LED智能燈具在農(nóng)業(yè)照明的應(yīng)用 - 全文

　　人類目前所面臨的食物、能源、資源、環(huán)境和人口等問題的解決都與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，而光照是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的首要因素，因此，深入研究農(nóng)業(yè)照明對(duì)光的需求特性、規(guī)律和光控基準(zhǔn)，創(chuàng)新性地開發(fā)適宜于農(nóng)業(yè)照明的智能控制補(bǔ)光系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)照明提供高效的光照環(huán)境是1項(xiàng)重要工作。隨著大氣污染日益加重，大氣透明系數(shù)不斷下降，植物可接收的太陽(yáng)光能越來越少，直接影響其生長(zhǎng)發(fā)育。將補(bǔ)光調(diào)控技術(shù)用于農(nóng)業(yè)栽培，可提高作物光合作用效率，促進(jìn)生長(zhǎng)并減少農(nóng)藥使用，利于發(fā)展高效無污染的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)、無土栽培和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等現(xiàn)代生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式的里程標(biāo)志。

　　1、特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

　　1.1 補(bǔ)光特點(diǎn)

　　植物利用太陽(yáng)光進(jìn)行光合作用，吸收的可見光光譜在380～760 nm，其中吸收峰值區(qū)域?yàn)椴ㄩL(zhǎng)610～720 nm紅橙光和400～510 nm的藍(lán)紫光。而連續(xù)的陰雨天氣影響植物生長(zhǎng)發(fā)育乃致絕收，智能控制補(bǔ)光的研究及發(fā)展將解決這一問題，發(fā)展不受天氣影響的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)將成為新的方向。

　　影響溫室補(bǔ)光的主要因素有光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期等，農(nóng)作物光合作用以冠層光強(qiáng)補(bǔ)償達(dá)到1 000～3 000 lx為宜，各種農(nóng)作物對(duì)紅藍(lán)光（R/B）有特定要求，另外對(duì)自然界晝夜交替、周而復(fù)始的現(xiàn)象形成了光周期的要求，農(nóng)作物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中適應(yīng)了這種明暗變化。但是，在冬至前后或連陰天時(shí)，自然光照無法滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育需求，則需要通過人工補(bǔ)光來增加光照時(shí)間，近年來，溫室補(bǔ)光已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段。

　　1.2 高效智能系統(tǒng)

　　由控制前端（智能手機(jī)、平板電腦或控制平臺(tái)）、傳感器（Sensor）、現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）和LED燈組成的植物生長(zhǎng)調(diào)控系統(tǒng)如圖1所示。智能手機(jī)、平板電腦（嵌入Android 或iOS 操作系統(tǒng)）通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)連接控制平臺(tái)對(duì)終端進(jìn)行控制。終端內(nèi)置專用通信模塊通過ZigBee連接多達(dá)100個(gè)LED燈組網(wǎng)（可設(shè)任意組，燈之間的最大距離15 m）或單點(diǎn)訪問，也可對(duì)傳感器、增氧、澆灌及卷簾等裝置進(jìn)行系統(tǒng)控制。系統(tǒng)利用傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度和營(yíng)養(yǎng)液pH值等數(shù)據(jù)，通過軟件匯集到數(shù)據(jù)庫(kù)，并指令施肥灌溉系統(tǒng)對(duì)植物進(jìn)行定時(shí)、定量及分區(qū)分段的精準(zhǔn)施肥灌溉，同時(shí)利用傳感器進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)植物生長(zhǎng)需求對(duì)LED燈的定時(shí)、開關(guān)、調(diào)光和調(diào)色等進(jìn)行遠(yuǎn)程集中管理，并通過光配方（Light recipes， LR）對(duì)植物的生長(zhǎng)和開花周期進(jìn)行調(diào)控。

　　針對(duì)不同應(yīng)用方案及場(chǎng)所，LED補(bǔ)光照明產(chǎn)品可選品種較多。燈泡、面板燈、投光燈、燈帶和燈條等是植物工廠的典型LED應(yīng)用產(chǎn)品，結(jié)合應(yīng)用智能控制系統(tǒng)使農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)更高效節(jié)能。

　　1.3 提高密度與節(jié)能

　　LED燈屬于冷光源，其輻射光譜對(duì)植物的熱效應(yīng)小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的近距離補(bǔ)光且避免灼傷。在植物工廠或組培中，可縮短栽培層架之間的距離，提高空間利用率及植物單位空間的栽培密度。溫室中的智能控制補(bǔ)光實(shí)驗(yàn)表明，使用傳統(tǒng)光源（高壓鈉燈和金鹵燈）每平方米需要配備0.5 kW的光源，而LED僅需0.27 kW，其節(jié)能量超過50 %。

　　另外，有效利用自然光照、光環(huán)境智能控制、提升空間管理和移動(dòng)反射利用等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的技術(shù)創(chuàng)新，將有效提高光能利用效率，滿足批量生產(chǎn)或提前庫(kù)存的市場(chǎng)需求。

　　2、農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用

　　通過引進(jìn)新技術(shù)種植蔬菜、水果、花卉及育苗組培，拓展到生態(tài)餐廳、農(nóng)業(yè)觀光等一系列精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式，采用用以智能控制為基礎(chǔ)，由信息技術(shù)支持的整套智能農(nóng)事操作技術(shù)與管理系統(tǒng)，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。

　　2.1 畜禽養(yǎng)殖

　　通過研究紅光、藍(lán)光和白光對(duì)家禽生產(chǎn)性能的影響，推出系統(tǒng)控制光周期的智能養(yǎng)雞照明產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)漸變式禽類養(yǎng)殖控制，并在養(yǎng)雞場(chǎng)投入使用。智能系統(tǒng)按特定指標(biāo)控制色溫、光強(qiáng)及照明時(shí)長(zhǎng)，觀察其對(duì)畜禽的行為習(xí)性、生理特性和生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響，并有效促進(jìn)畜禽的生產(chǎn)性能，因此，養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中的照明不僅要求低能耗和長(zhǎng)壽命，而且還應(yīng)具備LR的可控性。圖2所示為補(bǔ)光在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用。

　　研究發(fā)現(xiàn)，在肉雞（AA肉雞）生長(zhǎng)前期采用綠光或藍(lán)光照射，生長(zhǎng)后期采用藍(lán)光照射，能顯著促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育并提高生產(chǎn)性能。若再前期選用綠光照明，可不同程度地改善肉雞小腸黏膜結(jié)構(gòu)，提高小腸吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力。此項(xiàng)研究成果可用于改善畜禽的生理節(jié)律、攝食行為、生長(zhǎng)發(fā)育及繁殖性能的技術(shù)指標(biāo)體系，促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)及生產(chǎn)潛力，并提高畜禽免疫力。

　　2.2 微藻繁殖

　　隨著全球資源、能源及環(huán)境危機(jī)加劇，如何開發(fā)利用光合自養(yǎng)生物微藻，直接將太陽(yáng)能及二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化為人們生活需要的醫(yī)藥、生物基化學(xué)品和生物能源，成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)光照是影響微藻細(xì)胞生長(zhǎng)及生化成分變化最重要因子之一，智能補(bǔ)光對(duì)微藻類的生長(zhǎng)、繁殖、藻體顏色、細(xì)胞形態(tài)和代謝產(chǎn)物含量有著重要的影響。圖3為微藻繁殖補(bǔ)光的典型應(yīng)用。

　　2.3 水產(chǎn)誘捕

　　使用火或燈光誘捕已成為現(xiàn)代漁業(yè)的1個(gè)重要特征，研究人員利用不同顏色光對(duì)誘捕效果進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明藍(lán)光具有深水體穿透性，使用以藍(lán)色為主體的人工光源可獲得更好的誘捕效果，圖4為燈光誘捕的應(yīng)用。

　　2.4 溫室補(bǔ)光

　　目前用于溫室人工補(bǔ)光的光源有鈉燈、金鹵燈和熒光燈等，其紅外和綠光光譜成分較多，而農(nóng)作物光合作用所需的紅藍(lán)光成分相對(duì)較少，使其光能利用率低下且運(yùn)行成本較高。LED燈因其結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、節(jié)能和壽命長(zhǎng)，被認(rèn)為是植物工廠最理想的光源。利用LED點(diǎn)光源及定向照射的特點(diǎn)，將其設(shè)計(jì)成燈帶穿插于植株間進(jìn)行側(cè)面照射，并通過LR可控與智能控制技術(shù)及自動(dòng)化手段的結(jié)合應(yīng)用，在戶外溫室利用太陽(yáng)光和人工光互補(bǔ)，提高光利用率并滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求，使植物在的最佳模式下生長(zhǎng)。圖5為L(zhǎng)ED補(bǔ)光在溫室的典型應(yīng)用。

　　另外，根據(jù)植物細(xì)胞具有全能性的理論，利用植物離體的器官或細(xì)胞原生質(zhì)體，在無菌、光照及溫度適宜的人工培養(yǎng)條件下進(jìn)行植物組織培養(yǎng)（即離體培養(yǎng)），通過誘導(dǎo)出愈傷組織、不定芽及不定根最后形成完整植株。試驗(yàn)表明，應(yīng)用智能控制系統(tǒng)對(duì)黃瓜、番茄、甜椒和油菜等幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著影響。

　　3、市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)

　　2012年日本Mitsubishi公司就開始銷售LED照明植物工廠系統(tǒng)，俄羅斯圣彼得堡市Mir Upakovki公司購(gòu)買了其首套設(shè)備。2014年P(guān)hilips攜手美國(guó)芝加哥農(nóng)業(yè)企業(yè)Green Sense Farms（GSF）建立了全球最大室內(nèi)LED補(bǔ)光應(yīng)用農(nóng)場(chǎng)，針對(duì)不同植物品種建立LR數(shù)據(jù)庫(kù)，通過LR的應(yīng)用完善了數(shù)據(jù)庫(kù)，使農(nóng)場(chǎng)植物在1年中會(huì)有 20～25次采收。另外，SHARP在迪拜建設(shè)并運(yùn)行的草莓植物工廠實(shí)驗(yàn)樓，引進(jìn)先進(jìn)電子技術(shù)，使用包括LED補(bǔ)光控制技術(shù)以及基于等離子簇技術(shù)的空氣管理技術(shù)等，針對(duì)草莓在沙漠等地方的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行研究，試驗(yàn)成功后考慮將業(yè)務(wù)拓展至中東及其它地區(qū)。

　　我國(guó)也在積極策劃建成1座新型植物工廠，并打造成為具有代表性的全國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范基地。建設(shè)無土栽培、墻式栽培、多層水培、空中栽培和魚菜共生等一系列具有特色的園區(qū)，集觀光游覽、技術(shù)展示、科普教育于一體的現(xiàn)代高科技農(nóng)業(yè)精品主題植物生產(chǎn)教育基地。無論從促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展角度，還是節(jié)能環(huán)保的角度，大力推廣LED及其智能控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用都具有重要意義，而農(nóng)業(yè)地位以及其發(fā)展需求也為L(zhǎng)ED照明業(yè)提供了發(fā)展機(jī)遇。

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境急劇惡化、土壤污染嚴(yán)重及耕地大量減少，農(nóng)業(yè)用水受季節(jié)影響明顯等需要有相應(yīng)的系統(tǒng)方案來解決。我國(guó)智能控制農(nóng)業(yè)照明技術(shù)水平較發(fā)達(dá)國(guó)家低，須增加資金投入，加強(qiáng)研究力度，以提升企業(yè)及行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力，并形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化體系機(jī)制，將農(nóng)業(yè)用智能控制照明納入國(guó)家農(nóng)業(yè)裝備購(gòu)置補(bǔ)貼目錄，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位在購(gòu)置智能控制照明產(chǎn)品時(shí)能夠享受到國(guó)家政策性支農(nóng)財(cái)政補(bǔ)貼，同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)的升級(jí)改造，促進(jìn)智能控制農(nóng)業(yè)照明的健康發(fā)展。