剑锋. LED组培光源对红掌组培苗的影响及应用研究［J］. 农业工程技术·温室园艺， 2013（12）:32-32

ZHANG Baozhu， etc. The Application and Effects of LED Light Sources on Anthurium Andraeanum Tissue Culture［J］. Agricultural Engineering Technology （Greenhouse & Horticulture）， 2013（12）:32-32 （in Chinese）

［8］ 杨雅婷，程瑞峰，杨其长，肖平. LED光源不同R/B处理对甘薯组培苗品质及节能效果的影响［J］. 中国农业气象， 2010， 31（4）:546-550

YANG Yating， Etc. Effects of LED Light Quality R/B Ration to Quality of Sweet Potato Plantlets in Vitro and Energy Saving［J］. Chinese Journal of Agrometeorology. 2010，31（4）:546-550（in Chinese）

［9］ 闫新房. LED光源在植物组织培养中的应用［J］. 中国农学通报，2009， 12:42-45.

YAN Xinfang. The Application of LED Light Source In Plant Tissue Culture［J］. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2009， 12:42-45. （in Chinese）

［10］ 吴沿友，刘建，胡永光，赵玉国，李国祥. 发光二极管作为组培光源的特性分析与应用［J］. 江苏大学学报:自然科学版， 2007， 28（2）:93-96

WU Yanyou， etc. Characteristic Analysis and Application of Light-emitting Diode Used as Tissue Culture Light Source［J］. Journal of Jiangsu University（Natural Science Edition）. 2007， 28（2）:93-96.（in Chinese）

【责任编辑：高潮】

【信息技术应用研究】

【信息技术应用研究】

LED light source used for cymbidium tissue culture and its regulation and control method

LI Jinyu1， GONG Aiping2， ZHOU Yongming3
（1. Department of Environmental Engineering Guangdong Industry Technical College， Guangzhou 510300， China；2. School of Electromechanical Engineering， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China；3. Department of Electronic Communications， Guangdong Industry Technical College， Guangzhou 510300， China）

Abstract:Tissue Culture is one of the most important methods used for rapid propagation of cymbidium. The wavelength and luminous intensity of artificial LED light source can be regulated as required according to cymbidium growth. LED lighting system has many advantages， such as small volume ，mass longer life，easy to be digital controlled， high efficiency and energy-saving， environment-protection etc.， and it can produce the optimum light for cymbidium growth.

Key words:cymbidium tissue culture； LED light source； light recipe； accuracy regulation

中图分类号：TM923.34； Q943.1

文献标识码：A

文章编号：1672-6332（2016）01-0039-04

［收稿日期］2015-12-15

［基金项目］广东轻工职业技术学院校级科研重点项目（KJ201304）

［作者简介］李金玉 （1971-），女（汉），江西吉安人，硕士，副教授，主要研究方向：生物技术与环境化工。E-mail: lijinyu101@163.com