點擊上方藍字關注我吧！
馬稚昱副院長“現代設施農業植物光環境調控技術及應用”直播回放 在我們云講堂之前的直播中，有嘉賓分享過設施園藝的全程機械化解決方案，而除了機械化以外，環境因素在設施農業中也是扮演著重要的角色，而其中光環境更是重中之重。所有的農業作物都離不開光照環境，設施環境中的作物也一樣，而且對光照的要求更是精準和高質量。 現代設施農業光環境包括了光照強度、光照時數、光質、光照分布等的組成要素，光環境調控是設施農業中僅次于熱環境調控的另一個重要措施，所以都說“有收無收在于溫，收多收少在于光”。 在自然光照形成的設施光照環境基礎上，進行對室內光照條件適當地限制、補充和有目的地調節與控制，可以在充分利用自然光照前提下，營造有利于作物生長全過程的良好光照環境，能夠使溫室周年生產各種不同的園藝作物，滿足市場的供應以及其他需求。 今天 “AI?農業智匯云講堂”的第二十四期，主題是“現代設施農業植物光環境調控技術及應用”。直播嘉賓是仲愷農業工程學院機電工程學院馬稚昱副院長。
“有收無收在于溫，收多收少在于光”，從中可以看出在植物生長過程中，光扮演著非常重要的角色，今天馬稚昱副院長從以下四個方面進行分享：
植物生長光環境調控的生理基礎 設施農業產業的效益提升在于環控技術的提高，在設施生產中的主要對象是植物，整個設施植物調控的部位主要集中在冠層和根區，這兩個部位上發生植物的物質、能量、信號等的吸收、反應合成、傳遞遷移等生理過程。因此整個設施生產過程中，從節能的角度考慮，那就是冠層和根區的調控更加直接與高效。 而在冠層和根區的調控中，主要包括環境因子優化調控和植物生理適應性調控；根區的調控目標主要是優化植物根系活力、根系吸收等生理過程；冠層的調控目標主要是植物健康和環境因子優化，優化植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰速率等生理活動。 從中可以看出植物冠層和根區調控核心的指標就是環境中的光照和地下的營養。所以在植物生長的反應調控過程中，光照和營養的供給均一性主要受栽培系統、營養液系統和光照運行系統設計與運行質量。 本次從設施光照運行設計和相關技術展開。
設施農業人工光系統的組成
在設施農業光反應系統的類型中，尤其在現代設施農業中，光環境調控主要有兩類：
太陽光型
太陽光型：可通過遮擋、覆蓋材料、補光等方式調控設施內光環境。（被動地調控）
人工光型
人工光型：可控的，受電光源特性和人為控制雙重影響，可呈現出穩定恒一的單一固定光照模式，也可呈現波動動態光照模式。（主動可控，完全可控）
經過十多年的研究，這類人工光型建立起了以紅藍光為主的光源、光質組成的根本特征。在整個光環境中，出于對健康的影響，通常會回避藍光的直接視覺顯示，因此近年來出現了在藍光芯片中增加熒光粉衍生出來的白色LED光源裝置，這種進一步組合就能組合出來白+紅、白+綠、白+紅+黃等多種LED組合光源裝置。
以紅藍組合光譜完全可以代替連續自然光進行植物栽培，這已經在設施組培、葉菜、果菜以及草莓等實際生產中得到了廣泛的驗證。
所以在設施農業光環境調控中，LED光源除了本身具有的光質純、節能、耐用、光譜調控、冷光源等優勢外，作為設施農業專用電源，還要達到高效運用的目的：
01
滿足植物生長需求；
02
能夠智能調控光質、光強、光周期組成；
03
最大程度讓植物葉片獲得短距離傳輸的垂直光照。
設施農業人工光系統的組成 光源 電器 燈具 控制器
光源控制器主要目的是給光源供電，控制光源的亮度并控制光源照明狀態(亮滅)，還可以通過給控制器觸發信號來實現光源的頻閃，進而大大延長光源的壽命。市面上常用的控制器有模擬控制器和數字控制器，模擬控制器通過手動調節，數字控制器可以通過電腦或其他設備遠程控制。
人工光系統的基本組成（美光源為例）
包括了光源、燈具、控制器部分，并且利用網絡技術對控制器進行云平臺自動控制。在設施農業光環境系統中，要根據設施農業的實際需求對配光和安裝系統進行設計，最后加上整體的配件系統，就形成了人工光系統的基本組成。
設施農業LED光源設計與應用策略
LED光源的特點 固態點光源 色彩豐富 顏色和波長
燈具總效率對照表
從上表可以非常清晰地看到LED光源在光源光效、電源效率、有效光照效率以及壽命等方面都明顯優于其他光源。因此，在LED設計中，更應該注重可控性、普適性、均勻性和高光電轉化率，盡量減少在設計過程中過多的設計造成光損失。
所以總的來講，在設施農業LED中，需要從以下幾個方面對光源進行優化設計組合：
01
LED 芯片光質構建
芯片選擇、光譜構建等；
02
LED 陣列設計
適宜光照強度分布及均勻性；
03
LED 燈具發光面性狀設計
最大冠層光能截獲率；
04
散熱系統設計
提高壽命、較好的投入產出效益。
燈珠選型
貼片型
大功率型
貼片型和大功率型LED基本參數
LED燈珠一旦選擇就決定了光源的光譜構建，所以在選擇燈珠時一定要根據植物生長需求組建不同需求的光譜。
一個高效的光譜組合是LED高效使用的基礎，選擇好燈珠以后就要對燈珠排列進行優化。
LED 陣列設計
紅藍雙的燈珠LED排列組合方案
輻射照度對比
紅藍白三色的燈珠LED排列組合方案
單線 雙線 錯位
輻射照度對比
從上圖可知，單線和雙線的輻射照度的均勻性得到了非常明顯地提高。并以此為基礎，對單線和雙線光源進行了電路管設計和燈具設計，并以市場上常用的白色植物LED等為對照，進行了實際的輻射光照強度均勻性的研究。
雙線光源
單線光源
對照組： 植物LED
從光照強度均勻性的結果中可以看到不同排列方式下，在光接受面上，光照強度均一性影響的不同。其中優化后的單線和雙線，光照均勻性明細優于常用的對照度——白色LED植物光源。也可以看到雙線設計比較合理，能夠有效提高植物光源的光照均勻性和光照效果。
不同LED植物光源對櫻桃小蘿卜生長發育的影響
單線和雙線光源比傳統LED白燈更有利于長周期和縮短櫻桃蘿卜特別是地下部生提升產量，單線處理下光源最好。
通過研究證明了通過對LED植物光源燈珠排列和光源光質組合方式的優化，可以有效提高植物光源的性能及促進植物生長，實現高效節能。
光質對金線蓮生長的影響 多糖含量
黃酮含量
光周期對金線蓮的生長影響
人工LED光源必須具備適宜的光照強度和光質調控范圍
30°傾角反光板（RG2）結構均勻度最好、光強高。
三種燈具設計
結果發現，第一種棱形懸吊方式獲得光線混合的均一性高于其他兩種方式。
通過設計光源系統可以有效改善傳統植物光源空間內光線混合不均勻、有效光能利用率不高的現象。
控制器 WIFI控制模塊 （多燈式）驅動板模塊 CO2控制模塊
軟件界面
控制模塊的終端由STM8微控芯片和CC2530Zigbee通信模塊組成，通過zigbee無線傳輸技術獲取主控終端的命令和數據，由STM8微控芯片實現數據處理和LED調光控制。
植物光環境LED智能調控裝備
云浮·羅定
南藥產業園 組培苗生產車間
LED人工光型環境智能調控系統應用研究示范基地
從以上分享中可以發現，設施農業生產中，要實現可持續發展，迫切需要一個綜合性全面智能化環境系統支撐，克服環境逆境，創造適宜的生產條件?？v觀數字農業發展歷程，光照是繼溫度、濕度、二氧化碳、氣流等環境因子之后又一個可以實現精準、智能控制的一個重要因素，采用LED人工環境調控可以很好的克服不適應光環境對植物生長的制約，對于保障設施農業優質高產、穩產，具有重要的意義。
人工光環境立體農場
馬稚昱副院長“現代設施農業植物光環境調控技術及應用”直播 ——觀眾提問集中回答
設施農業除了光環境因素外，還會受到哪些環境因素的制約呢？
在設施農業中除了光環境的制約外，還有溫度、濕度、二氧化碳、氣流、養分等，這些都會影響到植物的健康生長。但是其他的如溫度、二氧化碳、濕度以及氣流等方面實際上已經有很多的技術來實現自動、智能調控。光照這一塊也正在進行，這是一個多元素融合的項目。
您剛剛在講課中提到的LED智能調控設備在技術層面會有制約嗎？
目前根據我們的研究，在LED智能調控的制約因素主要是對植物生長狀態的實時監測，因為我們知道不同的植物有不同的生長階段，就會有不同的光環境需求。
我國在設施農業LED光源調節應用和國外一些發達國家會存在差別嗎？具體怎么體現呢？
差距還是有的，最早是日本建立了植物光型工廠，已經投入生產應用中。而我國在整個領域還需要考慮自動化，這幾年雖然也在加大力度去研究。我們雖然和日本、荷蘭有一些差距，但這是我們一直要努力的方向。
植物應該也要休息，一直開燈會不會死掉？如何確定不同植物的最大產能？讓它休息足夠，工作強度也夠。
實際上我剛剛在講課中也提到，在光環境系統里面的研究，我們主要研究了光譜的組成、光質還有光照強度，實際上還有一個很重要的因素就是光周期。因為植物生長也具有一定的周期性，一天生長當中要完成光合作用，白天通過光照吸收光能進行光合作用；夜間就釋放光能進行消化吸收，呼吸產生二氧化碳，實現能量轉化。所以在植物生長過程中不會一直開燈，一直開燈的話，植物會生長的不健康。 我們也在研究光周期的植物生長，有一個最佳的光照時間，在這個時間內，植物的生長狀態、形態構建，到營養成本都會比較明顯。這就是人工光環系統中經常提到的根據不同的植物研究光配方。因為植物也是一個比較復雜的系統，有不同的生長階段、不同的品種，它所需要的光環境就包括了光譜組成，光周期、光強都是不同的。
LED照明系統裝備其光效提升途徑有哪些呢，目前研究進展與前景您是怎么看待的呢？
我也一直在學習，關于LED照明系統的內容。實際上提高LED光效在植物生長中具有非常重要的意義。
如果有問題想繼續與馬副院長交流，歡迎在評論區下方留言或者發送郵件交流。 馬稚昱副院長郵箱： mazhiyu2002@hotmail.com
END
