李 東,郭偉玲,尹 飛

(1.北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100020；2.北京銳思恒業(yè)光電技術(shù)有限公司，北京 100020)

引言

發(fā)光二極管 (light emitting diode，LED) 是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，如今的LED技術(shù)越來越成熟，因此為發(fā)展LED植物補(bǔ)光技術(shù)提供了良好的條件。近年來，采用LED作為光源的植物補(bǔ)光技術(shù)受到廣泛關(guān)注。相比于白熾燈、高壓鈉燈等傳統(tǒng)的人工光源，LED 光源不僅具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率、體積小、壽命長、響應(yīng)時間快、能耗低、安全性好、光譜范圍窄等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，而且光譜易于調(diào)控和組合，可以實(shí)現(xiàn)植物光合作用吸收峰和 LED 光源光譜完全吻合[5]，這些優(yōu)點(diǎn)大大促進(jìn)LED在植物補(bǔ)光技術(shù)中的發(fā)展。近些年，關(guān)于LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)的研究有很多[6-13]。楊其長[14]在2006年進(jìn)行對LED節(jié)能光源利用型人工植物工廠的研究，設(shè)計了一座 20 m2的小型人工光植物工廠試驗(yàn)系統(tǒng)，光源一半采用 LED，另一半采用熒光燈，系統(tǒng)由計算機(jī)對室內(nèi)環(huán)境要素和營養(yǎng)液進(jìn)行自動檢測與控制，為我國植物工廠的研究奠定了基礎(chǔ)。2013年，Olvera等[15]利用FPGA技術(shù)去控制紅光LED和藍(lán)光LED分別發(fā)出不同頻率和脈沖寬度的光，并在PWM占空比為50%條件下，對番茄生長的情況進(jìn)行比較，結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)低頻率光下的番茄生長狀況相對較好。2013年，周益民等[16]設(shè)計了一種基于LED的溫室補(bǔ)光系統(tǒng)，此系統(tǒng)用單片機(jī)STC12C5A60S2作為控制核心，LED光源采用紅、藍(lán)、遠(yuǎn)紅、紫外LED的組合，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比實(shí)現(xiàn)對光質(zhì)的調(diào)節(jié)，此系統(tǒng)具有針對性強(qiáng)、光效高且穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。2016年，Miyoshi等[17]開發(fā)了一種簡單、實(shí)時地估算植物冠層表面光強(qiáng)分布的Android應(yīng)用系統(tǒng)，對冠層光合光子通量密度(PPFD)分布進(jìn)行了半自動分析，利用Android平板電腦獲取的反射圖像構(gòu)建人工光照下的冠層表面PPFD直方圖，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于補(bǔ)光技術(shù)中，通過提升光照的控制效率來提升農(nóng)作物生產(chǎn)。2016年，鮑建宇等[18]針對傳統(tǒng)植物補(bǔ)光控制器的功能不足的問題，設(shè)計了一種基于MSP430F149低功耗單片機(jī), 結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型植物L(fēng)ED補(bǔ)光控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)為植物提供了一種低成本、智能化的LED補(bǔ)光控制方式。

本文主要介紹LED植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，其中包括 LED植物補(bǔ)光技術(shù)的原理和結(jié)構(gòu)、驅(qū)動調(diào)光，最后介紹其最新的研究進(jìn)展。

1 LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

LED植物補(bǔ)光技術(shù)是以LED作為發(fā)光體，可以在缺少太陽光的環(huán)境下，為滿足植物光合作用提供所需要的光照條件，使植物能夠正?；蛘吒蒙L發(fā)育的一項(xiàng)技術(shù)。LED作為發(fā)光源，它比傳統(tǒng)的人工光源有著很多無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，包括效率、壽命、能耗、光譜范圍等方面。在一個經(jīng)典的LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)中，如圖1所示，主要有傳感器模塊、控制器模塊、電源模塊、LED驅(qū)動模塊以及LED光源陣列模塊。傳感器的作用是監(jiān)測環(huán)境光照的情況并將數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳遞給控制模塊，控制模塊會根據(jù)傳感器傳遞來的信息制定補(bǔ)光控制策略，控制模塊大都會使用單片機(jī)作為控制核心，會根據(jù)設(shè)定參數(shù)及傳感器模塊采集數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)PWM控制信號的占空比，LED驅(qū)動模塊主要用于驅(qū)動LED光源陣列發(fā)出不同強(qiáng)度和光質(zhì)配比的光，電源模塊則為整個系統(tǒng)進(jìn)行供電，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。LED最簡單的控制方式就是手動控制，通過人工開關(guān)來控制LED的發(fā)光強(qiáng)度和光質(zhì)配比，這種方式比較繁瑣，需要根據(jù)種植者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方式往往會造成光質(zhì)不匹配、光照不足或過度等現(xiàn)象，這種手動控制的補(bǔ)光系統(tǒng)一般運(yùn)用在傳統(tǒng)的溫室大棚中。還有一種控制方式是定光質(zhì)和光強(qiáng)，需要預(yù)先對控制器進(jìn)行程序編寫，控制器會按照預(yù)期的方式去控制LED光源陣列，這種方式缺少靈活性，無法滿足同一植物不同生長階段的生長需求。隨著補(bǔ)光技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今使用最多的智能控制手段會依據(jù)植物的生長需求自動對光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，以滿足植物生長的不同階段的需求，這種方式比較精確化、智能化。

圖1 LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)的驅(qū)動調(diào)光

在一天中不同時間段植物生長對光的需求是不同的，因此，LED的驅(qū)動調(diào)光對設(shè)計 LED 植物補(bǔ)光系統(tǒng)是很重要的，它也可以在給植物提供充足光照的前提下實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。LED 的低電壓驅(qū)動以及良好的易控性也使 LED 燈具的調(diào)光相對于傳統(tǒng)人工光源更容易實(shí)現(xiàn)。常見的驅(qū)動調(diào)光方式有兩種，分別是模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。

1)模擬調(diào)光。這種調(diào)光方式通過改變流過 LED 的電流來改變LED的亮度，在一定范圍內(nèi)電流的增大會提高亮度。LED 輸出相對光強(qiáng)與正向電流的關(guān)系如圖2所示，以 350 mA 電流為LED的額定電流，在100～350 mA的范圍內(nèi)，正向電流增加，輸出光強(qiáng)也隨之增大。所以，通過改變正向電流的方式很容易控制 LED的亮度。但這種方式有個弊端那就是改變LED亮度的同時LED的光譜和色溫也會隨之改變[19, 20]，光譜的改變必然也會帶來光波長的改變，波長的改變對植物生長是有重要影響的。這種調(diào)光方式在 LED 植物生長系統(tǒng)的設(shè)計中并不適用，比較適用于低成本、精確度要求不高的調(diào)光應(yīng)用中。

圖2 正向電流與輸出相對光強(qiáng)間的關(guān)系

2)PWM 調(diào)光[21]。又稱脈沖寬度調(diào)制調(diào)光，它是一種通過調(diào)節(jié)脈沖恒流源的脈沖寬度而調(diào)節(jié) LED 亮度的調(diào)光方法[22]。如圖3所示，假設(shè)脈沖的周期為tpwm，脈沖寬度為ton，那么通過的占空比D為ton/tpwm。改變占空比D就可以改變 LED 的亮度。PWM 調(diào)光模式又可以分為正調(diào)光和負(fù)調(diào)光兩種模式。正調(diào)光模式下，占空比D越大，LED的亮度就越亮；對于負(fù)調(diào)光模式，占空比D越大，LED的亮度就越暗。

圖3 占空比D與電流ILED 的對應(yīng)關(guān)系

在進(jìn)行PWM 調(diào)光時，需要提供一個額外的脈沖寬度調(diào)節(jié)信號源。通過改變輸入脈沖信號的占空比來調(diào)制LED 驅(qū)動芯片對功率場效應(yīng)管的柵極控制信號，從而達(dá)到調(diào)節(jié)通過 LED 電流大小的目的。這種調(diào)光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)用簡單、效率高、精度高并且調(diào)光效果好。缺點(diǎn)在于如果PWM的調(diào)光頻率設(shè)置為200 Hz～20 kHz，容易產(chǎn)生人耳容易聽到的噪聲[23]。

3 LED植物補(bǔ)光的控制系統(tǒng)研究進(jìn)展

近年來，由于植物補(bǔ)光技術(shù)的快速發(fā)展，LED補(bǔ)光控制系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化，早期的開關(guān)控制LED，通過觀測作物生長的各項(xiàng)因素的變化，并且結(jié)合種植者的經(jīng)驗(yàn)，對LED進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，這就限制了作物的出產(chǎn)率，降低了土地利用率，并且對于種植者的經(jīng)驗(yàn)要求較高，稍有不慎就會造成經(jīng)濟(jì)損失[24]。定光質(zhì)、定光強(qiáng)的控制方式，也不能滿足同一植物在不同生長階段或不同植物生長的光照需求。針對這些問題，迫切需要優(yōu)化補(bǔ)光控制系統(tǒng)，近些年大量研究采用智能控制技術(shù)來對LED植物生長補(bǔ)光的光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期進(jìn)行調(diào)控，從而獲得高性能的LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)。

3.1 單體LED 植物補(bǔ)光系統(tǒng)的控制

單體LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)將光照強(qiáng)度作為控制因子，通過光照傳感器傳遞來的數(shù)據(jù)對LED進(jìn)行調(diào)控。2017年，陳方圓等[25]采用模糊控制算法設(shè)計一種LED植物補(bǔ)光照明系統(tǒng)，進(jìn)行了控制算法的優(yōu)化，該系統(tǒng)實(shí)時檢測植物生長環(huán)境下光強(qiáng)度的變化,控制核心通過模糊控制算法動態(tài)調(diào)整產(chǎn)生不同占空比的PWM信號進(jìn)而去調(diào)整由0.2 W貼片RGB燈珠組成的紅、藍(lán)、綠LED陣列的光強(qiáng)度，如圖4所示。系統(tǒng)還加入LabVIEW上位機(jī)軟件，用于設(shè)定和觀察植物的所需PFD和光質(zhì)比例。該系統(tǒng)試驗(yàn)于生菜，上位機(jī)設(shè)定生菜所需的PFD值為220 μmol·m-2·s-1，如圖5所示，生菜PFD變化誤差能夠控制在±0.5 μmol·m-2·s-1，可見此系統(tǒng)能夠?qū)χ参锊煌L階段準(zhǔn)確、穩(wěn)定補(bǔ)光。

圖4 模糊控制器原理框圖

圖5 生菜PFD變化曲線

2018年，He等[26]基于并行粒子群算法設(shè)計了溫室LED植物最優(yōu)補(bǔ)光系統(tǒng), 如圖6所示，此系統(tǒng)根據(jù)專家系統(tǒng)和并行粒子群算法推算出最優(yōu)補(bǔ)光量以及補(bǔ)光位置，系統(tǒng)選用內(nèi)含接收模擬調(diào)光和PWM信號的DIM接口的PT4115降壓恒流源驅(qū)動LED補(bǔ)光設(shè)備。所選用LED燈組內(nèi)的紅、藍(lán)比例為5∶1, 其中設(shè)置紅光的閾值為3 000 lx, 藍(lán)光的閾值為600 lx。圖7顯示的是某天的光照度狀況,數(shù)據(jù)中包含1天內(nèi)每2 h的補(bǔ)光狀態(tài), 通過專家系統(tǒng)可以更加直觀地掌握溫室內(nèi)光照度的變化情況。

圖6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖7 數(shù)據(jù)查詢結(jié)果

2020年，鞠紅艷等[27]設(shè)計了一種微型植物工廠LED多光譜補(bǔ)光系統(tǒng)。如圖8所示，該系統(tǒng)主控制器選用高性能、低功耗的ARM微控制器，通過通信接口發(fā)送PWM控制信號,降壓恒流驅(qū)動模塊選用高效率、外圍電路簡單的XL4005E1，并且電路內(nèi)設(shè)有一個常規(guī)按鍵和復(fù)位開關(guān),可以用于手動PWM調(diào)制。LED燈板選用規(guī)格為3 W的大功率貼裝式LED燈珠,照射角為120°,包含365～940 nm共25種不同波長的燈。該補(bǔ)光系統(tǒng)可從這25種不同波段的光譜自由選擇,實(shí)現(xiàn)LED光譜自由擬合。

圖8 主控制器應(yīng)用原理結(jié)構(gòu)

2021年，丁夢寒等[28]采用改進(jìn)單神經(jīng)元PID控制算法和模糊算法對傳統(tǒng)溫室大棚補(bǔ)光存在能耗高和智能化程度低的問題進(jìn)行優(yōu)化，如圖9所示，LED驅(qū)動電路添加功率因數(shù)校正電路對電源進(jìn)行功率校正以便節(jié)約電能，控制電路利用單神經(jīng)元智能算法控制MOS管的通斷來調(diào)節(jié)LED的光照度。此設(shè)計對番茄進(jìn)行了試驗(yàn)，與自然補(bǔ)光相比使產(chǎn)量提升了25.7%，生長周期縮短了12天，能耗降低了23.2%。設(shè)計的LED功率因數(shù)校正電路將功率因數(shù)由0.524提高到了0.989，有效提高了LED的電能轉(zhuǎn)換率。

圖9 LED驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

3.2 智能型 LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)的控制

智能型LED 植物補(bǔ)光系統(tǒng)相比于單體 LED 植物補(bǔ)光系統(tǒng)來說，具有系統(tǒng)性好、范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，適用于較大種植面積的植物生長補(bǔ)光，智能型系統(tǒng)引入了溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)作為控制因子，使系統(tǒng)更加具有合理性和科學(xué)性，是大規(guī)模種植農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

2012年，徐秀知等[29]設(shè)計一種基于CPLD的全數(shù)字智能LED植物補(bǔ)光燈控制系統(tǒng),該補(bǔ)光系統(tǒng)由控制盒、智能驅(qū)動器及LED植物補(bǔ)光燈頭組成,如圖10所示，智能驅(qū)動器PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同占空比的PWM信號來控制LED植物補(bǔ)光燈頭，有效地控制紅、藍(lán) 2 種 LED 達(dá)到預(yù)設(shè)的光照度值，滿足植物照明系統(tǒng)按需補(bǔ)光的要求。

圖10 智能驅(qū)動器分模塊框圖

2015年，Li等[30]設(shè)計一套LED照明的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于LabVIEW的上位機(jī)與控制器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對溫室的監(jiān)控?？刂破鲃討B(tài)調(diào)節(jié)PWM信號，使光照下植物的光子通量密度(PFD)值保持恒定，并實(shí)時檢測紅、綠、藍(lán)波段的PFD和溫度、濕度，并在上位機(jī)界面上顯示檢測信息，同時系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了溫濕度閾值范圍的智能調(diào)節(jié)。

2018年，F(xiàn)an等[31]設(shè)計了基于植物專家系統(tǒng)的智能LED光照控制系統(tǒng)，如圖11所示，該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心實(shí)時設(shè)定最適宜的各色光照度配比，由PWM信號控制發(fā)光模塊各色光的光照度。光照度控制采用閉環(huán)自動控制的方法實(shí)時反饋給單片機(jī), 可實(shí)現(xiàn)光環(huán)境的低能耗、高精準(zhǔn)自動調(diào)節(jié)以及環(huán)境溫濕度的自動控制。

圖11 光照度控制方案

2019年，馬州生等[32]設(shè)計用于植物生長的LED光強(qiáng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖12所示，此系統(tǒng)采用STC系列單片機(jī)作為控制核心,其內(nèi)部具有2路PWM輸出口, 可分別用于控制2個LED光源, 非常適合植物藍(lán)光、紅光控制。該系統(tǒng)選擇番茄進(jìn)行試驗(yàn)，如表1所示，分別使用自然光、固定光強(qiáng)LED和自動調(diào)節(jié)補(bǔ)光系統(tǒng)為番茄提供光源，可見LED光強(qiáng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均明顯高于另外2種補(bǔ)光方式。此系統(tǒng)依據(jù)監(jiān)測模塊對LED的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。

圖12 系統(tǒng)基本架構(gòu)

表1 番茄產(chǎn)量比較

2021年，Zhang[33]設(shè)計了基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的LED植物照明系統(tǒng)。系統(tǒng)包括LED植物補(bǔ)光燈控制盒和LED植物補(bǔ)光燈，系統(tǒng)是以控制盒為核心，通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將所有植物生長燈加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。如圖13所示，智能驅(qū)動器采用PWM控制方式來改變燈具的光譜特性并且接收LED植物燈控制盒發(fā)來的設(shè)置參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的指令。圖14給出了智能化 LED 植物照明控制系統(tǒng)程序流程圖，系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的光能利用效率、節(jié)約電能，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

圖14 系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)論

LED植物補(bǔ)光技術(shù)還在不斷地優(yōu)化以追求最優(yōu)的系統(tǒng)，一些光質(zhì)配比和光照強(qiáng)度的問題仍需要去解決?；诖吮疚姆治隽薒ED植物補(bǔ)光控制的研究進(jìn)展，總結(jié)出了近幾年研究采用合理控制技術(shù)手段，研究可發(fā)現(xiàn)植物補(bǔ)光系統(tǒng)通過控制模塊產(chǎn)生PWM信號作用到驅(qū)動調(diào)光模塊，精準(zhǔn)控制LED光源，現(xiàn)今研究大都選用單片機(jī)去控制，根據(jù)植物生長需求完成程序設(shè)定以及植物的光質(zhì)配比。一些研究加入專家系統(tǒng)和Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等去優(yōu)化系統(tǒng)，智能型系統(tǒng)還引入多種控制因子，實(shí)時接收各類傳感器傳遞來的信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠更好地滿足植物生長需求。這些研究為LED植物補(bǔ)光技術(shù)的發(fā)展提供了參考。我們相信隨著廣大的農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者與LED植物補(bǔ)光技術(shù)研究者的密切合作和交流，植物補(bǔ)光系統(tǒng)會廣泛地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中去，相信今后系統(tǒng)的性能也必將更加高效節(jié)能。