探究LED补光技术在蓝莓植物工厂中的应用

陆敏 胥明 赵剑 朱连根

摘要：随着我国社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对蓝莓产品品质和食用安全问题也越来越重视。因此，通过建立高效的蓝莓生产体系来实现蓝莓产业化是必然趋势。植物工厂是一种新型的农业生產方式，利用现代化的设施设备在人工控制下进行生产活动，具有低能耗、高效率、高品质、高产等优点，因此，在现代农业生产中应用广泛。其中，LED光源是一种具有高效率、高稳定性的光源，非常适合在植物工厂中应用。而采用LED补光系统可以实现对温度、湿度、CO2浓度和光照强度等环境参数的自动控制，从而提高生产效率和产品品质。

关键词：LED补光技术；LED应用；蓝莓植物工厂应用

LED补光系统的优点是能保证植物生长所需的光照条件，并能有效减少人工光源对环境的污染。蓝莓植物工厂能够使蓝莓生产实现规模化、集约化和标准化，因此，在蓝莓生产中具有广阔的发展前景。但目前，我国植物工厂还处于起步阶段，很多技术问题尚未解决，比如温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液等影响蓝莓生产的因素还未得到完全解决。对此，为进一步提高蓝莓生产效率和品质，满足市场需求，需要对LED补光技术在蓝莓植物工厂中的应用进行探究。

1 LED补光硬件系统在植物工厂中的应用方式

1.1 LED补光硬件系统

1.1.1 补光光源

LED补光光源主要是用来提供一定的光色，也就是亮度和色温，但是不同的LED补光光源其光色是不同的。例如，卤素灯是利用卤素灯管发出的光线中含有溴元素，其发出的光线具有一定的黄色调。而LED补光光源是利用LED芯片发出的光线中含有不同波长的蓝色光和红色光，通过红蓝比例调节后形成不同色温的颜色。我们常见的一些补光型光源属于白光LED类型，它主要由3个部分组成：发光芯片、光学透镜以及外壳。其中，发光芯片是由一个或多个小的正方形或长方形平面发光二极管构成；光学透镜是一个具有一定孔径大小、直径和角度可调的半圆金属透镜；外壳则是一个具有一定厚度和高度且能均匀散热的半透明塑料外壳。一般情况下，在选购LED补光光源时，我们可以通过光线亮度、色温以及色温3项参数进行对比，然后选择性价比高的产品。植物工厂中常用的补光光源有LED和高压钠灯。LED是一种基于三基色发光二极管（LED）的新型光源，具有体积小、寿命长、能耗低等优点，广泛应用于植物工厂中。高压钠灯是一种高压汞灯，其发光波长范围较窄，并且显色性不佳。荧光灯是一种高功率、低成本的荧光灯，具有较高的发光效率和显色性。LED光源与其他补光光源相比，具有寿命长、使用方便、体积小、能耗低等优点。

1.1.2 光控模块

光控模块是一种可以在晚上自动打开和关闭LED灯的模块，可以代替传统的开关来控制路发光设备，是一种低成本、低功耗、高效率的路灯控制装置。其工作原理是通过接收光信号，控制LED灯的亮度来实现开关路灯。光控模块一般分为2种类型：一种为有源模块，另一种为无源模块。有源模块一般由控制电路和驱动电路组成。控制电路将光信号转化为电信号，驱动电路将电能转化为光能使LED灯亮或灭，一般使用MOS管或二极管来实现。有源模块可分为2部分：接收部分和发射部分。接收部分将光信号转化为电信号，再由驱动电路来实现开关功能，一般使用光敏电阻或MOS管来实现。其工作原理是当LED灯发光时，电流流过LED的正极会产生一个与该电流大小成正比的电压，从而可以驱动LED灯发光；当不发光时，该电压为零，从而可以断开电流。通过对LED灯的电流进行采样来控制驱动电路的工作状态，从而实现控制功能。植物工厂的光控模块通常采用光强控制或光周期控制，光强控制是指根据植物的需要，在一定范围内选择合适的LED灯的输出光通量；光周期控制是指根据植物的生长和发育需求，通过改变LED灯的工作时间来调节输出光通量。在植物工厂中，LED补光硬件系统通常采用光控模块控制LED灯，以达到最大的产量和品质。例如，在幼苗期使用LED补光时，应根据幼苗对光照强度的需求确定LED灯的工作时间；在生长期使用LED补光时，应根据植物的生长情况确定LED灯的工作时间。在植物工厂中，LED补光硬件系统需要考虑整个系统的布局和布局。

1.1.3 电源系统

LED是一种新型的照明光源，它是利用半导体材料的光生伏特效应制成的。它的发光原理是：在电的作用下，半导体中的二端电子会发生跃迁，产生光。而这种光并不是直接照射到人的眼睛上，而是通过光电效应，在半导体表面上形成光斑，从而达到照明的目的。LED电源系统由LED驱动、控制电路和高压直流供电电源3部分组成。其工作原理如下：LED驱动电路：由稳压芯片、电感、电容和二极管组成。当有输入电压时，由电容滤波后的交流电通过开关电路变为直流电供给LED工作，当无输入电压时，由开关电路将交流电直接变换为直流电供给LED工作。控制电路：利用单片机控制开关电源中的可控硅和变压器，实现对驱动电路的控制和调节。高压直流供电电源：将220V交流电经过滤波、整流等环节后得到所需的直流电源。在高压直流供电电源中，常采用电解电容来储存直流电压，以保证LED驱动电源的恒流特性。电源系统的主要作用是为补光光源提供稳定的供电电压和电流。目前，在植物工厂中，常用的电源类型有AC/DC、DC/AC、PWM和DC-DC等。不同类型的电源具有不同的特点，使用时需要根据植物生长特性和环境条件选择。在植物工厂中，为了满足LED光源长时间稳定工作的要求，通常采用多组电源同时供电的方式。如果单组电源供电时间较长，则可以增加第二组电源。对于不同功率的LED光源，在使用前需要根据其功率大小计算相应的电流。此外，还可以采用变频技术提高LED光源工作效率。

1.2 在植物工厂中应用LED补光硬件系统时应注意的问题

1.2.1 光源参数的选择

选择LED补光硬件系统时，光源的色温和显色指数是重要参数，可以根据不同植物对光源的需求，通过调节LED灯的色温和显色指数，实现不同植物对不同光源的需求。LED补光系统中，根据实际应用场景选择合适的LED灯类型和功率。在室内使用，一般选择2 000～5 000 k色温；在室外使用，一般选择5 000～10 000k色温。植物工厂中，还需要根据实际应用场景选择合适的光源颜色和光效。例如，在生产、加工或研究等特殊场合下需要使用特定颜色的光源，为了达到更好的效果，还需要进一步研究适合该场合使用的光源颜色。在实际应用中，除了需要考虑补光效果和效率外，还需考虑LED灯对环境的影响。在室内环境中使用LED灯时，应避免产生光污染。

1.2.2 控制方法

在植物工厂中，补光系统的作用是给植物提供适宜的光照环境，以促进植物的生长。在 LED补光系统中，控制器是一个核心部件，控制器通过与LED灯、LED控制器等设备之间的通信，对整个补光系统进行控制。在应用LED补光系统时，一般会采用模拟量输入与数字量输入相结合的方式来控制补光。对于模拟量输入，主要是通过开关量来实现对LED灯的控制；对于数字量输入，主要是通过中断或者定时器来实现对LED灯的控制。温度控制：植物工厂中需要严格控制温度环境，否则，会导致植物生长不良甚至死亡。在应用LED补光系统时，主要通过设定温度来对LED灯进行控制。具体流程为：当环境温度达到设定值时，控制器发出指令给LED灯进行加热。在植物工厂中，环境湿度变化也是影响植物生长的重要因素。在应用LED补光系统时，要严格控制环境湿度变化，并对系统进行合理的设置。

1.2.3 系统布局

一是红蓝光系列。红蓝光系列补光系统主要由红蓝光芯片、大功率LED灯和配套的镇流器组成。其中，红蓝光芯片主要起到蓝光和红光的作用，通过调节芯片的导光能力来调节光质。大功率LED灯是补光系统的主要设备，其作用是为植物提供可见光以及红光、蓝光和绿光。镇流器主要起到镇流器的作用，它可以将红蓝光芯片产生的光能转化为电能并供给植物生长所需。虽然目前市面上已经出现了许多红蓝LED灯，但是，红蓝LED芯片并没有得到很好的优化，因此，红蓝LED芯片仍然是植物工厂中使用较多的补光设备。同时，由于技术含量较高，红蓝LED芯片在价格方面也比白炽灯要贵很多。二是红蓝复合系列。红蓝复合系列是一种复合型光源，包括光源、反射罩、红蓝复合透镜等部分。红色光源与蓝色透镜组合后可以实现对植物的补光。该系统具有良好的补光效果，是目前植物工厂中使用最多的补光系统之一。通过红蓝复合系统对蓝莓植株进行补光，可以改善蓝莓植株的生长状态，提高果实品质和产量。目前，有很多学者对该系统进行了研究，如郑英志等人在LED补光技术研究方面进行了探索，在LED光源中加入不同波长的蓝、绿色滤光镜片和红、橙色滤光镜片后，可以实现对蓝莓植株的补光。但目前该系统还存在一些问题，如红色和蓝色在光谱上有较大差异，对蓝莓植株的生长影响较大。

2 LED补光硬件系统在植物工厂中的应用方式

2.1 作物识别

通过对LED补光软件系统采集到的数据进行处理，提取出作物的颜色特征，可以对植物的健康状况进行初步判断。在蓝莓生产过程中，经常会用到不同的补光方式，不同的光照模式可以用来生产出不同的蓝莓。但在生产过程中，对不同植物进行识别时，通常是手动去匹配光照模式。目的是解决人工识别的准确性问题。方法是：首先将待测植物图片导入到LED补光软件系统中；然后选择需要识别的植物，在软件界面上选择对应的模式；进入识别界面后，在界面上可以看到蓝色和红色的2种颜色，点击蓝色按钮可以开始拍摄植物图片；将拍摄好的植物图片导入到LED补光软件系统中進行处理，软件会自动根据植物图片中颜色进行对比，并把颜色匹配好的植物图片显示出来；然后选择蓝色按钮可以进入图像识别界面。在识别界面上可以选择识别的模式：绿色、红色、蓝色和黄色；点击绿色按钮可以进入识别结果界面，可以看到图像识别出来的植物信息；如果没有找到想要的植物信息，可以点击蓝色按钮继续寻找。通过图像处理技术可以根据作物的颜色特征来判断蓝莓植物是否受到病虫害的侵害，以及不同作物是否受到光照不足的影响。

2.2 光照计算

LED补光软件系统根据植物在不同阶段所需的光照强度计算出需要补充的LED灯功率。LED补光软件系统是一款专业的LED植物补光控制软件，目前，已在多个地区应用。这款软件采用了全新的算法，能够精准计算出植物需要的光照参数，是植物生产的最佳照明方案。光照计算方法：确定要补光的植物；导入植物；输入相关参数（一般为需要补光的植物名称、品种、类别、数量、放置位置等）；打开光照计算系统，输入需要补光的植物名称和数量，点击“确定”按钮；计算出所需光照的强度和照射时间；点击“保存”按钮，将结果保存到指定位置。计算植物在不同时间段内所需的光照强度和照射时间的方法：在软件首页选择“日期”菜单，选择相应月份；进入月份界面，点击“添加日期”按钮，弹出“月份”界面；点击“选择日期”按钮，在弹出框中输入对应月份；点击“添加时间”按钮，弹出“日期和时间”界面，显示所需计算出的光照强度和照射时间；点击“确定”按钮，完成月份计算。

2.3 智能补光

植物工厂中的智能补光系统主要是根据不同的作物和生长阶段，进行智能算法的计算，选择最优的LED灯输出功率，保证作物在最佳的生长环境下进行光合作用。LED补光软件系统具有实时监测植物生长情况、精准补光等优势，是植物工厂中重要的补光设备。LED补光软件系统的功能非常强大，首先，要打开LED补光软件系统，然后在其界面中选择“智能补光”选项卡，此时，需要对画面进行智能补光。在“智能补光”的界面中会有很多不同的功能选项，我们只要根据实际需要选择合适的选项就可以。

2.4 控制系统

在植物工厂中，控制系统主要用于调节LED灯的输出功率，从而控制植物的生长。LED灯的输出功率是在一定的范围内变化，当电流超过一定值时，LED灯的发热和效率就会下降，如果继续加大电流，那么就会导致LED灯烧坏。所以LED灯的功率不能无限增大，而要有一个度。LED灯是通过电流来发光的，它的输出功率由电流决定。由于LED灯的输出功率不能无限增大，所以，如果想要更好地控制LED灯的输出功率，就必须通过控制系统来控制电流。由于开关电源是由一系列开关管组成，在开关管处于导通状态时，可以利用控制系统来调节电流大小。因此使用开关电源控制器就可以很好地控制电流，使其符合要求。比如将LED灯连接到控制器上，就能让其正常工作了。通过对LED灯进行调节，可以使LED灯的输出功率达到最佳状态。不仅可以节约能源，还能很好地保护环境。控制系统可以使用PC或可编程逻辑控制器（PLC）进行设计，也可以使用PLC、单片机、智能仪表等来进行设计。在植物工厂中，LED灯的输出功率和光质、光强等环境参数以及作物种类和生长阶段有关。通过调节LED灯的输出功率和光质，可以在保证作物生长的同时，减少对环境的影响，从而节约能源。在不同的植物工厂中，补光系统需要根据具体情况进行调试。

2.5 数据管理

补光软件系统可将采集到的数据通过网络进行管理，进行数据的分析、统计、计算等工作。当采集到植物生长环境参数或作物生理参数时，会通过补光软件系统进行实时监测和分析，然后根据分析结果对补光系统进行调整。同时，软件还可以根据用户的需求定制计算功能，对作物生长周期和生长状况进行预测。通过与植物工厂的物联网系统的对接，还可以对植物工厂中的植物生长情况进行监控，及时了解植物生长状态和补光情况，并对补光系统进行调整。

3 结语

植物工厂是一种新型的种植模式，其在未来的发展前景广阔。由于植物工厂对补光的特殊需求，我们应该重视对补光系统的研究和开发，并将其应用于植物工厂，以提高蓝莓产量和品质，减少对土地、水和肥料的需求。

参考文献

[1] 张亦鹏，周丽萍，王化，等.LED光源对小浆果生长发育影响研究进展[J].国土与自然资源研究，2023（4）：69-72.

基金项目：本文系上海市2020年度“科技创新行动计划”农业科技领域项目“低耗能高效光技术在蓝莓植物工厂上的研究”（项目编号：20392001400）的阶段性研究成果。