3 大策略最大效果發(fā)揮農(nóng)業(yè)照明的作用

　　智能照明引入植物生長補光使得可以根據(jù)不同植物的生長周期，進(jìn)行遠(yuǎn)程化、封閉式、全過程地智能監(jiān)控與操作，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)工業(yè)化，自動化，智能化。

　　1、智能控制推動農(nóng)業(yè)照明新發(fā)展

　　植物雖然可以吸收利用的光線具有較寬光譜范圍，但也具有特定的光譜響應(yīng)曲線。如圖1所示，與人眼光譜光視效率曲線V(λ)相似，不同的植物可能也存在不同光譜響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，在400~500 nm之間存在1個吸收峰，在600~700 nm存在1個吸收峰，也就是通常認(rèn)為的紅橙光和藍(lán)紫光對于植物生長具有積極意義。

　　農(nóng)業(yè)照明不是近年來才有的新事物，傳統(tǒng)的植物補光早在LED大規(guī)模應(yīng)用前就存在，光源通常采用氙燈，熒光燈，高壓鈉燈或金鹵燈等。雖然有意在植物的吸收峰上增加譜線，但效率仍然不高，植物生長補光或者全人工光種植的植物需要消耗大量的照明用電，而過多的光輻射或是無法被植物利用的光輻射都是能源的浪費。

　　LED智能照明系統(tǒng)的推廣促進(jìn)了農(nóng)業(yè)照明的二次發(fā)展。近年來，大量的LED植物生長燈推向市場，仔細(xì)分析光譜差別不大，不論哪家的產(chǎn)品理論上都比傳統(tǒng)光源的系統(tǒng)效率大大提高。經(jīng)典的示范工程完成后，鮮花和掌聲卻不能換來持續(xù)的訂單，原因還是在于LED植物補光系統(tǒng)成本太高，如何讓普通農(nóng)戶可以承擔(dān)得起初始投入，讓基層農(nóng)技部門的推廣植物補光系統(tǒng)的熱情如推廣優(yōu)質(zhì)化肥和種子一樣，是照明行業(yè)必須關(guān)注和解決的。

　　2、改良型傳統(tǒng)光源降低系統(tǒng)成本

　　LED植物補光光源通常根據(jù)不同植物的需要，采用不同數(shù)量比例的藍(lán)光LED與紅光LED組合而成。光譜如圖2中的虛線所示，調(diào)光方式有采用紅藍(lán)光等比例降低或升高，也有采用分組控制藍(lán)光與紅光模塊。熒光燈是由253.7 nm紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光，故而其初始比例確定光譜分布，調(diào)光只能是等比例調(diào)光，但可以根據(jù)圖1中植物光合作用曲線來合理匹配熒光粉配比和用量，使得熒光燈光譜與植物生長所需光譜相接近，如圖2中的實線所示。

　　對比圖2與圖1可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過光譜匹配的熒光燈在光譜分布上更接近植物光合作用光譜響應(yīng)曲線，理論上效率會更高。理論上，LED可以很好地匹配植物所需光譜，但LED的單色性好和光譜窄在這里成為其弱點，僅430 nm藍(lán)光和630 nm紅光無法滿足實際光譜調(diào)制需求，但增加部分其他波段LED又提高了系統(tǒng)成本，而熒光燈光譜就可以一定程度上展寬，提高利用效率。

　　就系統(tǒng)效率而言，最簡單直接的方式就是比較光輻射功率，圖2中實測40.4 W的熒光燈光輻射功率為11.1 W，轉(zhuǎn)化效率為27.5%，實測13.4 W的LED光輻射功率為1.7 W，轉(zhuǎn)化效率為12.7%。從光輻射功率來看，如下表所示經(jīng)過光譜調(diào)制的熒光燈轉(zhuǎn)化效率更高。

　　曾經(jīng)提出的使用光合成有效輻射通量(PARflux)可更為準(zhǔn)確地表述植物生長燈光質(zhì)，如式(1)所示。

　　其中Bp(λ)為植物生長光譜響應(yīng)曲線，KBp為與Km相對應(yīng)，是1個與光度學(xué)歸一化相關(guān)的參數(shù)，其數(shù)值大小與Bp(λ)的峰值有關(guān)。

　　同時，為體現(xiàn)光照周期對植物生長的影響，在實際評價照明環(huán)境時應(yīng)該引入時間參量t，即使用光合成有效輻射劑量(PARenergy)來表征，量綱相當(dāng)于能量單位焦耳(J)如式(2)所示。

　　為同時體現(xiàn)光譜分布，光照時間以及光照強度這3個變量的作用，將式(2)改寫成式(3)，采用光合成有效輻射劑量密度來更真實地表達(dá)植物不同生長階段所需的光照總量。在植物生長補光照明系統(tǒng)或是純?nèi)斯す夥N植的照明系統(tǒng)中可以作為植物生長精細(xì)化操作的參考依據(jù)，從而提高系統(tǒng)效率。

　　3、調(diào)光策略是農(nóng)業(yè)智能照明核心

　　對于遠(yuǎn)程化、封閉式、全過程的智能植物補光照明系統(tǒng)，根據(jù)式(3)可以很容易地進(jìn)行變量設(shè)定，共有3個變量需要設(shè)定，即P(λ)植物補光光譜，Bp(λ)植物生長光譜響應(yīng)曲線，t時間。其中P(λ)應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)手段已經(jīng)完全可以解決，即根據(jù)需要調(diào)節(jié)植物生長光源的光譜、強度，關(guān)鍵在于Bp(λ)及t的預(yù)設(shè)及調(diào)整。

　　根據(jù)所種植植物的種類可以大致預(yù)設(shè)1個Bp(λ)初始值，但不同生長周期Bp(λ)的調(diào)整以及所需照射時間t的控制根據(jù)實際種植情況而有所不同，可以采取圖像處理方法與預(yù)設(shè)軟件進(jìn)行比對判斷，另外也可通過遠(yuǎn)程在線的方式由專家指導(dǎo)控制。采用目前市場上現(xiàn)有的設(shè)備，即可搭建1個智能植物補光照明系統(tǒng)，如圖3所示。

　　其中，光源可以根據(jù)終端指令實時調(diào)光調(diào)色，光劑量計可以實時反饋光照參數(shù)以便對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，植物生長情況由相機(jī)實時傳回，用以分析生長情況并決定補光策略。該系統(tǒng)的硬件搭建相當(dāng)簡單，只是機(jī)械地組裝和拼湊，所有元件都可以直接采購，而其重點及難點在于后臺的軟件平臺支持，可以是在線模式支持，也可以是離線軟件包支持，如果再加上水、氣、溫等多元素的加載控制，那么1臺終端即能控制整個植物工廠也不是天方夜譚，至少對于光照而言，通過現(xiàn)有技術(shù)手段實現(xiàn)毫無困難。

　　農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)牽涉到光源、燈具、控制，這些技術(shù)手段可難可易，只要成本控制在農(nóng)民可接受范圍內(nèi)，這些問題就都是可解決的。只有針對性地注入調(diào)光策略，才能使得智能照明系統(tǒng)具有生命力，這是多單位多專業(yè)合作才能完成的課題。實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，就目前技術(shù)及成本而言，LED農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)進(jìn)入大規(guī)模民用推廣似乎還不太現(xiàn)實。采用光譜改良型熒光燈與LED相結(jié)合的模式，大批量采用價格優(yōu)勢明顯的熒光燈，配以少量過程光譜調(diào)制的LED光源，降低綜合系統(tǒng)成本可能是推廣農(nóng)業(yè)照明的1條可行途徑。

　　4、小結(jié)

　　農(nóng)業(yè)植物補光照明這一特殊應(yīng)用產(chǎn)業(yè)方興未艾，互聯(lián)網(wǎng)+的時代也已經(jīng)襲來，智能照明在植物補光系統(tǒng)照明的嵌入應(yīng)用能將植物補光照明推向更高的層面，從而實現(xiàn)植物生長光照的精細(xì)化管理，對提高現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有積極意義，其蘊藏的市場潛力待有識之士及業(yè)界同仁共同開拓挖掘。