农业栽培用人工光源及控制系统设计与应用

王跃飞，吕天刚，吕鹤男，黄 巍

（1.鸿利智汇集团股份有限公司，广州 510890；2.广州市莱帝亚照明股份有限公司，广州 510890）

随着农业现代化和人工光技术的发展，人工光在农业栽培中的应用越来越广，如人工光植物工厂，人工光育种，人工光药材种植和人工光花卉繁殖，等等。农业栽培实景如图1所示。研究表明，除了环境温度、湿度和二氧化碳含量以外，光是影响植物生长和发育最为关键的影响因子[1]，对光照系统的优化设计能加速植物生长发育并减少能量损耗[2]。人工光在农业栽培中的推广应用，摆脱了人类数千年来靠天吃饭的旧模式，是农业生产力发展过程中一次飞跃。而半导体发光技术的不断发展又为智慧农业建设带来新的契机，由于发光二极管（LED）作为最新一带光源，较传统光源，除了高效节能、环保和长寿命外，还有一个最大的特点就是其本身是半导体材料，其特性就是天然与数字电路相兼容，结合现代计算机、互联网技术很容易实现高度智能化[3]。结合现代数字技术，能实现高产、智能、高效、节能、健康和环保的智慧农业先进生产方式[4]。因此，本项目设计了一个适合农业栽培的LED照明控制系统，并使用了DIAlux程序进行了仿真模拟[5]。为了用户使用便利，提高用户体验感，利用Bluetooth无线通信技术制作了可以远程控制的控制器，并开发出了可以安装于智能手机的控制系统App“Plant Lamp Terminal Control System”（植物灯终端控制系统）。

图1 农业栽培实景

1 光源及控制系统技术方案

1.1 光源选择

影响植物生长的光合作用是在自然光谱的一定波段下进行的，如图2所示，UVR8、隐花色素、向光素、ZTL基因家族及光敏色素的光响应范围[6]。

图2 UVR8、隐花色素、向光素、ZTL基因家族及光敏色素的光响应范围

植物的生长发育不仅受光子辐照度（在植物生理学范畴内，即为光合有效的光子通量密度，Photosynthetically Active Photon Flux Density，PPFD，通常称为“光强”）的制约，而且受光谱分布（不同波长的光及其不同组成比例，在植物生理学范畴内，通常称为“光质”）的影响[7]。随着植物种类和生长时期的不同，不同波长的光被用于植物生长[8]。光环境对植物的生长十分重要，为了在植物栽培中使用人工光源，需要利用现代光电技术和信息技术开发能辐射特定波长类似自然光光谱的光源。特别是对于完全人工光型的照明设施，高效、节能和智能等技术指标成为重要的研究课题。为了照明设施的经济性，应该使用光合效率高、光质好、安全可靠和长寿的光源。近年来，光合光子通量密度（PPFD）和光合有效辐射（PAR）的人工光源LED被广泛用于作物栽培领域[9]。LED不仅具有长寿命的优点，还具有波长覆盖广，并可根据需求定制辐射波段的优点，还具有可以利用数字电路根据植物种类和生长时期的精确计算所需混合光的特点。因此，本研究开发出了农业栽培用人工光源及控制系统。提出带光学透镜的植物生长用LED光源，改善了配光特性，并对设施农业栽培场所进行建模，利用光学模拟程序DIAlux进行验证。并根据植物的生长时期和种类，制作了无线控制LED照明的应用App，为用户提供了便利。

1.2 光照模块

光照作为光合作用的能量来源是影响植物生长的重要因素之一，光强、光质和光周期等都会对植物生长发育和形态建成产生较大影响[10]。自然光是植物生长所需最好的光源，为了弥补因气候和环境变化引起的自然光不足或为提高植物生长效率及完全避免对太阳的依赖，人们采用人工补光或全人工光形式进行农业生产。通常，人工光照采用高PPDF和高PAR的LED，对于农业栽培用户来说，最重要的是综合经济效益[11]。

为了提高光合作用效率，本项目采用适合设施农业的高辐射强度和均匀度的透镜陈列的LED模块，如图3—图5所示。光学透镜与LED光入射面和光输出面的位置关系，根据光照模块结构进行了组合优化，优化的镜片呈水平方向轴对称形式，形成垂直方向的不对称形式的光型，能够为设施农业用户提供最佳配光形态。

图3 本项目器件光学配光曲线模型

图4 本项目LED器件

利用这种光学镜片设计出了具有优秀的散热和配光特性的植物生长用LED照明模块，如图5所示。

图5 本项目LED模组

1.3 控制系统

植物对光的需求主要体现在光辐射照度、光周期和光谱分布3个方面，也称之为植物生长的“光环境”[12]。因此，本文光源模组及配套控制系统都是围绕这一需求目标进行研究开发，以提供一种能根据不同植物、不同生长阶段进行光环境定制和优化的最佳效果。图6中使用了一个智能手机Arduino操作系统App，Arduino和LED灯之间无线通信的原理方框图。使用了蓝牙模块和智能手机，可以分别控制不同波长段LED光源的ON/OFF状态和辐射通量输出比例。该专门运行于智能手机平台的控制App“Plant Lamp Terminal Control System”为用户使用提供了操作便利性。

图6 LED调光控制器

2 设计实施和验证

2.1 设计过程

利用DIAlux程序分析了本项目LED光照模块在模拟应用场景下的光强分布特性和辐射照度均匀度特性。应用场景模拟如图7所示。

模拟使用480 W LED光照模组，在图7的基础上对农业设施进行了建模。农业栽培场所的建模标准设计为长6 m，宽5 m，高3 m的封闭空间，光源高2 m。模拟结果：光强分布特性结果如图8所示，被照射面平均照度特征如图9所示。模拟证实了本项目的LED模块的光照度特性达到设计目标要求。

图7 应用场景模拟

图8 光强分布分析

图9 被照射面辐射照度均匀度分析

2.2 试验验证

为了验证本研究开发的LED照明控制系统的前期工作，由植物生长用LED模块，提供电源的AC-DC转换装置，无线通信蓝牙模块，用于LED模块调控控制装置和安装于Arduino系统的应用App等部分组成，LED光照控制系统实物，如图10所示，本项目产品应用实景照片如图11所示。

图10 LED光照控制系统实物图

图11 本项目产品应用实景照片

本项目专门设计的智能手机App“Plant Lamp Terminal Control System”运行界面如图12所示。经检测证明，通过运行Android应用程序“Plant Lamp Terminal Control System”，蓝牙可以正常连接，并使用App内部的setBrightness、BRIGHT和TIMER按钮，可以控制LED模块，并调节辐射通量和时间。

植物用发光二极管（LED）照明模块的亮度控制使用了Android内置的一款高级应用SeekBar。SeekBar允许控制供应给LED照明模块的电流，根据植物种类和生长时期调辐射波长、节辐射照度和照射时间，如图12所示。因此，本项目的控制系统可以为不同种类和不同生长时期的植物提供最佳的光照环境。

图12 LED控制系统实物演示

3 总束语

本项目设计开发了一款农业栽培用人工光源及控制系统，包括一个基于Android的智能手机应用程序，该LED光照控制系统，可根据植物类型和生长季节，对不同辐射波长的光输出进行无线控制。为农业栽培提供便捷、高效和良好用户体验感的光照环境。经DIALux对其进行仿真模拟，光照模块在模拟应用场景下的光强分布特性和辐射照度均匀度特性指标优异。使用本项目提出的植物生长用LED照明模块和照明控制系统，可以为农业栽培提供优化的光照环境，改善农户的生产效率的同时用户体验感也大大提高。