LED植物照明智能化控制策略分析

　　植物工廠已被國際上公認為是設施農(nóng)業(yè)的最高級發(fā)展階段，是未來設施園藝發(fā)展的必然趨勢，是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術發(fā)展水平的重要標志之一。與露地農(nóng)田系統(tǒng)相比，植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)具有更高的可控性和穩(wěn)定性，在解決世界資源、環(huán)境與糧食安全問題，應對氣候變化和極端天氣災害方面具有重要價值。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠兩種。但國際上狹義的植物工廠定義是指人工光植物工廠。

　　人工光植物工廠的內(nèi)在本質(zhì)技術特征包括四點：(1)植物生長發(fā)育所需的環(huán)境因子智能可控，如溫度、濕度、CO2濃度、光照、氣流等;(2)植物栽培采用無土立體多層栽培模式，一般采用DFT、NFT、霧培及半水培方式進行水肥一體化供給與控制;(3)電光源人工光照技術，通過電光源為植物提供光合作用能量和光環(huán)境信號;(4)維護建筑結構為全封閉式，密閉性強，不透光，隔熱性好。生產(chǎn)要素的智能控制是植物工廠最為本質(zhì)的特征，它以第四點為前提條件，涵蓋了上述前三點的本質(zhì)技術特征。當然，植物工廠技術的發(fā)展不是短期形成的，它是工業(yè)技術和農(nóng)業(yè)技術發(fā)展共同作用的結果。歸納而言，植物工廠的發(fā)展的技術基礎包括以下三點。其一，礦質(zhì)營養(yǎng)學說的提出及化肥工業(yè)的發(fā)展，孕育產(chǎn)生的立體無土栽培技術;其二，計算機與傳感器技術的發(fā)展，使環(huán)境因子與養(yǎng)分監(jiān)測控制成為現(xiàn)實;其三，半導體電光源技術的發(fā)展，促進了人工光照技術的發(fā)展，擴展了光環(huán)境控制的內(nèi)涵。當前，作為植物工廠所有環(huán)境因素都實現(xiàn)了自動檢測、儲存分析和智能控制，發(fā)展智能型植物工廠的時機已經(jīng)成熟。

　　1植物工廠光環(huán)境智能控制必要性

　　智能型植物工廠生產(chǎn)運行不僅要求環(huán)境因子控制、水肥供給與調(diào)配控制的自動化，也需要在育苗、移栽、采收等生產(chǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化操作，減少人為活動對生產(chǎn)空間的干擾與污染。植物工廠運行及生產(chǎn)的智能化管理與控制都需要消耗電能。人工光植物工廠的能耗構成包括光源、空調(diào)、泵動系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)等。就人工光植物工廠而言，能耗最大的是光照系統(tǒng)，占總能耗的60%以上;其次是空調(diào)系統(tǒng)，占30%以上，其余管控系統(tǒng)消耗能源相對較少。目前，運行能耗成本已成為植物工廠運行成本的構成主體，是植物工廠運行成本居高不下的重要原因。因此，減少光照系統(tǒng)的能耗，已成為植物工廠節(jié)能增效的主要途徑。

　　發(fā)光二極管(Light-emittingdiode，LED)是半導體固態(tài)光源，是熒光燈等傳統(tǒng)植物工廠光源的理想替代品，節(jié)能效果明顯。為重要的是，LED半導體照明技術的發(fā)展為植物工廠光源節(jié)能和環(huán)境智能控制提供了硬件條件，其最大節(jié)能潛力就是實現(xiàn)了光質(zhì)、光強和光周期的智能化控制。同時，光照作為調(diào)控植物生長發(fā)育與產(chǎn)量品質(zhì)形成的有效環(huán)境因子，光環(huán)境調(diào)控對提高人工光植物工廠生產(chǎn)效益至關重要。目前，植物工廠存在LED光源能耗高、光能利用率低、光環(huán)境精準控制技術缺乏等突出問題，開展植物工廠主要園藝作物光環(huán)境優(yōu)化參數(shù)與控制模式研究是削減LED照明系統(tǒng)能耗，增加生產(chǎn)效率的必由之路。

　　2植物工廠光環(huán)境智能控制策略

　　植物工廠光環(huán)境控制是通過LED光源、傳感器、計算機組成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，其目標有兩個。其一，節(jié)能;其二，植物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。植物產(chǎn)量品質(zhì)響應是植物工廠環(huán)境控制調(diào)控的目標核心，因此植物生長發(fā)育所需要的光環(huán)境參數(shù)是植物工廠光照技術的依據(jù)，也是光環(huán)境智能控制的生物學基礎。因此，基于LED半導體照明技術，植物工廠光照節(jié)能增效的主要方法就是基于植物的光環(huán)境需求特性及時空特征，建立針對性的光照配方(Lightingrecipe，LR)和光環(huán)境控制策略(Lightenvironmentcontrolstrategy，LECS)[4]，通過計算機實現(xiàn)自動管控，這樣既能最大程度地提高植物的生產(chǎn)力，也能使光照有的放矢，避免盲目性無效光照造成的能源浪費。提高植物工廠生產(chǎn)力是增加植物工廠生產(chǎn)效益的主要途徑。LR是指以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標，人工光植物工廠內(nèi)所栽培特定植物種類及品種生長發(fā)育各階段所必需的光質(zhì)組成及其數(shù)量屬性的參數(shù)集合。LECS是指以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標，以人工光植物工廠內(nèi)所栽培特定植物種類及品種生長發(fā)育各階段LR為基礎通過計算機直接控制和切換光環(huán)境參數(shù)的方法。LR所含的光質(zhì)種類包括可見光、UV和遠紅光，其中紅光和藍光是植物所需的大量光質(zhì)，而其它可見光為植物所需要的微量光質(zhì)，而UV和遠紅光為植物所需要的有益光質(zhì)。LR的核心是光質(zhì)組成及其數(shù)量屬性，三類光質(zhì)的合理特定組合搭配構成了一個LR。

　　光環(huán)境調(diào)控植物生長發(fā)育是通過改變光質(zhì)質(zhì)量屬性，以及光強和光周期數(shù)量屬性，調(diào)節(jié)光合色素、光受體作用來影響碳氮代謝來實現(xiàn)的[5、6]，調(diào)控機制見圖1。不同的植物種類甚至品種對光環(huán)境的要求都存在一定差別，因此需要系統(tǒng)研究建立植物LR和LECS。植物工廠特定植物的LR確定要以植物生長發(fā)育階段為中心，以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目的，通過研究確定不同階段植物所需要的最佳光環(huán)境參數(shù)來獲得的。LR是光源和光環(huán)境智能控制的基礎，建立LR及LR庫是植物工廠節(jié)能高效生產(chǎn)的前提。以LR為基礎，研制LED光源，建立LR時空轉(zhuǎn)換控制策略和時間節(jié)點，即光環(huán)境控制策略(LECS)，以協(xié)調(diào)光質(zhì)、光強和光周期的轉(zhuǎn)換，是實現(xiàn)植物工廠優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提(圖2)。LECS的實施需要LED光源燈具以及控制系統(tǒng)軟硬件條件來支撐。

　　基于LED照明技術，實現(xiàn)了植物工廠光環(huán)境的智能管控，解決了植物工廠環(huán)境因子控制的最后一關。光照的智能化管控標志著智能化植物工廠及其智能化生產(chǎn)成為了現(xiàn)實。

　　3結束語

　　光照及光環(huán)境的智能化控制是人工光植物工廠最后實現(xiàn)的一個環(huán)境因子，具有里程碑式的意義。LR及LEMS的建立不僅可為光源的節(jié)能提供技術參數(shù)，更為植物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供了光環(huán)境調(diào)控手段。LR及LEMS技術的建立為人工光植物工廠的可持續(xù)發(fā)展提供了新的技術支撐。建立和LECS是實現(xiàn)植物工廠節(jié)能高效生產(chǎn)的重要技術支撐。同時，結合LED光源空間管理技術，如垂直與水平光源移動技術，以及燈具上表面、下照射表面及側(cè)面的光反射技術，可有效提高植物工廠的光能利用效率。兩種技術的有機結合將大幅提高植物工廠光照的利用效能。