智能LED植物生长系统

江 天 张 潇

(1.光莆电子股份有限公司，福建厦门 361009)

1 引言

经过半个世纪的发展，LED技术愈发成熟，尤其是近几年，发展非常迅速，在照明和背光等领域展示出了强大的市场。而与此同时，越来越多的企业也开始关注LED在传统照明之外的其他领域的应用，其中就包括LED植物照明领域，尤其是在红光、蓝光和远红外光等大功率单色光LED的技术的逐渐成熟之后。传统的植物生长灯主要是采用汞灯和高压钠灯等，而作为第四代光源，LED应用在植物生长领域也有诸多优点，比如LED植物生长灯可以实现非常窄的植物生长需要的波段，提高光的利用率到90%以上，而传统的植物生长灯还不到10%，大幅度地节约了能源;另外LED是冷光源，可以离植物很近而不会烧伤植物，从而提高空间利用率等。除此之外，LED还可以与智能控制系统完美结合，对光质、光照时间和辐射度等进行智能调控，使得光能被植物更有效地吸收利用。

普通LED植物生长灯具虽然有节能、无污染、寿命长的优点，但大多只能简单控制和定制好红蓝配比，对于LED光质、光照时间、辐射照度分布和环境反馈调节等方面全方位调节还未有成熟的产品出现。智能LED植物生长系统正是着重于一套具有MCU接口、可调控光质、时间和辐射度的植物生长照明系统。

智能LED植物生长系统包括了LED灯具、通过特定接口与传感器连接的MCU系统2个部分。通过LED灯具内部的特定驱动模块，可以在全光谱范围内对LED光质进行调控;LED灯具与MCU连接后，可根据植物在不同生长阶段、不同时间和不同环境下对光的需求自动调制出最适宜的光质和辐射度。

单个LED灯具内可对多个LED光源组合分别进行数字化控制，在应用时，可通过对多组灯具的联合控制，实现对光质、辐射照度分布、环境反馈的控制。打造兼具节能、高效的智能植物生长照明系统，系统利用MCU与可调光驱动器配合，进行环境感测，高效能数字化调节，智能开关等。

此外，系统不仅可24小时监控LED装置并即时回报异常状况，还能对照明设备进行群组控制以调节能源，使照明系统更具智能化;而为加强LED光源稳定度，将可调光驱动器导入电路设计中，并提升能源使用效率。

2 LED植物生长灯了解

植物生长灯是依照植物生长规律必须需要太阳光，用灯光代替太阳光给植物生长发育环境的一种灯具。

提高农作物产量的办法有多种，其中包括:

(1)生物技术，比如杂交水稻;

(2)化学方法，比如化肥、农和激素等等。

(3)物理方式，试图通过光的调控来促进植物的生长，逐步减轻现代农业对化学技术的过度依赖。

植物生长灯就属于其中的物理方式，通过调控光来促进植物的生长。

2.1 植物生长灯的优势

传统的植物生长灯主要采用汞灯和高压钠灯等，而作为第四代光源，LED的大规模研发和生产也促进了其在植物生长领域的应用。相比传统的植物生长灯，LED植物生长灯具有非常明显的优势。

首先，LED植物生长灯可以实现非常窄的植物生长需要的波段，提高光的利用率到90%以上，而传统的植物生长灯还不到10%，大幅度地节约了能源;另外LED是冷光源，可以离植物很近而不会烧伤植物，从而提高空间利用率等。除此之外，LED还可以与智能控制系统完美结合，对光质、光照时间和辐射度等进行智能调控，使得光能被植物更有效地吸收利用。

表1 LED植物生长灯与传统植物灯的参数比较Table 1 Comparison of LED plant growth lamp and traditional plant lamp`s parameters

2.2 光影响植物生长的三大因素

(1)光质

植物在生长过程中会吸收特定波长的光进行光合作用，主要集中在420nm到480之间的蓝光和610到700之间的红光。除此之外，其他波段的光对植物生长影响相对较小。

(2)光照强度

植物生长受到光总吸收量的影响。在冬季，自然光照不足，往往会影响植物花朵和果实的生长。

(3)光周期

很多植物的开花时间受到日照长短影响，我们称这种对光敏感的现象“光周期”。比如，菊花只能在短日照的条件下才能正常产生花蕾。当给予长日照时，菊花就不会正常开花。根据光周期，我们可以将植物分为喜阴植物、喜阳植物和中性植物。

2.3 植物生长灯的应用领域和市场前景

LED植物生长灯的应用领域非常广泛，目前主要应用在花卉、中草药及其他作物的组织培养，温室高附加值的植物生产，花卉种苗、扦插苗培育，蔬菜育苗，工厂化蔬菜、花卉的生产–植物工厂，以及科学研究等。

目前市场主要集中在日本、韩国、美洲、欧洲等从事农业人员较少的国家和地区。但随着LED植物生长灯产能和性能的提升，中国市场也进入爆发期。据调查，全球LED植物生长灯产值在2013年起开始呈现高速成长，产值虽仅千万美元规模，但预估2014年将逾3500万美元，2017年更可望挑战3亿美元，市场前景非常广阔。

3 企业介绍

厦门光莆电子股份有限公司成立于1994年，是LED产业最早一批专业制造厂商的内资企业。总投资规模达5亿，注册资本1.14亿，于2010年开始集团化经营模式，整合企业产业链，快捷、高效服务于客户。

现公司下属企业有厦门市光莆电子有限公司、厦门爱谱生电子科技有限公司、厦门光莆显示技术有限公司。其中光莆电子涵盖LED封装、LED照明应用、大功率LED应用等方面，光莆显示涵盖10.1吋以下 BLUTV前框后盖和 17－50吋 BL胶框LEDLightBar等产品，爱谱生电子主要生产 FPC、FPCA模块、SMT等产品。

经过近二十载的努力，光莆已经成为国内唯一家同时能为全球前五大显示器企业配套的LED封装厂 (LG三星冠捷富士康明基)和中国光电子行业协会光电子分会理事单位、国家工信部半导体标准化工作委员会委员单位、中国绿色照明优质产品订单生产企业、中国科技部“创新基金”优秀企业(全国唯一一家四次获得奖章的民营企业)、中国火炬计划承担单位与国家重点项目产业化承担单位、福建省光电协会副会长单位、福建省“LED封装工程技术研究中心定点依托单位”等。

公司目前已申请专利100多项实用新型专利与发明专利，其中包括39项发明专利，46项实用新型专利，28项外观设计专利和10项光莆专有技术。

光莆作为为省级LED封装工程技术研发中心的依托单位，具有19年的光电器件开发和生产经验;拥有技术研发人员120人，其中高级工程师20名。中心装备了一批具有世界先进水平的科研试验、分析仪器设备 (积分球，分布光度计，结缘电阻测试仪、耐压测试仪等)，具有迅速进行新产品、新技术、新工艺的研究、验证、检测的能力。每年12%营业收入被投入到新技术、新产品的研发当中;承担过几十项国家、省、市、区级科技专项并顺利通过验收。

4 光莆LED植物生长灯介绍

4.1 固定配光型LED植物生长灯研发

固定配光型LED植物生长灯就是根据植物生长需要在设计初期就已经进行了灯珠配比的LED植物生长灯，常用的比如R(660nm):B(450nm)为4:1到10:1之间。

光莆公司的固定配光型LED植物生长灯特点如下:

1)可根据客户需要，生产出各种配光的植物生长灯;

2)超薄设计，占用空间少，适用于多层栽培;

3)特制铝合金外壳，IP44防护等级;

4)低热量，无需散热模块，且能让光源与植物的距离更近，从而增加空间利用率。

5)高效节能，寿命高达4万小时以上，光效是HID植物灯的10倍。

6)波长类型丰富、可根据需求调整正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合并获得纯正单色光与复合光谱。

光学特性颜色红 ＆ 蓝光合有效辐射 (0.5m)Min.Typ.混合光波长45umol/m2s 50umol/m2s 612nm均匀度 ≥85%发光角度120°机械特性外形尺寸595*295*10.5mm重量 (不含电源)＜1.5kg

(续表)

图1 固定配光型LED植物生长灯技术参数Fig.1 Parameters of fixed light distribution type LED plant growth lamp

4.2 智能型LED植物生长灯研发

智能型LED植物生长灯即可以根据不同植物的不同生长环境下的不同生长阶段对光的要求的不同进行光质和光周期的调控。

光莆公司的智能型LED植物生长灯特点如下:

1)具有光强和光质的调节功能，可以应用于植物在生长各个阶段，并可以通过调节获得所需要的最佳光合有效辐射度和配比。

2)智能控制系统，让控制更加简捷

3)特制铝合金外壳，IP44防护等级。

4)低热量，简洁设计，无需散热模块，且能让光源与植物的距离更近，从而增加空间利用率。

4.3 智能型LED植物生长系统研发

针对植物组培、人工光育苗与种植、温室补光等不同用途对光源的特定需求，通过自主研发，开发出一种以红蓝光LED为主要光谱成分、光环境智能可调的LED光源系统，可以显著提升组培植物的光合效率，节能效果达80%以上。

4.3.1 关键技术和指标

智能LED植物生长系统的关键技术包括以下几方面:

1)光谱波长和光强的科学配比技术;

2)光周期和光强调节的自动控制技术;

3)整个调光系统与清洁能源的对接技术;

4)智能化自动控制系统技术

主要技术指标有:

1)LED的发射光谱中心波长范围:630nm－660nm、430nm－470nm等，带宽约30nm;

2)LED光源光强:100lx－6000lx;

3)平均使用寿命不小于10000小时;

4)LED光源的电源:交流220V/50Hz，直流12V/24V;

适用范围:果类、瓜类、叶菜类、组织培养、育苗等;

4.3.2 进展与方向

经过一段时间的研发，在这个领域也做了不少工作，首先通过建模，针对兰花、绿叶菜、长芽、药材等，对波长配比、光照频率、照射周期做智能调控;其次，植物智能生长控制系统不仅对光调控，还对温湿度有统一的控制，让LED植物生长灯达到最佳效果。

系统最终的效果，比如对于叶菜，将发芽期、组培期、长茎期、长叶期划分为一、二、三期阶段，在第1－3天采用针对发芽的光照波长、频率配比，同时调整温湿度;第4－10天针对组培期自动更换不同的光照、温湿度配比……所有这些只需要在程序中预先设定，像自动洗衣机一样开始时选择模型启动即可;

目前方向除了兰花、叶菜、金线莲外，还打算和云南名贵药材公司合作，共同培育药材植物。此外，蔬菜、瓜果也是发展的方向之一。

4.3.3 智能LED植物生长系统的功能

1)能实现智能定时调节光配比和光强，能满足不同植物在不同生长时期以及不同环境下对光的特定要求

2)能进行智能单灯或者多灯各自一体化控制

3)能对环境进行实时监控，并且自动化调整

4)配合智能化植物工厂，达到最佳性能

可以想象，在加入智能控制系统后，LED植物生长灯就会根据探测到的植物的实时生长状况和环境，给予最合适的光质和辐射度，以及根据需要进行间断性照射。我们在远端就可以实时监控到植物的生长状况，包括光合作用、生根发芽等情况，并实现真正意义上的一键操控。

5 光莆LED植物生长灯发展策略

作为一家专业LED封装企业，光莆拥有19年的光电器件开发和生产经验，以及专业的LED面板灯制造经验，以及福建省LED面板灯标准起草者，光莆具有成熟的研发生产能力

我们定位于提供专业LED植物生长灯研发生产及解决方案，并借力合作，建立校企平台，博众取长，开放、学习借鉴，明确市场导向，生产优质产品。打造品牌，为LED植物生长灯和智能LED植物生长系统的发展和标准制定做出贡献。

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