植物工厂给LED照明行业带来的启示

1、植物工厂给LED照明行业带来的启示LED就是的应用大体分视觉类与非视觉类，视觉类的应用有LED照明技术，非视觉类分植物光合与医疗保健，其中，LED植物光合应用（我们称之为植物人工辐射源PARS）将是与LED照明技术一样成为LED技术最大的应用市场，本文阐述植物工厂的整体概念和技术要点，论证了尖端科技融合的植物工厂的发展，展示了植物工厂作为现代农业创新科技的应用，植物工厂从根本上改变农业种植的概念，植物工厂标志着设施农业发展的高级阶段，是最具有投资价值的新型产业。在城市内建立以生产蔬菜为目的的植物工厂成为世界各国竞相发展的新领域。1、概述植物工厂PF（Plant Factory）是农业种植工业化

2、的产物，是21世纪蔬菜种植发展方向，它标志着设施农业发展的高级阶段，是未来10年最具有投资价值的新型产业。在城市内建立以生产蔬菜为目的的植物工厂成为世界各国竞相发展的新领域。植物工厂最主要的特征是打破传统蔬菜生产模式，通过对植物光合、温度、二氧化碳浓度、营养液等实现人工控制的高效率种植，实现订单化生产，蔬菜的生产周期不会因为天气等原因而改变，生产的蔬菜是真正的安全型蔬菜，水耕法（即无土培植）是植物工厂的主要手段，层架式结构是主要形式，随着以LED技术为基础的植物人工辐射源（PARS）的应用成本进一步降低，植物工厂将迎来发展的黄金期。植物工厂成为投资热点的主要原因是：1)  种植环境恶

3、化，食品安全，医疗费用增加等对蔬菜的安全性要求增加。2) 全球气候变迁的不确定性增加，水资源减少与土地沙漠化使得传统农业遇到困境。3) 城市化进程带来的城市人口增加，蔬菜供应增大，而土地资源却不断减少。4) 传统农业生产引发的环境负担不断增加。5) 城市蔬菜供给的物流成本增加，城市蔬菜价格上升，提供了产品盈利空间。6) 为追求产量而在蔬菜种植中使用农药和防虫剂，蔬菜污染忧虑增加。7) 土地的重金属污染与浇灌用水的工业污染问题突出。8) 太阳能与风能等清洁能源的应用规模不断扩大，地热应用技术也逐步应用。9）LED技术的应用成本下降，多波段光质应用。 2、植物工厂定义植物工厂的定义：植物

4、工厂是一个采用人工种植环境，实现全年固定周期量产，实现循环订单化生产，稳定地提供无公害蔬菜的封闭的清洁生产环境。在这个环境里，植物的光合作用（光质，光量，光周期）、温度、湿度、二氧化碳浓度、培养液成分、生产过程等都可以得到计算机与传感器的有效控制，是以科学为基础且独立于经验和直觉的新型农业生产。 植物工厂的优点：1) 产品是按照订单生产，生产周期与产量可以稳定。2) 采用植物人工辐射源与温度控制系统，不受地区气候条件的影响。3) 封闭的立体化种植，节省土地资源和防止污染。4) 生产周期短，全年产量高，年产量是露天种植的4到8倍。5) 可以做到真正的无公害安全蔬菜。6) 生产人员按照程

5、序规范生产，无需专业技术。7) 工厂设置在城市内的购物区或者工业园区，减少供应物流成本。植物工厂分类：1) 按照光合作用分为两类：完全人工辐射方式和太阳与人工辐射互补方式。2) 按照种植结构又分为平面种植和立体种植。3) 按照种植方式分为土耕，水耕，雾耕。4) 按照种植规模分为小型植物工厂（小于800平方米），大型植物工厂（大于1000平方米）。大部分的植物工厂采用的是立体种植的水耕法。3、植物工厂与人造光源植物工厂与人造光源的技术发展紧密联系，植物工厂的概念是在人造光源的基础上发展而来的，最早利用人造光源进行的种植是在温室进行，其理论依据是植物光合作用的研究成果，在太阳光的可见光范围内（波长

6、范围：380nm-735nm）太阳光与人造光源的物理原理相同，只是两者的光谱形状不同，人造光源可以完全替代太阳光实现植物室内种植。白炽灯、HID、荧光灯等人造光源已经在温室种植得到了广泛的应用，不同的人造光源在植物种植的区别是对电能的利用效率不同，提高电能利用效率直接导致种植成本的下降，然而，这些早期的人造光源在植物光合作用的吸收光谱方面却无法有效的调节，植物的吸收率低，对电能的利用效率无法进一步提高。人类的技术进步总是伴随着能源利用效率的提高而发展，上个世纪九十年代初，发蓝色光的LED（发光二级管）芯片制造技术实现量产，LED照明得到迅猛的发展，LED光源引发人造光源的变革，成为照明产业的主

7、要光源，LED照明成为新一代光源的最主要特征是节能与环保， LED技术的发展对于农业种植的人造光源也带来新的进步，LED技术不但在电能利用效率提高，而且，在植物光合作用的吸收光谱控制方面也是其他光源无法比拟的，LED技术也就成为植物种植过程中的最佳选择。我们这个星球最为神奇的现象是植物创造的，植物是地球上唯一可以把太阳可见光部分的辐射能转化为有机物的生物，如果没有植物的光合作用，地球上就不会有动物和人类，植物的光合作用是依靠有机物生存的其他生命的基础。植物光合作用的研究表明，植物对太阳光不同波长的吸收是不同的，植物的光合作用主要依靠蓝光与红光这两部分进行，用人造光源代替太阳光时，最佳的人造光源

8、是可以按照植物的吸收光谱配置，目前，只有LED可以做到这一点，因为LED光源本身只能发出单一波长的光，LED光源发光波长在380nm到735nm范围内可以人为的控制，而其他光源几乎无法做到。所以，LED作为植物光合作用的人造光源是最有效的和最节能的。采用LED技术对植物光合作用的光质、光量、光周期的控制性能优于其他人造光源。 4、植物工厂的核心技术 1）、植物的光合作用实质上是对太阳辐射的光子的生物化学反应，植物的光合作用是由太阳辐射的光子产生的，所以，我们把用于种植的人造光源称为植物人工辐射源（Plant Artificial radiation sources）简称PA

9、RS，如果用“照明”概念下的流明、照度等参数标定植物的光合作用会导致应用错误，LED植物人工辐射源波长范围在太阳辐射范围内，对植物与人的身体是安全的。 2）、温度与湿度的控制在植物工厂里也起到关键作用，植物工厂要实现生产周期最小化且供货周期固定的生产模式，生产环境的温度与湿度的控制可以保证植物在最佳温度环境的快速生长，在植物工厂里温度控制也是衡量植物工厂能耗的主要指标。3）、植物工厂一般采用水培或者雾培的种植方式，这两种方式的基质是营养液，对营养液的成分指标的自动化控制也是保证植物工厂最小周期生产的主要手段，营养液自动化控制主要包括：液温、EC、ph、溶氧以及营养液成分的补充、营养液

10、的循环处理。4）、植物的光合作用吸收二氧化碳，释放出氧气，植物生长环境的二氧化碳浓度控制也是保证植物快速生长的条件之一，在植物工厂的环境控制系统中，都设置有二氧化碳浓度控制装置，同时，植物光合作用产生的氧气也需要采用过滤通风设备排出。空气过滤装置也有效防止病菌的侵入，在植物工厂里，农作物几乎没有病虫害的袭扰。5）、植物工厂的数据检测与传输采用无线网络，环境检测、营养液检测等数据需要网络技术支持，植物工厂的网络特点是距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输，是典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输应用，各种传感器与控制器大多采用控制简单、距离短、功耗小、低速率的双向

11、无线通讯技术。 5、立体种植是植物工厂的特色在植物工厂里，层架式立体种植是高效种植的另一个手段，与平面种植相比，立体种植对土地的利用率达到4-8倍，立体种植的管理效率也远高于平面种植，自动化耕种容易实现，立体种植把植物工厂引入小型化，数百平方米的小型植物工厂将是未来城市蔬菜供应的主要来源。 6、食品安全是植物工厂的目的食品安全问题是植物工厂概念的主要目的，植物工厂的产品安全性是最有保障的，植物工厂对各种食品安全指标是完全可控制的，植物工厂的生产环境是相对封闭的，内外空气交换需要过滤，基本上防止了病毒虫害入侵，植物工厂采用水培或雾培，使用的水质与营养液的有害成分的检测与控制是

12、自动化完成的，重金属等不可能出现在植物工厂的产品里，植物工厂无需使用农药与生长素，同时，植物工厂里使用的种植设备采用抗微生物材料，植物的种子是经过消毒处理，整个生产系统的微生物比传统蔬菜种植降低数千倍，植物工厂产生的蔬菜可以达到无农药、无重金属、低硝酸盐、低生物菌，植物工厂生产的蔬菜可以直接食用的，通过光质与光量的调整，可以改善蔬菜的营养与口感，植物工厂的蔬菜是全球范围内安全度最高的蔬菜。 植物工厂生产的蔬菜，由于整个生产环节都符合安全型蔬菜生产的要求，生产的产品是健康食品，植物工厂的产品都标注无农药，成为安全蔬菜的标志 7、植物工厂生产流程 在植物工厂里，植物的

13、生长环境被设计成最佳条件，植物的生长周期基本固定，植物工厂的生产流程可以重复，工人不需要了解种植知识和种植经验，只需要按照种植流程工艺进行工作，实现农业产品工业化生产模式，形成订单化重复生产。8、小型植物工厂植物工厂的缺点是初期投资大，种植品种相对少，对电力需求大，种植成本相对偏高。植物工厂几乎是按照每平方米的造价计算的，对于投资大型的植物工厂，如果没有政府资金的扶持，企业或个人难以承受；因此，植物工厂已开始朝着小型化方向发展，小型植物工厂投资小，见效快，逐渐成为植物工厂的发展方向。 上图是小型植物工厂，占地面积在200-500平方米，由于种植空间小，投资额相对小，温度调节的效率高，

14、自动化设备也可以进行简化设计，如自动化设备也可以更改为手动控制，检测设备也可以把无线数据传输改为人工巡视，不需要自动化播种设备和自动传输与采摘设备，这种小型植物工厂同样可以完成植物工厂的设计目标，小型植物工厂可以连锁方式实现规模化经营。在植物工厂里，采用植物人工辐射源、温度湿度和二氧化碳的调节，营养液的指标的控制，最终的目的是实现蔬菜的最小周期的生产，并且是不受外界的气候影响的循环生产，通常，在植物工厂生产的蔬菜的种植周期比室外种植快2-4倍，而且生产周期是固定的，在每平方米土地上，立体种植产量与平面种植产量之比是4-8倍，植物工厂的全年产量基本上是可以计算出来，这种固定产量的安全蔬菜在市场营

15、销的预期是相对准确，这为投资者带来可靠的价值评估。9、植物工厂案例植物工厂的各个功能设备是已经成熟的技术设备，并非新型科研项目，植物工厂是以高效种植为目的的各种技术组合，植物人工辐射源（PARS）是植物工厂的主要核心技术，生产安全型蔬菜是主要方向，随着LED技术的应用成本降低，植物工厂将成为城市生活不可缺少的功能设施。下面是一些植物工厂的案例10、植物工厂是多种学科的技术融合植物工厂集多种学科的技术融合，这些技术都是成熟的应用技术，这些技术的组合从根本上改变农业种植的概念，是创新型农业种植方式，是农业种植实现工业化生产的途径，只有植物工厂才能长期稳定地生产出无公害蔬菜，植物工厂的多学科技术融合

16、是为植物生长设定的最佳环境，植物工厂的生产技术是以科学为基础且独立于经验和直觉的新型农业生产，为具备工业生产与管理经验的投资者提供了新的选择，农业种植通过植物工厂被提升为制造业。 11、植物工厂带来的启示1）、从技术形态来看，植物工厂是设施农业技术进步而进入的高级阶段，实际上植物工厂发展迅速更深层的原因是环境污染与食品安全问题触发的，环境污染是推动植物工厂的最大动力，今后的环境治理只能逐步减轻环境污染的程度，即便消除了污染源，之前造成的污染降解也是需要数十年甚至上百年的时间，而且，有些污染是不可逆的，而这些污染不仅是工业污染，有相当部分是大量化肥与农药造成的污染，污染造成的产量减少与

17、种植周期加长，又进一步刺激投放更多的化肥与农药，推高了传统农业种植成本，形成恶性循环，面对环境对人类健康生活造成的影响，人类必须要找到一种高效种植方式来解决食品安全问题，这就是植物工厂在这几年发展迅速的内在原因。2）、从国外这几年植物工厂应用状况来看，最先涉足植物工厂的是大型的工业企业而非农业生产者，而且电子工业企业对植物工厂更感兴趣，这是个非常有趣的现象，这与从事电子企业本身就拥有无尘级净化生产车间，其维护与管理更是轻车熟道，植物工厂的模式符合这些企业的管理能力与资源优势；许多工业企业已经看到工业制造业的市场盈利空间变小，企业必须要寻找新的发展机遇，未来一些农业生产会带来比工业投资更高的回报

18、，有些企业本身就是植物工厂的设备制造者，同时，植物工厂所需的技术管理条件他们已经具备；管理经验与电子技术能力在植物工厂表现的尤为重要。3）、在一些国家，政府对环境保护与公众食品安全的倡导与扶持力度加大，政府对植物工厂的扶持资金甚至达到40%以上，各种资金的参与把植物工厂变成投资热点，环境保护与公众食品安全是各国政府今后的一项长期目标，投资环境长期利好，植物工厂生产的产品在市场上得到认可，被公认为无化肥与农药的安全型蔬菜，产品市场份额不断加大。4）、我国政府对农业产业的扶持也是不断加大，尤其是对于食品安全问题更为重视，植物工厂立项会得到政府的扶持资金，从政府的政策导向来看，农业是我国继工业产业高

19、速发展后又一个新的发展机遇，从价格趋势来看，工业产品的价格是逐渐降低，而农业产品的价格是逐步上升，同时，公众对无公害蔬菜的需求越来越高，产品的市场盈利空间已经初现，产品的市场盈利能力才能最终决定植物工厂在我国发展的动力。5）、植物工厂是LED技术应用的又一个大领域，以大中型城市进行保守的数据分析，大中型城市人均室内照明所需要的LED照明功率约每平方米2瓦，如果这些城市人口有4%的人消费植物工厂产品，植物工厂需要的LED总量就接近室内照明LED的总量，相信未来植物种植所需的LED应用总量会超过城市室内LED照明总量，这个巨量的LED应用市场也使得如飞利浦、欧司朗、松下、夏普等公司涉足，这个是值得

20、我国LED照明企业与LED封装企业借鉴的思路。6）、在我国与LED照明产品相比，LED植物人工辐射源的设计与制造需要更强的专业技术能力，目前，这类产品的制造商提供的产品的专业能力无法满足种植技术要求，许多都是采用照明的概念标称产品参数，此外，国内还没有专业级的植物工厂供应商，这些因素影响着植物工厂的发展，需要引起重视。7）、与植物工厂投资相比，温室、大棚应用植物工厂概念进行育苗会取得事半功倍的效果，温室、大棚内设定的人工环境下的育苗可能成为农业种植的新热点，从我们的实验结果来看，采用植物工厂生产概念的育苗方式投资小，育苗效果好，育苗周期短，苗期的干物质量明显比普通育苗高，值得大力推广。

21、0;8）、植物工厂的混合型（太阳与人工辐射互补方式）也是具有推广价值的模式，混合型植物工厂前期投资成本低，见效快，种植成本可以被市场接受，混合型植物工厂可以加快种植周期，为具备温室大棚种植设备的企业提高了盈利空间，是现阶段具有可操作性的植物工厂模式。9）、通过对蔬菜种植的营养液成分的控制，植物工厂可以生产出低钾蔬菜，低钾蔬菜可以向糖尿病人提供，我国糖尿病发病率高达11%，是糖尿病大国，低钾蔬菜具有诱人的市场前景，生产特殊的医用蔬菜可能成为植物工厂的一个市场亮点。10）、太阳能与风能的应用可以有效降低植物工厂的种植成本，我国是太阳能光伏产品制造大国，具有先天的优势，合理有效的利用太阳能与风能是加

22、速植物工厂发展的手段之一，太阳能与风能供电系统的应用也符合政府的扶持政策，此外，地热循环应用也可以为植物工厂提供降低成本的有效措施，自然能源的利用是植物工厂发展的方向。结束语：植物工厂是设施农业发展的高级阶段，是环境因素与食品安全因素推动下的产业，是LED产业应用的一个重要领域，具有巨大的市场空间，农业产业是未来10年我国最具有投资价值的产业。 分享12种植物的LED植物灯的光配方2015年09月29日 01:56 分类：LED植物灯近几年，随着农业生产力的提高，温室大棚发展迅速。传统温室大棚使用普通电光源补充光照已经不能满足人们日益增长的需求。普通电光源缺乏对具体光谱成分的分析，导

23、致光质处理不纯、光强不一致、低于植物光补偿点、照射光源能效低等问题，最终导致投入产出比不甚理想。新型的LED植物灯面世以来，因体积小、质量轻、寿命长、光强可调等优点，使其成为植物光环境调控的重要光源之一，并在节能和促进植物生长方面都具有明显的优势。厚屹节能经过不断研究，发现不同的植物生长发育需要不同的光配方，按照更合理的光配方配置LED植物灯，植物才能生长的更加完美。下面是部分研究光配比参数：（1）生菜：定植和育苗光源分别采用红蓝光 61和 71 的光源最适合其生长。（2）韭菜：红/蓝 71 处理下韭菜株高、茎粗、叶宽等质量比均显著高于其他处理

24、。（3）黄瓜：72 是适宜黄瓜幼苗生长的最佳红蓝光配比。而生长期 71 为最佳红蓝光配比。（4）青菜、空心菜：以 71 是适宜青菜、空心菜叶子生长的最佳红蓝光配比。（5）白萝卜：生长最适宜的光质：红蓝光配比 81。（6）油麦菜：红蓝光比例为 91，有利于油麦菜生长。（7）草莓、西红柿：红蓝光 91 对草莓、西红柿生长最有利，并且果实饱满且营养丰富。（8）冬青：红蓝光按照 81 的比例配置，冬青长势最好，强壮且根系也非常发达。（9）芽苗菜：以 621 的红绿蓝光配比效

25、果最明显。（10）马蹄莲：生长情况以补照红蓝光 62的比例效果最好。（11）红掌骄阳： 综合分析， 红蓝光 73 处理较佳， 有利于形态、根部生长以及干物质积累。（12）铁皮石斛：红蓝光 73，其增殖效果最好；64 时， 更有利于苗株光合作用和物质积累。 厚屹节能LED植物灯能够满足植物波长光照需求，特别适合应用于光控植物设施栽培环境，可以很好地满足市场需求，广泛应用于植物栽培、温室补光、植物组培、植物工厂，具有促进植物生长，调节植物形态建成，节能环保等多方面优势。更多植物灯详情，请关注厚屹节能

26、官方网站：植物灯 植物工厂LED照明控制系统设计与研究(5)2011-01-18 来源：安徽农业大学学报 作者：卫修明 我要评论 字号：小 | 中| 大植物工厂LED照明控制系统涉及到多路LED 独立控制、大功率白光LED的恒流驱动、ECU 单元和系统控制的设计, 以及监测电路与单元通信等技术问题。本文分别对大功率LED驱动和光谱特性、不同波长LED分控点亮和系统控制、现场通信技术进行了研究。植物工厂是国际上公认的设施农业高级发展阶段, 作为自然界象征的植物和人类工业文明的标志 1 。植物工厂给植物提供合适生长环境的系统设备。是一种多

27、学科结合、高技术应用, 几乎不受自然条件制约的全新生产方式。工厂通过人工自然条件提供温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度等生长环境的同时对工厂内环境要素进行自动实时监控,高精度调整控制。工厂为植物提供光照的光源 2主要有高压忏灯、日光灯。近来随着大功率白光LED的技术突破以及在很多高照度场合的成功应用, 以LED为主光源成为在农业生产中替代传统照明的新趋势。植物工厂的每个栽培架上, 都装有一块或几块灯板。灯板的光源可以由LED阵列组成, 其中以高亮度大功率白光LED为主, 灯板上按一定距离插入红光、蓝光和紫外光LED, 并且以不同比例均匀分布。由于太阳光对于植物光照而言是全波段的, 红光、蓝光

28、、紫外线、红外线等都包括, 因此, 灯板的光谱也应接近自然光。设计一种以白光LED 为主光源辅以其它光色LED 组成的可控光源并按照植物的生长特征合成光谱, 这种光谱综合特性更有利于植物的生长需求。1 LED照明系统的构成LED照明系统是由LED 阵列组成的光源、LED驱动电路、光板管理电控单元 3 ECU、温度传感器、亮度和光色传感器以及通信接口构成, 系统结构如图1 所示。多种颜色的LED 按照一定的间隔阵列在灯板上, 不同颜色的LED 配以相应的驱动电路,LED驱动电路受光板电控单元ECU 管理。灯板背面的ECU 根据光色传感器和亮度传感器采集的LED灯板发光特征, 控制不同光色LED

29、的发光强度, 以获得近似太阳光的综合光谱。电控单元ECU对灯板LED阵列独立点亮管理的同时还可以在灯板与灯板之间、灯板与植物工厂的中央总控系统之间通过局域网交换数据, 接受中央总控系统对不同植物在不同生长期对光谱合成的控制指令。 多光色LED可控光源原理图2 大功率白光LED与阵列LED灯板是植物工厂的关键设备, 灯板上的主光源使用PH ILIPS公司生产的LUXEON LAFL C4S大功率白色LED(如图3所示) , 其主要技术参数如下:工作电压: 12 16V; 工作电流: 1.0 1.2 A; 色温CCT: 5 200 6 000 K; 显色性CR I: 70; 光通量:1

30、000 1 200流明; 发光角度: 60!。光谱特征见图2所示。 大功率白色LED的电流、电压参数具有典型的PN 结伏安特性, 正向压降(V )和正向电流的( I)以及它们与芯片底座温度的关系曲线如图3所示。 LED电流、电压与温度的关系曲线从图3中的V-I曲线可知, 正向压降( V )随PN结的温度升高而降低, 同时又随着结温度升高正向电流的( I)变大。V 的微小变化会引起较大的I变化。由于大功率LED的散热是应用技术的关键, 当电流受到控制时, 正向压降( V )的变化不再影响电流变化而导致温度的恶性循环。因此, 大功率LED必须采用恒流源驱动。控制LED 驱动电流

31、可以避免温升 4 对正向压降( V ) 的影响。由LUXEON 规格书可见, 当LAFL?C4S的恒流驱动至1000mA 时,光通量可达1200流明。LED阵列的排列方式根据照射场合的不同可以是条形或圆形。阵列上白光LED 的数量可以按照实际所需的总光通量和单个LED的光通量之比,依照以下公式求出: 式中: NLED 为LED 数量; 为目标光通量; 为光学效率,90%; 为热学效率, 85% ; 为LED 最小光通量( lm)。电路板上分布的大功率白光和其它颜色的LED与灯壳之间保持良好的散热, 灯壳通常采用散热性能较好的铝材制作, 灯壳内安装了辅以通风的散热风扇。灯板上安装了温度

32、传感器、光照传感器,分别监测LED的工作温度和光照参数。3  PWM可控LED恒流驱动凌特( L inear)公司的LT3755系列IC 专为驱动大功率高电流LED 的恒定电流驱动而设计。它们从IC 内部的一个7. V 电源来驱动外部N沟道功率MOSFET, 可以获得1 500mA大电流驱动LAFL?C4S大功率白色LED。LT3755电流控制模式可以在4?5 40 V的宽输入电压和输出电压在2?9 70 V 范围内实现了恒定电流的稳定工作。FB 引脚用作LED电流检测和保护功能的输入, 而且还使得转换器能够起一个恒定电压源的作用。调节RT 引脚的电阻值可以得到100 kH z至1

33、MH z的频率变化范围, 改变频率设置可以优化效率、进一步提高性能。串接在LED 上端的电流检测电路是适用于驱动LED 的最灵活方案, 适合于升压、降压模式或降压- 升压模式配置。PWM 输入端口提供了高达3000?1的LED 调光比。图4所示白光LED LAFL?C4S的驱动电路。 PWM驱动单元电路示意图相比LUXEON LAFL?C4S 白光LED 大电流而言, 灯板上其它波长的LED 驱动电流大约只有100 300 mA 之间, 采用了AM IS公司汽车级的LED驱动系列产品, AM IS 39100 集成电路具有很高的抗高温和高可靠性, 可以分别提供8 路LED 输出驱动。

34、驱动器的每个输出能够达350mA 电流, 如果端口外接MOSFET 可获得更高的驱动电流。AM IS39100 外部电路简单到只需一只外接电容器。芯片具有过热保护、过流保护、短路保护和低电压保护功能。当芯片内部电路检测到潜在危险存在的情况下自动关闭驱动程序并将故障的诊断状态通过串口读取。 多路驱动输出的ICAM IS 39100可以同时驱动8个LED (如图5所示)。每条支路的驱动电流由灯板控制单元ECU 编程控制, 这只IC 所具备的保护功能、分控特点、很适合灯板上其它波长LED 的分别受控点亮。AM IS39100同时控制8个不同波长LED与LT3755大功率白光LED 的联合驱

35、动, 可以在灯板上获得近似太阳光的综合光谱, 满足植物生长的光色特性。4  LED灯板控制单元灯板控制单元担负着对不同波长LED 独立点亮、光通量和光谱色质可调控制以及温度检测、系统保护等功能。还可根据工厂中央管理系统的调光指令, 管理灯板随指令产生不同特征的综合光谱, 植物工厂应用可控的LED 光源不仅提供植物所需的光照而且利用特定波长的LED 单色光对特定的害虫的吸引力, 达到有针对性地进行诱虫、灭虫作用。LED灯板控制单元电路图如图6所示。由于灯板上密集了各种波长的LED、测光传感器及其各路LED的驱动芯片, 每个芯片分别输入不同的PWM 信号及亮度、温度管理, 因此需要一个性

36、能较高的多端口ECU 控制芯片。ECU 控制单元不仅管理灯板各种波长LED的亮度控制和光色合成,还要根据LED驱动电路的工作特性, 对灯板的工作状态和外部干扰实施保护, 同时还对光板的合成光谱、亮度、温度进行检测。因此, 芯片的处理能力、可靠性和稳定性非常重要。系统ECU 控制单元设计选用了英飞凌公司的XC164 CS 系列16位单片微处理器。这款芯片不仅有很好的耐高温特性和稳定性, 还内置现场控制通信的CAN总线端口。XC164的输入端口监控大功率LED 底座基板的温度, 这个观察点接近LED 的结温, 是保护LED不至于热损坏的关键, 同时对各LED 散热器多点的温度循环检测, 管理灯板的

37、热平衡保护控制。XC164的输入口还将照度传感器和光谱传感器探头的监测数据进行处理, 计算出光色合成效果并与工厂的中央控制器配光指令进行比对、实时调控。XC164的输出端口分别输出不同的PWM 信号控制AM IS 39100 的驱动电流, 以实现对各路不同波长LED 的亮度控制以及对LT3755 白光大功率LUXEON LAFL?C4S的驱动。灯板控制单元在控制光源亮度的同时还实施对灯板过压保护, 过流保护、反向保护、短路保护、浪涌保护、系统诊断等。灯板安全和可靠工作的关键是LED的散热, 它关系到LED 的寿命、光衰、色偏移等重要指标。监测温度的传感器分别监控大功率LED 底座基板和散热片上

38、的多点温度, 当底座基板温度升高达到了XC164预设警戒值时, 系统调节LED 驱动的PWM信号时降低驱动电流, 使大功率LED降低功耗达到降温效果。当对LED灯板进行热管理时, 散热器温度到达临界温度时, 系统启动散热风扇对灯板热源强制对流, ECU 可以根据检测点的部位和温度值,确定强制风冷区域的风扇位置和风速, 必要时调整PWM驱动控制信号以减小LED 功耗。当温度过高、监测点异常或LED 灯板故障时, 灯板控制单元通过现场局域网向周围灯板发布故障信息同时向工厂中央控制系统提供实时数据并发出告警信号。 灯板控制单元电路图5 LED照明灯板的管理植物工厂经常变换栽培的植物, 根据

39、栽培区植物的不同, 采用不同的光谱配比和光照控制程序。栽培区也经常随植物种类不同而叠放栽培架和增减灯板。由于同一个植物栽培区内的光照由几个或几十个灯板共同完成, 因此, 要求实现灯板的发光一致、相互统一, 区域管理。并且实现灯板与其它监控设备之间、灯板与灯板之间、灯板与中央控制系统之间的现场网络管理。因此必须构建一种灵活、实时、可靠的通信方式和适合于即插即用灵活多变的网络结构。 CAN总线收发电路CAN ( Contro ller Area N etwo rk ) 控制器局域网络属于现场总线的范畴, 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。最初是为解决现代汽车中众多的控制

40、与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议, 与一般的通信总线相比, CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。因此逐渐在其它领域的应用开来。植物工厂照明采用LED光源系统之后, 植物光照控制技术逐渐走向智能化。光源的驱动和保护、光谱和亮度的监测由灯板控制单元处理, 并将灯板控制单元设置为较低的网络级别。将栽培区的区域管理设备和灯板管理设备以及栽培区的温度、湿度、CO2浓度、营养素、水质、光的照射量等环境因素的监测设备设置为较高级别, 享有通信优先权。网络上任一节点设备, 包括每一块灯板, 均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息, 而不分主从, 通信方式灵活, 无需

41、站点地址等信息。当多个节点同时向总线发送信息时, 优先级较低的节点会主动地退出发送, 而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据。设备之间通信距离最远可达10 km (速率5kb% s- 1 ) ; 通信速率最高达1Mb% s- 1 (此时通信距离最长为40 m)。通信介质可以是低成本的双绞线、同轴电缆或光导纤维。由于网络传输采用短?结构,传输时间短, 受干扰几率低, 具有很好的抗干扰效果。系统CAN 接口使用了英飞凌公司的TLE6250专用CAN 收发芯片。它们是独立的CAN 总线网络控制芯片, 能够配合各种MCU 构成支持CAN 总线的产品。图7中二只CAN 收发接口芯片可以分别接入植物工

42、厂LED照明系统的高速网和低速网。6  结论植物工厂LED 照明控制系统设计涉及到多端口分别控制的LED驱动、光谱合成、光源散热管理、系统控制与通信等诸多技术问题。经过对不同波长LED光谱特征配比、PWM 电路多路驱动设计、ECU单元及监测电路的设计构成了光源灯板。灯板上配备相应传感器以及控制点亮程序构成植物工厂LED照明系统的独立点亮单元。点亮单元实现了大功率LED 驱动电路的亮度可调、光色可调以及散热保护、管理单元之间通信等功能。研究结果表明,植物工厂以LED为人工光源, 不仅节能、环保, 而且由于LED 的亮度、色温、光谱的可控制性以及独立点亮、系统控制、灵活便利特点使LED

43、照明控制系统更适合植物工厂的需求。当这些独立点亮单元通信接口被赋予不同的优先权限、灵活地搭建和分组并入工厂的网络架构中, 在中央控制系统的统一管理下构成了植物工厂较为理想的可控光照系统, 这种合成的光照更有利于植物的生长。LED植物照明智能化控制策略分析植物工厂已被国际上公认为是设施农业的最高级发展阶段，是未来设施园艺发展的必然趋势，是衡量一个国家农业高技术发展水平的重要标志之一。与露地农田系统相比，植物工厂生产系统具有更高的可控性和稳定性，在解决世界资源、环境与粮食安全问题，应对气候变化和极端天气灾害方面具有重要价值。植物工厂按光照来源可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂两种。但国际上狭义的

44、植物工厂定义是指人工光植物工厂。本文引用地址：人工光植物工厂的内在本质技术特征包括四点：(1)植物生长发育所需的环境因子智能可控，如温度、湿度、CO2浓度、光照、气流等;(2)植物栽培采用无土立体多层栽培模式，一般采用DFT、NFT、雾培及半水培方式进行水肥一体化供给与控制;(3)电光源人工光照技术，通过电光源为植物提供光合作用能量和光环境信号;(4)维护建筑结构为全封闭式，密闭性强，不透光，隔热性好。生产要素的智能控制是植物工厂最为本质的特征，它以第四点为前提条件，涵盖了上述前三点的本质技术特征。当然，植物工厂技术的发展不是短期形成的，它是工业技术和农业技术发展共同作用的结果。归纳而言，植物

45、工厂的发展的技术基础包括以下三点。其一，矿质营养学说的提出及化肥工业的发展，孕育产生的立体无土栽培技术;其二，计算机与传感器技术的发展，使环境因子与养分监测控制成为现实;其三，半导体电光源技术的发展，促进了人工光照技术的发展，扩展了光环境控制的内涵。当前，作为植物工厂所有环境因素都实现了自动检测、储存分析和智能控制，发展智能型植物工厂的时机已经成熟。1植物工厂光环境智能控制必要性智能型植物工厂生产运行不仅要求环境因子控制、水肥供给与调配控制的自动化，也需要在育苗、移栽、采收等生产环节实现自动化操作，减少人为活动对生产空间的干扰与污染。植物工厂运行及生产的智能化管理与控制都需要消耗电能。人工光植物工厂的能耗构成包括光源、空调、泵动系统、气动系统、检测控制系统等。就人工光植物工厂而言，能耗最大的是光照系统，占总能耗的60%以上;其次是空调系统，占30%以上，其余管控系统消耗能源相对较少。目前，运行能耗成本已成为植物工厂运行成本的构成主体，是植物工厂运行成本居高不下的重要原因。因此，减少光照系统的能耗，已成为植物工厂节能增效的主要途径。发光二极管(Light-emittingdiode