智能LED植物补光灯设计

何 林 ，李 亨 ，陈红豆

（1.天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222；2.天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222；3.佛山市三水区工业中等专业学校，佛山 528100）

光是植物的生命之源，光合作用是植物重要的生命活动，研究发现植物在380～760 nm光谱范围内进行光合作用，其中以吸收红、蓝光为主要吸收光谱[1]。智能LED植物补光灯正是基于这一理论，以红、蓝光为补光光源，依照植物所需光谱，使用LED灯代替太阳光为植物提供所需光照。目前，温室中植物补光灯主要以卤素灯、白炽灯为主，植物工厂中主要使用LED面板灯。针对不同植物补光，上述补光灯存在很大的约束性，很难为植物提供最佳的光环境。因此，针对以上问题，设计一种智能LED植物补光灯，以实现植物补光灯光谱动态可调功能。系统通过传感器模块检测外界红、蓝光的变化，由控制器模块设计计算补光模式，控制器通过控制PWM占空比来调节不同灯光的亮度，以实现光谱可调节功能。

1 补光灯设计原理

1.1 光质对植物生长的影响

不同的光质对植物的生长有着不同的影响，其中红蓝光的比例是主要影响因素。绿色植物对红光的需求较高，主要影响植物上层枝叶的生长，是光合作用主要吸收光；蓝光影响植物下层根、茎的生长，可以促进植物叶子的生长[2]，影响光合作用速率；植物对绿光吸收较少，在生理上认为绿光为无效光[3]。闻婧等[4]用660 nm波长红光+450 nm蓝光和630 nm红光+460 nm蓝光对相同品种的黄瓜幼苗进行光照处理，实现结果表明：采用第1种光源组合处理的黄瓜幼苗中叶绿素含量高于第2种光源处理结果。说明适当的红蓝光搭配，可有效增加植物的产出量。试验也进一步说明，实现植物照明中红蓝光动态可调节功能尤为重要。

1.2 LED补光灯补光优化方案

对于植物来说，不同的光配方对植物的生长有着巨大的影响，不同波长的脉冲光比单一的白光光源更有利于植物生长。文献[5]研究显示，植物在脉冲光照射下碳水化合物的含量高于普通光照下植物碳水化合物的积累量，且植物叶片中无机物的含量显著提高。文献[6]对连续光照和脉冲光照消耗能量进行了详细对比，结果表明：采用频闪照明方式，能量消耗远低于连续照明。因此，本文设计的智能LED植物补光灯采用2 kHz的频闪补光方法。

2 系统总体方案设计

智能LED植物补光灯主要实现功能：对室内红蓝光环境实时检测；计算补光值；控制红蓝LED动态调节。根据以上3个功能将智能LED植物补光灯分为4个模块：处理器模块、光源模块、光源驱动模块和传感器模块，其系统框图如图1所示。处理器模块采用STM32F103单片机，该模块是智能LED植物补光灯的控制核心；光源模块实现植物补光功能，主要由特定排布LED阵列构成，其中少量的紫外线和红外光用于杀死植物表面的细菌；光源驱动模块是对光源阵列直接调制的电路，单片机通过改变输出的PWM信号来控制LED灯的发光情况；传感器模块采用光敏电阻传感器设计，用以检测室内光环境。

图1 智能LED植物补光灯系统框图

2.1 系统硬件设计

2.1.1 处理器模块

处理器模块选用32位ARM微控制器——STM32F103单片机，其内核为Cortex-M3。该模块最高工作频率可达到72 MHz。芯片配置8个16位定时器和丰富的I/O接口，可以按照需要配置寄存器以达到相同管脚实现不同需求的目的，并且该芯片具有512 K字节的RAM和64 K字节的SRANM，具有运算速率快、性能高、能耗低等优点，能够满足本文所述智能LED植物生长灯设计需要[7]。

2.1.2 光源模块

光源模块选用不同颜色的LED为光源，其额定功率为1W，由驱动模块进行调控，处理器模块通过输出PWM信号实现光强智能控制。为提高光照平面上的光量子流密度（μmol/（m2·s）），采用多个独立的LED单元阵列组成智能LED植物补光灯，这些LED单元阵列由多个光源驱动电路控制。为了达到光照均匀度最佳以及制配方最充足，红、蓝LED灯珠数为5∶2，每个光源模块上使用1个紫外线LED，对植物表面进行杀菌，使用2个红外光LED促进植物叶片生长。经前期试验，确定LED光源阵列排布如图2所示。

图2 光源阵列排布

2.1.3 光源驱动模块

光源驱动模块采用恒流电路驱动设计以实现对LED光源的调节控制。PT4115是一款常用的电感导通式恒流控制芯片，可用于驱动一颗或多颗大功率串联LED，满足控制要求[8]。根据设计需求，选取最佳的电阻和电容，搭建横流驱动电路，确保恒流电路驱动准确。选取STM32单片机中4个PWM信号输出端口外接4个光源驱动模块，PT4115芯片根据单片机输出的PWM信号改变输出电流，实现光源可调功能。LED驱动电路原理如图3所示。

图3 LED驱动电路原理

2.1.4 传感器模块

本文设计的智能LED植物补光灯，利用光敏传感器对环境光源进行实时监测，并将采集到的光环境信息发送至单片机。由于光敏传感器无法直接检测到环境中的红、蓝光，所以在光敏传感器前加上相应波长的带通滤镜，实现对植物工厂或温室内红、蓝光的检测。传感器模块原理如图4所示。

图4 传感器模块原理

2.2 系统软件设计

系统的软件设计采用C语言程序设计编写，系统流程如图5所示。

智能LED植物补光灯上电后，各模块进入初始化状态，对模块内部参数进行初始设置；传感器模块将采集到的红、蓝光信息发送至单片机，再与设定值对照比较后，进行补光策略计算；最后单片机根据补光策略输出PWM信号，控制恒流驱动电路，以达到对各色LED灯控制目的，使光照强度达到预设值，完成智能补光。

图5 系统流程

3 实验结果与分析

3.1 光强分布及均匀性分析

设计实现以验证智能LED植物补光灯的均匀性。使用光量子流密度计在光源下方25 cm处进行测量，测量面积50 cm×40 cm，不同功率下光量子流密度分布如图6所示。

从图6知，光量子流密度分布具有补光灯中心点光量子流密度高，距离中心点越远，测量值越低的趋势。由文献[9]研究所得，理想的光量子流密度一般需要补充200～500 μmol/（m2·s），均匀性要求尽可能小。从图6（a）知，光量子流密度均匀性为 0.85，均值为271 μmol/（m2·s），方差39，其光照强度与均匀性均满足植物需求；从图6（b）知，光量子流密度均匀性为0.87，均值为454 μmol/（m2·s），方差为68，其光照强度与均匀性均满足植物需求；从图6（c）知，光量子流密度均匀性为0.8，均值为531 μmol/（m2·s），方差为65，其光照强度大于500 μmol/（m2·s），均匀性均满足植物需求；从图6（d）知，光量子流密度均匀性为0.76，均值为703 μmol/（m2·s），方差为75，其光照强度远大于500 μmol/（m2·s），方差较大，且均匀性系数小于0.8，可见均匀性相对较差。

图6 不同功率下光量子流密度分布

综上可见，光量子流密度的大小取决于光源，光源越多，光量子流密度越大；光量子流密度均匀性主要与补光灯上灯珠的排列方式有关；在测量数据中，方差的大小也反映了灯具的均匀性。由上述数据分析可知，随着灯具功率不断增大，光照强度不断增强，但是均匀性降低。本研究植物补光灯在正常工作功率下，平均光量子流密度均高于200 μmol/（m2·s），平均均匀性系数为0.82，光照强度与均匀性均能满足设计要求。

3.2 补光灯试验分析

针对本次设计的智能LED植物补光灯，选用生菜进行测试实验，采用水培栽培模式。在不同光环境条件下培养相同品种的生菜，将其分为甲乙2组：对甲组进行补光，将LED补光灯放置在距离生菜高度为25 cm处。乙组为自然条件下生长的生菜。分别记录生菜的形态指标，补光与自然条件下生菜形态指标如表1所示。

表1 补光与自然条件下生菜形态指标

由试验结果可知，在智能LED植物补光灯下生长的生菜与自然条件下生长的生菜相比生长速率明显提高，作物产量提高50%。

4 结语

本文设计了一种智能LED植物补光灯，该补光灯包括处理器模块、光源模块、光源驱动模块和传感器模块；采用嵌入式操作系统和传感器技术，利用闭环控制思想，实现了光谱实时可调功能。根据光源均匀性测量试验，可以发现本文设计的植物生长灯在光照强度、光质等方面均达到设计要求；根据补光灯条件下生长的生菜和自然条件下生长的生菜对比试验可得，智能植物生长灯对植物生长有显著的促进作用，作物产量可提高50%。