陸敏 胥明 趙劍 朱連根

摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)藍(lán)莓產(chǎn)品品質(zhì)和食用安全問題也越來越重視。因此，通過建立高效的藍(lán)莓生產(chǎn)體系來實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)化是必然趨勢(shì)。植物工廠是一種新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，利用現(xiàn)代化的設(shè)施設(shè)備在人工控制下進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，具有低能耗、高效率、高品質(zhì)、高產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。其中，LED光源是一種具有高效率、高穩(wěn)定性的光源，非常適合在植物工廠中應(yīng)用。而采用LED補(bǔ)光系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：LED補(bǔ)光技術(shù)；LED應(yīng)用；藍(lán)莓植物工廠應(yīng)用

LED補(bǔ)光系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能保證植物生長(zhǎng)所需的光照條件，并能有效減少人工光源對(duì)環(huán)境的污染。藍(lán)莓植物工廠能夠使藍(lán)莓生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒓s化和標(biāo)準(zhǔn)化，因此，在藍(lán)莓生產(chǎn)中具有廣闊的發(fā)展前景。但目前，我國(guó)植物工廠還處于起步階段，很多技術(shù)問題尚未解決，比如溫度、濕度、光照、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液等影響藍(lán)莓生產(chǎn)的因素還未得到完全解決。對(duì)此，為進(jìn)一步提高藍(lán)莓生產(chǎn)效率和品質(zhì)，滿足市場(chǎng)需求，需要對(duì)LED補(bǔ)光技術(shù)在藍(lán)莓植物工廠中的應(yīng)用進(jìn)行探究。

1 LED補(bǔ)光硬件系統(tǒng)在植物工廠中的應(yīng)用方式

1.1 LED補(bǔ)光硬件系統(tǒng)

1.1.1 補(bǔ)光光源

LED補(bǔ)光光源主要是用來提供一定的光色，也就是亮度和色溫，但是不同的LED補(bǔ)光光源其光色是不同的。例如，鹵素?zé)羰抢名u素?zé)艄馨l(fā)出的光線中含有溴元素，其發(fā)出的光線具有一定的黃色調(diào)。而LED補(bǔ)光光源是利用LED芯片發(fā)出的光線中含有不同波長(zhǎng)的藍(lán)色光和紅色光，通過紅藍(lán)比例調(diào)節(jié)后形成不同色溫的顏色。我們常見的一些補(bǔ)光型光源屬于白光LED類型，它主要由3個(gè)部分組成：發(fā)光芯片、光學(xué)透鏡以及外殼。其中，發(fā)光芯片是由一個(gè)或多個(gè)小的正方形或長(zhǎng)方形平面發(fā)光二極管構(gòu)成；光學(xué)透鏡是一個(gè)具有一定孔徑大小、直徑和角度可調(diào)的半圓金屬透鏡；外殼則是一個(gè)具有一定厚度和高度且能均勻散熱的半透明塑料外殼。一般情況下，在選購(gòu)LED補(bǔ)光光源時(shí)，我們可以通過光線亮度、色溫以及色溫3項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，然后選擇性價(jià)比高的產(chǎn)品。植物工廠中常用的補(bǔ)光光源有LED和高壓鈉燈。LED是一種基于三基色發(fā)光二極管（LED）的新型光源，具有體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于植物工廠中。高壓鈉燈是一種高壓汞燈，其發(fā)光波長(zhǎng)范圍較窄，并且顯色性不佳。熒光燈是一種高功率、低成本的熒光燈，具有較高的發(fā)光效率和顯色性。LED光源與其他補(bǔ)光光源相比，具有壽命長(zhǎng)、使用方便、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

1.1.2 光控模塊

光控模塊是一種可以在晚上自動(dòng)打開和關(guān)閉LED燈的模塊，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)來控制路發(fā)光設(shè)備，是一種低成本、低功耗、高效率的路燈控制裝置。其工作原理是通過接收光信號(hào)，控制LED燈的亮度來實(shí)現(xiàn)開關(guān)路燈。光控模塊一般分為2種類型：一種為有源模塊，另一種為無(wú)源模塊。有源模塊一般由控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。控制電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路將電能轉(zhuǎn)化為光能使LED燈亮或滅，一般使用MOS管或二極管來實(shí)現(xiàn)。有源模塊可分為2部分：接收部分和發(fā)射部分。接收部分將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，一般使用光敏電阻或MOS管來實(shí)現(xiàn)。其工作原理是當(dāng)LED燈發(fā)光時(shí)，電流流過LED的正極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與該電流大小成正比的電壓，從而可以驅(qū)動(dòng)LED燈發(fā)光；當(dāng)不發(fā)光時(shí)，該電壓為零，從而可以斷開電流。通過對(duì)LED燈的電流進(jìn)行采樣來控制驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。植物工廠的光控模塊通常采用光強(qiáng)控制或光周期控制，光強(qiáng)控制是指根據(jù)植物的需要，在一定范圍內(nèi)選擇合適的LED燈的輸出光通量；光周期控制是指根據(jù)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育需求，通過改變LED燈的工作時(shí)間來調(diào)節(jié)輸出光通量。在植物工廠中，LED補(bǔ)光硬件系統(tǒng)通常采用光控模塊控制LED燈，以達(dá)到最大的產(chǎn)量和品質(zhì)。例如，在幼苗期使用LED補(bǔ)光時(shí)，應(yīng)根據(jù)幼苗對(duì)光照強(qiáng)度的需求確定LED燈的工作時(shí)間；在生長(zhǎng)期使用LED補(bǔ)光時(shí)，應(yīng)根據(jù)植物的生長(zhǎng)情況確定LED燈的工作時(shí)間。在植物工廠中，LED補(bǔ)光硬件系統(tǒng)需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的布局和布局。

1.1.3 電源系統(tǒng)

LED是一種新型的照明光源，它是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)制成的。它的發(fā)光原理是：在電的作用下，半導(dǎo)體中的二端電子會(huì)發(fā)生躍遷，產(chǎn)生光。而這種光并不是直接照射到人的眼睛上，而是通過光電效應(yīng)，在半導(dǎo)體表面上形成光斑，從而達(dá)到照明的目的。LED電源系統(tǒng)由LED驅(qū)動(dòng)、控制電路和高壓直流供電電源3部分組成。其工作原理如下：LED驅(qū)動(dòng)電路：由穩(wěn)壓芯片、電感、電容和二極管組成。當(dāng)有輸入電壓時(shí)，由電容濾波后的交流電通過開關(guān)電路變?yōu)橹绷麟姽┙oLED工作，當(dāng)無(wú)輸入電壓時(shí)，由開關(guān)電路將交流電直接變換為直流電供給LED工作?？刂齐娐罚豪脝纹瑱C(jī)控制開關(guān)電源中的可控硅和變壓器，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的控制和調(diào)節(jié)。高壓直流供電電源：將220V交流電經(jīng)過濾波、整流等環(huán)節(jié)后得到所需的直流電源。在高壓直流供電電源中，常采用電解電容來儲(chǔ)存直流電壓，以保證LED驅(qū)動(dòng)電源的恒流特性。電源系統(tǒng)的主要作用是為補(bǔ)光光源提供穩(wěn)定的供電電壓和電流。目前，在植物工廠中，常用的電源類型有AC/DC、DC/AC、PWM和DC-DC等。不同類型的電源具有不同的特點(diǎn)，使用時(shí)需要根據(jù)植物生長(zhǎng)特性和環(huán)境條件選擇。在植物工廠中，為了滿足LED光源長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的要求，通常采用多組電源同時(shí)供電的方式。如果單組電源供電時(shí)間較長(zhǎng)，則可以增加第二組電源。對(duì)于不同功率的LED光源，在使用前需要根據(jù)其功率大小計(jì)算相應(yīng)的電流。此外，還可以采用變頻技術(shù)提高LED光源工作效率。

1.2 在植物工廠中應(yīng)用LED補(bǔ)光硬件系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意的問題

1.2.1 光源參數(shù)的選擇

選擇LED補(bǔ)光硬件系統(tǒng)時(shí)，光源的色溫和顯色指數(shù)是重要參數(shù)，可以根據(jù)不同植物對(duì)光源的需求，通過調(diào)節(jié)LED燈的色溫和顯色指數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同植物對(duì)不同光源的需求。LED補(bǔ)光系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的LED燈類型和功率。在室內(nèi)使用，一般選擇2 000～5 000 k色溫；在室外使用，一般選擇5 000～10 000k色溫。植物工廠中，還需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的光源顏色和光效。例如，在生產(chǎn)、加工或研究等特殊場(chǎng)合下需要使用特定顏色的光源，為了達(dá)到更好的效果，還需要進(jìn)一步研究適合該場(chǎng)合使用的光源顏色。在實(shí)際應(yīng)用中，除了需要考慮補(bǔ)光效果和效率外，還需考慮LED燈對(duì)環(huán)境的影響。在室內(nèi)環(huán)境中使用LED燈時(shí)，應(yīng)避免產(chǎn)生光污染。

1.2.2 控制方法

在植物工廠中，補(bǔ)光系統(tǒng)的作用是給植物提供適宜的光照環(huán)境，以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。在 LED補(bǔ)光系統(tǒng)中，控制器是一個(gè)核心部件，控制器通過與LED燈、LED控制器等設(shè)備之間的通信，對(duì)整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行控制。在應(yīng)用LED補(bǔ)光系統(tǒng)時(shí)，一般會(huì)采用模擬量輸入與數(shù)字量輸入相結(jié)合的方式來控制補(bǔ)光。對(duì)于模擬量輸入，主要是通過開關(guān)量來實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制；對(duì)于數(shù)字量輸入，主要是通過中斷或者定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制。溫度控制：植物工廠中需要嚴(yán)格控制溫度環(huán)境，否則，會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)不良甚至死亡。在應(yīng)用LED補(bǔ)光系統(tǒng)時(shí)，主要通過設(shè)定溫度來對(duì)LED燈進(jìn)行控制。具體流程為：當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出指令給LED燈進(jìn)行加熱。在植物工廠中，環(huán)境濕度變化也是影響植物生長(zhǎng)的重要因素。在應(yīng)用LED補(bǔ)光系統(tǒng)時(shí)，要嚴(yán)格控制環(huán)境濕度變化，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)置。

1.2.3 系統(tǒng)布局

一是紅藍(lán)光系列。紅藍(lán)光系列補(bǔ)光系統(tǒng)主要由紅藍(lán)光芯片、大功率LED燈和配套的鎮(zhèn)流器組成。其中，紅藍(lán)光芯片主要起到藍(lán)光和紅光的作用，通過調(diào)節(jié)芯片的導(dǎo)光能力來調(diào)節(jié)光質(zhì)。大功率LED燈是補(bǔ)光系統(tǒng)的主要設(shè)備，其作用是為植物提供可見光以及紅光、藍(lán)光和綠光。鎮(zhèn)流器主要起到鎮(zhèn)流器的作用，它可以將紅藍(lán)光芯片產(chǎn)生的光能轉(zhuǎn)化為電能并供給植物生長(zhǎng)所需。雖然目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了許多紅藍(lán)LED燈，但是，紅藍(lán)LED芯片并沒有得到很好的優(yōu)化，因此，紅藍(lán)LED芯片仍然是植物工廠中使用較多的補(bǔ)光設(shè)備。同時(shí)，由于技術(shù)含量較高，紅藍(lán)LED芯片在價(jià)格方面也比白熾燈要貴很多。二是紅藍(lán)復(fù)合系列。紅藍(lán)復(fù)合系列是一種復(fù)合型光源，包括光源、反射罩、紅藍(lán)復(fù)合透鏡等部分。紅色光源與藍(lán)色透鏡組合后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的補(bǔ)光。該系統(tǒng)具有良好的補(bǔ)光效果，是目前植物工廠中使用最多的補(bǔ)光系統(tǒng)之一。通過紅藍(lán)復(fù)合系統(tǒng)對(duì)藍(lán)莓植株進(jìn)行補(bǔ)光，可以改善藍(lán)莓植株的生長(zhǎng)狀態(tài)，提高果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。目前，有很多學(xué)者對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如鄭英志等人在LED補(bǔ)光技術(shù)研究方面進(jìn)行了探索，在LED光源中加入不同波長(zhǎng)的藍(lán)、綠色濾光鏡片和紅、橙色濾光鏡片后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)莓植株的補(bǔ)光。但目前該系統(tǒng)還存在一些問題，如紅色和藍(lán)色在光譜上有較大差異，對(duì)藍(lán)莓植株的生長(zhǎng)影響較大。

2 LED補(bǔ)光硬件系統(tǒng)在植物工廠中的應(yīng)用方式

2.1 作物識(shí)別

通過對(duì)LED補(bǔ)光軟件系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出作物的顏色特征，可以對(duì)植物的健康狀況進(jìn)行初步判斷。在藍(lán)莓生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)用到不同的補(bǔ)光方式，不同的光照模式可以用來生產(chǎn)出不同的藍(lán)莓。但在生產(chǎn)過程中，對(duì)不同植物進(jìn)行識(shí)別時(shí)，通常是手動(dòng)去匹配光照模式。目的是解決人工識(shí)別的準(zhǔn)確性問題。方法是：首先將待測(cè)植物圖片導(dǎo)入到LED補(bǔ)光軟件系統(tǒng)中；然后選擇需要識(shí)別的植物，在軟件界面上選擇對(duì)應(yīng)的模式；進(jìn)入識(shí)別界面后，在界面上可以看到藍(lán)色和紅色的2種顏色，點(diǎn)擊藍(lán)色按鈕可以開始拍攝植物圖片；將拍攝好的植物圖片導(dǎo)入到LED補(bǔ)光軟件系統(tǒng)中進(jìn)行處理，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)植物圖片中顏色進(jìn)行對(duì)比，并把顏色匹配好的植物圖片顯示出來；然后選擇藍(lán)色按鈕可以進(jìn)入圖像識(shí)別界面。在識(shí)別界面上可以選擇識(shí)別的模式：綠色、紅色、藍(lán)色和黃色；點(diǎn)擊綠色按鈕可以進(jìn)入識(shí)別結(jié)果界面，可以看到圖像識(shí)別出來的植物信息；如果沒有找到想要的植物信息，可以點(diǎn)擊藍(lán)色按鈕繼續(xù)尋找。通過圖像處理技術(shù)可以根據(jù)作物的顏色特征來判斷藍(lán)莓植物是否受到病蟲害的侵害，以及不同作物是否受到光照不足的影響。

2.2 光照計(jì)算

LED補(bǔ)光軟件系統(tǒng)根據(jù)植物在不同階段所需的光照強(qiáng)度計(jì)算出需要補(bǔ)充的LED燈功率。LED補(bǔ)光軟件系統(tǒng)是一款專業(yè)的LED植物補(bǔ)光控制軟件，目前，已在多個(gè)地區(qū)應(yīng)用。這款軟件采用了全新的算法，能夠精準(zhǔn)計(jì)算出植物需要的光照參數(shù)，是植物生產(chǎn)的最佳照明方案。光照計(jì)算方法：確定要補(bǔ)光的植物；導(dǎo)入植物；輸入相關(guān)參數(shù)（一般為需要補(bǔ)光的植物名稱、品種、類別、數(shù)量、放置位置等）；打開光照計(jì)算系統(tǒng)，輸入需要補(bǔ)光的植物名稱和數(shù)量，點(diǎn)擊“確定”按鈕；計(jì)算出所需光照的強(qiáng)度和照射時(shí)間；點(diǎn)擊“保存”按鈕，將結(jié)果保存到指定位置。計(jì)算植物在不同時(shí)間段內(nèi)所需的光照強(qiáng)度和照射時(shí)間的方法：在軟件首頁(yè)選擇“日期”菜單，選擇相應(yīng)月份；進(jìn)入月份界面，點(diǎn)擊“添加日期”按鈕，彈出“月份”界面；點(diǎn)擊“選擇日期”按鈕，在彈出框中輸入對(duì)應(yīng)月份；點(diǎn)擊“添加時(shí)間”按鈕，彈出“日期和時(shí)間”界面，顯示所需計(jì)算出的光照強(qiáng)度和照射時(shí)間；點(diǎn)擊“確定”按鈕，完成月份計(jì)算。

2.3 智能補(bǔ)光

植物工廠中的智能補(bǔ)光系統(tǒng)主要是根據(jù)不同的作物和生長(zhǎng)階段，進(jìn)行智能算法的計(jì)算，選擇最優(yōu)的LED燈輸出功率，保證作物在最佳的生長(zhǎng)環(huán)境下進(jìn)行光合作用。LED補(bǔ)光軟件系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)情況、精準(zhǔn)補(bǔ)光等優(yōu)勢(shì)，是植物工廠中重要的補(bǔ)光設(shè)備。LED補(bǔ)光軟件系統(tǒng)的功能非常強(qiáng)大，首先，要打開LED補(bǔ)光軟件系統(tǒng)，然后在其界面中選擇“智能補(bǔ)光”選項(xiàng)卡，此時(shí)，需要對(duì)畫面進(jìn)行智能補(bǔ)光。在“智能補(bǔ)光”的界面中會(huì)有很多不同的功能選項(xiàng)，我們只要根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的選項(xiàng)就可以。

2.4 控制系統(tǒng)

在植物工廠中，控制系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)LED燈的輸出功率，從而控制植物的生長(zhǎng)。LED燈的輸出功率是在一定的范圍內(nèi)變化，當(dāng)電流超過一定值時(shí)，LED燈的發(fā)熱和效率就會(huì)下降，如果繼續(xù)加大電流，那么就會(huì)導(dǎo)致LED燈燒壞。所以LED燈的功率不能無(wú)限增大，而要有一個(gè)度。LED燈是通過電流來發(fā)光的，它的輸出功率由電流決定。由于LED燈的輸出功率不能無(wú)限增大，所以，如果想要更好地控制LED燈的輸出功率，就必須通過控制系統(tǒng)來控制電流。由于開關(guān)電源是由一系列開關(guān)管組成，在開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，可以利用控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電流大小。因此使用開關(guān)電源控制器就可以很好地控制電流，使其符合要求。比如將LED燈連接到控制器上，就能讓其正常工作了。通過對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使LED燈的輸出功率達(dá)到最佳狀態(tài)。不僅可以節(jié)約能源，還能很好地保護(hù)環(huán)境?？刂葡到y(tǒng)可以使用PC或可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以使用PLC、單片機(jī)、智能儀表等來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在植物工廠中，LED燈的輸出功率和光質(zhì)、光強(qiáng)等環(huán)境參數(shù)以及作物種類和生長(zhǎng)階段有關(guān)。通過調(diào)節(jié)LED燈的輸出功率和光質(zhì)，可以在保證作物生長(zhǎng)的同時(shí)，減少對(duì)環(huán)境的影響，從而節(jié)約能源。在不同的植物工廠中，補(bǔ)光系統(tǒng)需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)試。

2.5 數(shù)據(jù)管理

補(bǔ)光軟件系統(tǒng)可將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算等工作。當(dāng)采集到植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)或作物生理參數(shù)時(shí)，會(huì)通過補(bǔ)光軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，軟件還可以根據(jù)用戶的需求定制計(jì)算功能，對(duì)作物生長(zhǎng)周期和生長(zhǎng)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過與植物工廠的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的對(duì)接，還可以對(duì)植物工廠中的植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)了解植物生長(zhǎng)狀態(tài)和補(bǔ)光情況，并對(duì)補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

植物工廠是一種新型的種植模式，其在未來的發(fā)展前景廣闊。由于植物工廠對(duì)補(bǔ)光的特殊需求，我們應(yīng)該重視對(duì)補(bǔ)光系統(tǒng)的研究和開發(fā)，并將其應(yīng)用于植物工廠，以提高藍(lán)莓產(chǎn)量和品質(zhì)，減少對(duì)土地、水和肥料的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張亦鵬，周麗萍，王化，等.LED光源對(duì)小漿果生長(zhǎng)發(fā)育影響研究進(jìn)展[J].國(guó)土與自然資源研究，2023（4）：69-72.

基金項(xiàng)目：本文系上海市2020年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域項(xiàng)目“低耗能高效光技術(shù)在藍(lán)莓植物工廠上的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20392001400）的階段性研究成果。