LED植物补光系统控制研究进展

李 东,郭伟玲,尹 飞

(1.北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室，北京 100020；2.北京锐思恒业光电技术有限公司，北京 100020)

引言

发光二极管 (light emitting diode，LED) 是一种半导体发光器件，如今的LED技术越来越成熟，因此为发展LED植物补光技术提供了良好的条件。近年来，采用LED作为光源的植物补光技术受到广泛关注。相比于白炽灯、高压钠灯等传统的人工光源，LED 光源不仅具有较高的光电转换效率、体积小、寿命长、响应时间快、能耗低、安全性好、光谱范围窄等优点[1-4]，而且光谱易于调控和组合，可以实现植物光合作用吸收峰和 LED 光源光谱完全吻合[5]，这些优点大大促进LED在植物补光技术中的发展。近些年，关于LED植物补光系统的研究有很多[6-13]。杨其长[14]在2006年进行对LED节能光源利用型人工植物工厂的研究，设计了一座 20 m2的小型人工光植物工厂试验系统，光源一半采用 LED，另一半采用荧光灯，系统由计算机对室内环境要素和营养液进行自动检测与控制，为我国植物工厂的研究奠定了基础。2013年，Olvera等[15]利用FPGA技术去控制红光LED和蓝光LED分别发出不同频率和脉冲宽度的光，并在PWM占空比为50%条件下，对番茄生长的情况进行比较，结果分析发现低频率光下的番茄生长状况相对较好。2013年，周益民等[16]设计了一种基于LED的温室补光系统，此系统用单片机STC12C5A60S2作为控制核心，LED光源采用红、蓝、远红、紫外LED的组合，通过调节PWM信号的占空比实现对光质的调节，此系统具有针对性强、光效高且稳定性高的优点。2016年，Miyoshi等[17]开发了一种简单、实时地估算植物冠层表面光强分布的Android应用系统，对冠层光合光子通量密度(PPFD)分布进行了半自动分析，利用Android平板电脑获取的反射图像构建人工光照下的冠层表面PPFD直方图，并将此系统应用于补光技术中，通过提升光照的控制效率来提升农作物生产。2016年，鲍建宇等[18]针对传统植物补光控制器的功能不足的问题，设计了一种基于MSP430F149低功耗单片机, 结合ZigBee无线传感器网络技术的新型植物LED补光控制系统，该系统为植物提供了一种低成本、智能化的LED补光控制方式。

本文主要介绍LED植物补光控制系统的研究现状，其中包括 LED植物补光技术的原理和结构、驱动调光，最后介绍其最新的研究进展。

1 LED植物补光系统的原理和结构

LED植物补光技术是以LED作为发光体，可以在缺少太阳光的环境下，为满足植物光合作用提供所需要的光照条件，使植物能够正常或者更好生长发育的一项技术。LED作为发光源，它比传统的人工光源有着很多无法比拟的优点，包括效率、寿命、能耗、光谱范围等方面。在一个经典的LED植物补光系统中，如图1所示，主要有传感器模块、控制器模块、电源模块、LED驱动模块以及LED光源阵列模块。传感器的作用是监测环境光照的情况并将数据经过数模转换后传递给控制模块，控制模块会根据传感器传递来的信息制定补光控制策略，控制模块大都会使用单片机作为控制核心，会根据设定参数及传感器模块采集数据调节PWM控制信号的占空比，LED驱动模块主要用于驱动LED光源阵列发出不同强度和光质配比的光，电源模块则为整个系统进行供电，维持系统的正常运行。LED最简单的控制方式就是手动控制，通过人工开关来控制LED的发光强度和光质配比，这种方式比较繁琐，需要根据种植者的经验进行调节，这种方式往往会造成光质不匹配、光照不足或过度等现象，这种手动控制的补光系统一般运用在传统的温室大棚中。还有一种控制方式是定光质和光强，需要预先对控制器进行程序编写，控制器会按照预期的方式去控制LED光源阵列，这种方式缺少灵活性，无法满足同一植物不同生长阶段的生长需求。随着补光技术的发展，现今使用最多的智能控制手段会依据植物的生长需求自动对光照强度进行调整，以满足植物生长的不同阶段的需求，这种方式比较精确化、智能化。

图1 LED植物补光系统结构图

2 LED植物补光系统的驱动调光

在一天中不同时间段植物生长对光的需求是不同的，因此，LED的驱动调光对设计 LED 植物补光系统是很重要的，它也可以在给植物提供充足光照的前提下实现高效节能。LED 的低电压驱动以及良好的易控性也使 LED 灯具的调光相对于传统人工光源更容易实现。常见的驱动调光方式有两种，分别是模拟调光和PWM调光。

1)模拟调光。这种调光方式通过改变流过 LED 的电流来改变LED的亮度，在一定范围内电流的增大会提高亮度。LED 输出相对光强与正向电流的关系如图2所示，以 350 mA 电流为LED的额定电流，在100～350 mA的范围内，正向电流增加，输出光强也随之增大。所以，通过改变正向电流的方式很容易控制 LED的亮度。但这种方式有个弊端那就是改变LED亮度的同时LED的光谱和色温也会随之改变[19, 20]，光谱的改变必然也会带来光波长的改变，波长的改变对植物生长是有重要影响的。这种调光方式在 LED 植物生长系统的设计中并不适用，比较适用于低成本、精确度要求不高的调光应用中。

图2 正向电流与输出相对光强间的关系

2)PWM 调光[21]。又称脉冲宽度调制调光，它是一种通过调节脉冲恒流源的脉冲宽度而调节 LED 亮度的调光方法[22]。如图3所示，假设脉冲的周期为tpwm，脉冲宽度为ton，那么通过的占空比D为ton/tpwm。改变占空比D就可以改变 LED 的亮度。PWM 调光模式又可以分为正调光和负调光两种模式。正调光模式下，占空比D越大，LED的亮度就越亮；对于负调光模式，占空比D越大，LED的亮度就越暗。

图3 占空比D与电流ILED 的对应关系

在进行PWM 调光时，需要提供一个额外的脉冲宽度调节信号源。通过改变输入脉冲信号的占空比来调制LED 驱动芯片对功率场效应管的栅极控制信号，从而达到调节通过 LED 电流大小的目的。这种调光技术的优点在于应用简单、效率高、精度高并且调光效果好。缺点在于如果PWM的调光频率设置为200 Hz～20 kHz，容易产生人耳容易听到的噪声[23]。

3 LED植物补光的控制系统研究进展

近年来，由于植物补光技术的快速发展，LED补光控制系统也发生了巨大的变化，早期的开关控制LED，通过观测作物生长的各项因素的变化，并且结合种植者的经验，对LED进行手动调节，这就限制了作物的出产率，降低了土地利用率，并且对于种植者的经验要求较高，稍有不慎就会造成经济损失[24]。定光质、定光强的控制方式，也不能满足同一植物在不同生长阶段或不同植物生长的光照需求。针对这些问题，迫切需要优化补光控制系统，近些年大量研究采用智能控制技术来对LED植物生长补光的光质、光强、光周期进行调控，从而获得高性能的LED植物补光系统。

3.1 单体LED 植物补光系统的控制

单体LED植物补光系统将光照强度作为控制因子，通过光照传感器传递来的数据对LED进行调控。2017年，陈方圆等[25]采用模糊控制算法设计一种LED植物补光照明系统，进行了控制算法的优化，该系统实时检测植物生长环境下光强度的变化,控制核心通过模糊控制算法动态调整产生不同占空比的PWM信号进而去调整由0.2 W贴片RGB灯珠组成的红、蓝、绿LED阵列的光强度，如图4所示。系统还加入LabVIEW上位机软件，用于设定和观察植物的所需PFD和光质比例。该系统试验于生菜，上位机设定生菜所需的PFD值为220 μmol·m-2·s-1，如图5所示，生菜PFD变化误差能够控制在±0.5 μmol·m-2·s-1，可见此系统能够对植物不同生长阶段准确、稳定补光。

图4 模糊控制器原理框图

图5 生菜PFD变化曲线

2018年，He等[26]基于并行粒子群算法设计了温室LED植物最优补光系统, 如图6所示，此系统根据专家系统和并行粒子群算法推算出最优补光量以及补光位置，系统选用内含接收模拟调光和PWM信号的DIM接口的PT4115降压恒流源驱动LED补光设备。所选用LED灯组内的红、蓝比例为5∶1, 其中设置红光的阈值为3 000 lx, 蓝光的阈值为600 lx。图7显示的是某天的光照度状况,数据中包含1天内每2 h的补光状态, 通过专家系统可以更加直观地掌握温室内光照度的变化情况。

图6 系统硬件结构图

图7 数据查询结果

2020年，鞠红艳等[27]设计了一种微型植物工厂LED多光谱补光系统。如图8所示，该系统主控制器选用高性能、低功耗的ARM微控制器，通过通信接口发送PWM控制信号,降压恒流驱动模块选用高效率、外围电路简单的XL4005E1，并且电路内设有一个常规按键和复位开关,可以用于手动PWM调制。LED灯板选用规格为3 W的大功率贴装式LED灯珠,照射角为120°,包含365～940 nm共25种不同波长的灯。该补光系统可从这25种不同波段的光谱自由选择,实现LED光谱自由拟合。

图8 主控制器应用原理结构

2021年，丁梦寒等[28]采用改进单神经元PID控制算法和模糊算法对传统温室大棚补光存在能耗高和智能化程度低的问题进行优化，如图9所示，LED驱动电路添加功率因数校正电路对电源进行功率校正以便节约电能，控制电路利用单神经元智能算法控制MOS管的通断来调节LED的光照度。此设计对番茄进行了试验，与自然补光相比使产量提升了25.7%，生长周期缩短了12天，能耗降低了23.2%。设计的LED功率因数校正电路将功率因数由0.524提高到了0.989，有效提高了LED的电能转换率。

图9 LED驱动电路结构

3.2 智能型 LED植物补光系统的控制

智能型LED 植物补光系统相比于单体 LED 植物补光系统来说，具有系统性好、范围广的优点，适用于较大种植面积的植物生长补光，智能型系统引入了温度、湿度、CO2浓度等环境参数作为控制因子，使系统更加具有合理性和科学性，是大规模种植农业的发展方向。

2012年，徐秀知等[29]设计一种基于CPLD的全数字智能LED植物补光灯控制系统,该补光系统由控制盒、智能驱动器及LED植物补光灯头组成,如图10所示，智能驱动器PWM产生模块产生不同占空比的PWM信号来控制LED植物补光灯头，有效地控制红、蓝 2 种 LED 达到预设的光照度值，满足植物照明系统按需补光的要求。

图10 智能驱动器分模块框图

2015年，Li等[30]设计一套LED照明的温室监控系统，该系统基于LabVIEW的上位机与控制器的结合，实现了对温室的监控。控制器动态调节PWM信号，使光照下植物的光子通量密度(PFD)值保持恒定，并实时检测红、绿、蓝波段的PFD和温度、湿度，并在上位机界面上显示检测信息，同时系统还实现了温湿度阈值范围的智能调节。

2018年，Fan等[31]设计了基于植物专家系统的智能LED光照控制系统，如图11所示，该系统以单片机为核心实时设定最适宜的各色光照度配比，由PWM信号控制发光模块各色光的光照度。光照度控制采用闭环自动控制的方法实时反馈给单片机, 可实现光环境的低能耗、高精准自动调节以及环境温湿度的自动控制。

图11 光照度控制方案

2019年，马州生等[32]设计用于植物生长的LED光强自动调节系统，如图12所示，此系统采用STC系列单片机作为控制核心,其内部具有2路PWM输出口, 可分别用于控制2个LED光源, 非常适合植物蓝光、红光控制。该系统选择番茄进行试验，如表1所示，分别使用自然光、固定光强LED和自动调节补光系统为番茄提供光源，可见LED光强自动调节系统的各项数据均明显高于另外2种补光方式。此系统依据监测模块对LED的发光强度进行动态调节。

图12 系统基本架构

表1 番茄产量比较

2021年，Zhang[33]设计了基于Zigbee无线网络通信技术的LED植物照明系统。系统包括LED植物补光灯控制盒和LED植物补光灯，系统是以控制盒为核心，通过Zigbee无线网络将所有植物生长灯加入网络，实现统一控制。如图13所示，智能驱动器采用PWM控制方式来改变灯具的光谱特性并且接收LED植物灯控制盒发来的设置参数，执行相应的指令。图14给出了智能化 LED 植物照明控制系统程序流程图，系统可以提高系统的光能利用效率、节约电能，实现智能化控制。

图14 系统程序流程图

4 结论

LED植物补光技术还在不断地优化以追求最优的系统，一些光质配比和光照强度的问题仍需要去解决。基于此本文分析了LED植物补光控制的研究进展，总结出了近几年研究采用合理控制技术手段，研究可发现植物补光系统通过控制模块产生PWM信号作用到驱动调光模块，精准控制LED光源，现今研究大都选用单片机去控制，根据植物生长需求完成程序设定以及植物的光质配比。一些研究加入专家系统和Zigbee无线网络通信技术等去优化系统，智能型系统还引入多种控制因子，实时接收各类传感器传递来的信号进行调节，能够更好地满足植物生长需求。这些研究为LED植物补光技术的发展提供了参考。我们相信随着广大的农业科学工作者与LED植物补光技术研究者的密切合作和交流，植物补光系统会广泛地应用到农业生产中去，相信今后系统的性能也必将更加高效节能。