溫室LED高效節(jié)能補光照明控制裝置的研究

李建軍 李延國 劉柱 李敏任慧 楊眉 何禹 黃雷 歐志鵬 張航

(1.長春市農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130062；2.白城市洮北區(qū)農(nóng)機局，吉林 白城 137000 )

溫室LED高效節(jié)能補光照明控制裝置的研究

李建軍1李延國1劉柱1李敏2任慧1楊眉1何禹1黃雷1歐志鵬1張航1

(1.長春市農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130062；2.白城市洮北區(qū)農(nóng)機局，吉林 白城 137000 )

溫室LED高效節(jié)能補光照明控制裝置包括發(fā)光器件、多元化的發(fā)光二極管和能夠控制各自的多元化發(fā)光二極管發(fā)光強度的控制裝置。每組發(fā)光二極管的發(fā)光強度都能被電腦程序單獨控制。而發(fā)光強度是根據(jù)植物生長所需要的光照強度所決定的，以植物所需要的光照強度為參照來調(diào)整電位器，也可以通過網(wǎng)絡連接或者直接根據(jù)這個插件模塊進行調(diào)整，通過給溫室創(chuàng)造適宜作物生長的光照條件來增加產(chǎn)量。

溫室；發(fā)光二極管；補光照明；光照強度

1 研究的背景

多年來，在氣候不佳或者不利于植物生長的區(qū)域，溫室能夠給植物提供一個適宜的生長環(huán)境。在自然光照不充足的地方，或者需要持續(xù)提供最適宜生長環(huán)境的有特殊要求的植物，如溫室生產(chǎn)反季節(jié)花卉、瓜果、蔬菜等，由于冬春兩季日照時間短，作物生長緩慢，產(chǎn)量低，現(xiàn)在通過人工照明來彌補自然光照的不足已經(jīng)得到應用。多年來，科研人員研制了各種各樣的人工照明設備，由于植物光合作用所需要的光照都是由太陽光所提供的，因此人們試圖更精準的仿制太陽光。其中包括熒光燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈等。但是這些類型的燈光都有自己的優(yōu)缺點，這些類型的燈光除了提供可促進植物光合作用的有效波長的光之外，還包括無效波長的光和不支持光合作用的光，造成了很大的能源浪費。最近，發(fā)光二極管（LED）照明已經(jīng)被廣泛應用，它能夠提供更有針對性的波長光譜，同時也能提高照明效率，節(jié)約能源。

研究表明，光照強度低于其補償點時有機物質的消耗多于積累，植株干質量下降，甚至死亡。即使在弱光的條件下植株的生長也表現(xiàn)衰弱、出現(xiàn)徒長現(xiàn)象。如出現(xiàn)光合效率急劇下降，干物質積累迅速減少，病害快速增加的情況，造成損失是理所當然的了。

通過試驗測量，在植物收到的主要光譜照射中，藍光和紅光所在波長區(qū)域能夠發(fā)生最有效的光合作用，光合性輻射（PAR）可見范圍波長大約從400～700mμ。如上所述，老式的照明燈（熒光燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈），產(chǎn)生的是全光譜照明，一部分電力浪費在綠光、黃光和橙色波長的光上，即使有光合作用也很少被利用。目前的LED燈可以提供一些特定波長的光來支持植物光合作用。但是，提供不同波長的光也是很有限，通常只能提供2種，并且不能獨立調(diào)節(jié)光的強度。

研究表明，不同的植物光合作用所需的光在波長上有微小的不同。此外，特定類型的植物在生長過程中的不同階段，可能藍光更適合光合作用，而在生長的另一個階段紅光更適合光合作用（例如，營養(yǎng)生長階段和果實成熟階段）。在促進植物光合作用上，LED光已經(jīng)被證實優(yōu)于其他類型的光。

進一步研究表明，當慢慢地增加和減少光照強度，把光源開關打開和關閉模擬一天的自然光，植物能做出積極的回應。另外，植物最佳光合作用所需要的光照強度是有上限的，超過這個上限值，植物也不能健康的生長。

2 技術要點

溫室LED高效節(jié)能補光照明控制裝置采取一個或者多個措施給植物提供光合作用所需的光照，而且這個光照能隨著時間和植物的需要進行變換。

控制裝置可為植物提供一個慢慢增加和減少不同波長的照明，以模擬一天之內(nèi)的自然光。

提供多組可調(diào)節(jié)波長的LED燈組，即敏捷光合作用光譜LED燈。它能提供8個通道的光和其他定制的更多通道的光，以適應大多數(shù)植物種植者的特定需求。特定通道的光的波長通過選擇LED燈組來實現(xiàn)，按照通道的波長將這些LED燈組安裝在一系列的電路板上。這樣用已有的燈具就能夠建立8個通道或者更多的自定義通道。每個通道都有獨立的光照強度控制，能調(diào)節(jié)LED燈組的強度從零到最大額定功率，另外也有手動調(diào)節(jié)（手動模式）和軟件程序控制（自動模式）2種控制方式，便于同時調(diào)整所有通道的光照強度。

控制裝置包括一個多元化的發(fā)光二極管，每組包含一個或者多個發(fā)光二極管。而且每組發(fā)光二極管包括一個控制發(fā)光強度的裝置來控制每組發(fā)光二極管的光照強度。

控制裝置包括一個電腦內(nèi)存，可以儲存植物對光強需求的所有數(shù)據(jù)，該控制裝置按照電腦儲存的光強數(shù)據(jù)來控制每組發(fā)光二極管的光照強度。這個裝置通過安裝一個電腦軟件程序來配置每組驅動程序，其程序為直流驅動程序或者是脈沖寬度調(diào)節(jié)程序。

控制裝置還包括光線傳導轉換界面，以便多組發(fā)光二極管發(fā)出的光定向傳遞給植物。

3 控制裝置構成及附圖說明

3.1 顯示的是控制裝置的控制流程和系統(tǒng)框架圖

圖1 控制裝置的控制流程和系統(tǒng)框架圖

3.2 顯示的是LED高效節(jié)能補光照明控制裝置的軸測圖

圖2 LED高效節(jié)能補光照明控制裝置的軸測圖

3.3 顯示LED高效節(jié)能補光照明裝置的剖視圖

圖3 LED高效節(jié)能補光照明裝置的剖視圖

3.4 LED高效節(jié)能補光照明控制裝置的縱截面示意圖

包括一個附加的LED的電路板，一個接口連接到一個或者多個具體設備上。

圖4 LED高效節(jié)能補光照明控制裝置的縱截面示意圖

3.5 顯示了調(diào)整端口插頭為手動控制方式

圖5 調(diào)整端口插頭為手動控制方式

4 補光照明裝置工作原理

光從多組發(fā)光二極管發(fā)出來照射植物，并且根據(jù)植物的需求來控制光的強度。發(fā)光裝置包括一個控制光強的裝置，每組設備可以從光譜中選擇對應波長的光，每組發(fā)光裝置都是根據(jù)主波長選擇發(fā)出對應波長的光。

進一步來說，該裝置能夠多元化的控制發(fā)光二極管的光照強度定向照射植物并遵循一個周期循環(huán)，其中光強逐漸增加，強度峰值增強，然后逐漸減少，強度峰值降低，然后再逐漸增加到峰值強度，24h為一個周期，重復循環(huán)。不同的光照時間峰值強度有所不同，低強度可能出現(xiàn)在一段時間的某個時間點。根據(jù)一個多元化的光照強度傳感器對應多組的傳感器來控制每組的光照強度。

如圖1，控制裝置1的照明裝置包括1個主供應電源4，電源開關3，直流電源總線2，照明控制設備（包括：1個總控制，8個通道，1個調(diào)節(jié)裝置）8，1個遙感控制總線24，1個程序控制管家25，數(shù)字控制接口26，無線接收器27，直接網(wǎng)絡接口28，無線接口29，端口30或31，用戶輸入，第1～8 LED驅動通道分別對應32～39，全部LED燈組40包括：第1～8通道LED燈組分別對應41～48。

控制設備8包括手動控制、計算機處理器和裝載植物光強要求和植物多樣性的相關數(shù)據(jù)的內(nèi)存。必要的光照強度或者植物需要的標準照明和詳細的光照強度數(shù)據(jù)由LED燈組41～48提供，且可漸變、獨立或協(xié)同，1d內(nèi)，一組PWLs強度低（模擬夜間，在日出之前），在另一組PWLs峰值強度的光（即模仿中午時間或當太陽光照最強的時候），然后回到強度低的前一個或另一組PWLs光（太陽下山之后），控制設備8的計算機內(nèi)存可根據(jù)不同的季節(jié)或者特定的植物照明需求存儲編程模擬光照強度數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)1a內(nèi)的不同時間設定不同的峰值強度和不同的光照強度。也可以通過編程，提供不同的光強峰值和不同的光強谷值。PWL 8個通道的不同光強變化率具體取決于植物生長周期的不同階段和植物的種類。

主供應電源4，包括普通輸入5。如圖1所示。主供應電源4為一個穩(wěn)定電源的已校正的直流電流電源，它能為通用獨立的8個LED通道供電并驅動32～39傳送各自的LED信息到通道LED燈組41～48。

在此照明控制裝置中，LED驅動通道32～39中的每一個驅動都能和通道調(diào)節(jié)電位計10串聯(lián)，LED燈組通過直流電流連接驅動通道32～39，這種情況需要限制光強的頻率轉變，電流驅動能獨立的為驅動通道32～39配置脈沖寬度調(diào)節(jié)驅動程序。

LED燈組41～48中的每個LED燈，都和多元化LED燈組51中的LED類似，與圖2中的多元化LED燈組51有相同的或者相類似的LED器件。如上文所述，驅動通道32～39中的每個驅動可以選擇配置為直流驅動或者脈沖調(diào)制當前的驅動程序。白色的LED燈被整合到41～48LED燈組中，為植物生產(chǎn)或者光照不充分的地方提供全光譜照明。

通過使用這種LED高效節(jié)能補光照明控制裝置，可以進一步提高光的利用效率，此系統(tǒng)不提供或很少提供沒有光合作用的光照，并且允許用戶根據(jù)任何被給定的植物的頻率波長而設定通道上光照的頻率，以免過分的光照強度會使植物受到傷害而減產(chǎn)。目前，市場上的絕大部分照明補光裝置不能提供所有這些功能特征，也不具備減少光的輸出能力。

如圖5，自身定位電位計提供適應進入插孔，通過特別的設計，保護這種調(diào)節(jié)端口和其他的控制裝置及部件不被灰塵、碎片和環(huán)境濕度影響。

在現(xiàn)實中，自動控制系統(tǒng)具有適應發(fā)光系統(tǒng)的能力。目前，可以通過從植物上漸漸減少或者增強各種光波的強度，就像每一天太陽的升落那樣模擬控制該裝置循環(huán)往復的持續(xù)工作。

5 裝置特點

控制裝置的每組集光發(fā)光二極管對應不同波長的光；

所研究的控制裝置1內(nèi)存是計算機內(nèi)存；

控制裝置包括多個可調(diào)節(jié)的電位器，每個電位器對應一組發(fā)光二極管去控制其發(fā)光照強度，并且該發(fā)光二極管的發(fā)光照強度是根據(jù)這個植物生長所需的光的波長強度所決定的；

控制裝置的保護措施，保護每組發(fā)光二極管不與灰塵，碎片，昆蟲以及水分直接接觸。還可防止每組發(fā)光二極管的電壓過高、電流過大、溫度過高；

控制裝置每組驅動程序的每個驅動都是一個脈沖寬度調(diào)節(jié)驅動，可以轉變這個發(fā)光裝置發(fā)出光的主要波長。通過安裝一個電腦軟件程序來配置每組驅動程序的驅動，可配置成直流驅動程序或者是脈沖寬度調(diào)節(jié)程序；

植物補光具有光譜純，光效高，節(jié)能環(huán)保等特點；

可以根據(jù)植物生長的需要，通過預先植入的程序控制光照的強度和時間及波長，由此促進植物健康的生長。

6 結論

通過提供特定波長的光來適應各種溫室內(nèi)農(nóng)作物的光合作用需求，最大限度的捕捉光能，充分發(fā)揮植物光合作用的潛力，使植物得到健康生長，不僅增加作物產(chǎn)量，改善品質，還能高效地利用土地資源，增產(chǎn)增收，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益；

能夠提供更有針對性的波長光譜，減少了輸出無作用光的能量消耗，在很大程度上提高了光的利用率和照明效率，節(jié)約了能源。解決了溫室反季節(jié)作物栽培中的一個關鍵性植物光照不足的問題；

植物補光自動化程度高，可根據(jù)作物生長條件，恰當?shù)亟o植物提供進行光合作用的有效光照強度、光照時間、光照波長，減少了管理者的勞動強度；

無論在晴天、陰天、雨天，都可以合理有效延長和科學控制植物所需要的光照；

LED高效節(jié)能補光照明控制裝置可廣泛應用于溫室花卉、蔬菜種植中，解決了普通燈光的光譜成分中光質不純、光強不一致、光源照射能效低等弊端，可在設施栽培環(huán)境中大量應用，是設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

S625

A

10.11974/nyyjs.20161232007

李建軍（1974-），男，農(nóng)業(yè)工程碩士，長春市農(nóng)業(yè)機械研究院，工程師，從事農(nóng)業(yè)機械領域科研、推廣工作。