LED智能燈具在農(nóng)業(yè)照明的應(yīng)用

　　人類目前所面臨的食物、能源、資源、環(huán)境和人口等問題的解決都與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，而光照是影響植物生長發(fā)育的首要因素，因此，深入研究農(nóng)業(yè)照明對光的需求特性、規(guī)律和光控基準(zhǔn)，創(chuàng)新性地開發(fā)適宜于農(nóng)業(yè)照明的智能控制補(bǔ)光系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)照明提供高效的光照環(huán)境是1項(xiàng)重要工作。隨著大氣污染日益加重，大氣透明系數(shù)不斷下降，植物可接收的太陽光能越來越少，直接影響其生長發(fā)育。將補(bǔ)光調(diào)控技術(shù)用于農(nóng)業(yè)栽培，可提高作物光合作用效率，促進(jìn)生長并減少農(nóng)藥使用，利于發(fā)展高效無污染的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)、無土栽培和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等現(xiàn)代生產(chǎn)經(jīng)營模式，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式的里程標(biāo)志。

　　1、特點(diǎn)及優(yōu)勢

　　1.1 補(bǔ)光特點(diǎn)

　　植物利用太陽光進(jìn)行光合作用，吸收的可見光光譜在380～760 nm，其中吸收峰值區(qū)域?yàn)椴ㄩL610～720 nm紅橙光和400～510 nm的藍(lán)紫光。而連續(xù)的陰雨天氣影響植物生長發(fā)育乃致絕收，智能控制補(bǔ)光的研究及發(fā)展將解決這一問題，發(fā)展不受天氣影響的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)將成為新的方向。

　　影響溫室補(bǔ)光的主要因素有光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期等，農(nóng)作物光合作用以冠層光強(qiáng)補(bǔ)償達(dá)到1 000～3 000 lx為宜，各種農(nóng)作物對紅藍(lán)光（R/B）有特定要求，另外對自然界晝夜交替、周而復(fù)始的現(xiàn)象形成了光周期的要求，農(nóng)作物在漫長的進(jìn)化過程中適應(yīng)了這種明暗變化。但是，在冬至前后或連陰天時(shí)，自然光照無法滿足農(nóng)作物生長發(fā)育需求，則需要通過人工補(bǔ)光來增加光照時(shí)間，近年來，溫室補(bǔ)光已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段。

　　1.2 高效智能系統(tǒng)

　　由控制前端（智能手機(jī)、平板電腦或控制平臺(tái)）、傳感器（Sensor）、現(xiàn)場總線（Fieldbus）和LED燈組成的植物生長調(diào)控系統(tǒng)如圖1所示。智能手機(jī)、平板電腦（嵌入Android 或iOS 操作系統(tǒng)）通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)連接控制平臺(tái)對終端進(jìn)行控制。終端內(nèi)置專用通信模塊通過ZigBee連接多達(dá)100個(gè)LED燈組網(wǎng)（可設(shè)任意組，燈之間的最大距離15 m）或單點(diǎn)訪問，也可對傳感器、增氧、澆灌及卷簾等裝置進(jìn)行系統(tǒng)控制。系統(tǒng)利用傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度和營養(yǎng)液pH值等數(shù)據(jù)，通過軟件匯集到數(shù)據(jù)庫，并指令施肥灌溉系統(tǒng)對植物進(jìn)行定時(shí)、定量及分區(qū)分段的精準(zhǔn)施肥灌溉，同時(shí)利用傳感器進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)植物生長需求對LED燈的定時(shí)、開關(guān)、調(diào)光和調(diào)色等進(jìn)行遠(yuǎn)程集中管理，并通過光配方（Light recipes， LR）對植物的生長和開花周期進(jìn)行調(diào)控。

　　針對不同應(yīng)用方案及場所，LED補(bǔ)光照明產(chǎn)品可選品種較多。燈泡、面板燈、投光燈、燈帶和燈條等是植物工廠的典型LED應(yīng)用產(chǎn)品，結(jié)合應(yīng)用智能控制系統(tǒng)使農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)更高效節(jié)能。

　　1.3 提高密度與節(jié)能

　　LED燈屬于冷光源，其輻射光譜對植物的熱效應(yīng)小，可實(shí)現(xiàn)對植物的近距離補(bǔ)光且避免灼傷。在植物工廠或組培中，可縮短栽培層架之間的距離，提高空間利用率及植物單位空間的栽培密度。溫室中的智能控制補(bǔ)光實(shí)驗(yàn)表明，使用傳統(tǒng)光源（高壓鈉燈和金鹵燈）每平方米需要配備0.5 kW的光源，而LED僅需0.27 kW，其節(jié)能量超過50 %。

　　另外，有效利用自然光照、光環(huán)境智能控制、提升空間管理和移動(dòng)反射利用等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的技術(shù)創(chuàng)新，將有效提高光能利用效率，滿足批量生產(chǎn)或提前庫存的市場需求。

　　2、農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用

　　通過引進(jìn)新技術(shù)種植蔬菜、水果、花卉及育苗組培，拓展到生態(tài)餐廳、農(nóng)業(yè)觀光等一系列精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式，采用用以智能控制為基礎(chǔ)，由信息技術(shù)支持的整套智能農(nóng)事操作技術(shù)與管理系統(tǒng)，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。

　　2.1 畜禽養(yǎng)殖

　　通過研究紅光、藍(lán)光和白光對家禽生產(chǎn)性能的影響，推出系統(tǒng)控制光周期的智能養(yǎng)雞照明產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)漸變式禽類養(yǎng)殖控制，并在養(yǎng)雞場投入使用。智能系統(tǒng)按特定指標(biāo)控制色溫、光強(qiáng)及照明時(shí)長，觀察其對畜禽的行為習(xí)性、生理特性和生長發(fā)育產(chǎn)生影響，并有效促進(jìn)畜禽的生產(chǎn)性能，因此，養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中的照明不僅要求低能耗和長壽命，而且還應(yīng)具備LR的可控性。圖2所示為補(bǔ)光在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用。

　　研究發(fā)現(xiàn)，在肉雞（AA肉雞）生長前期采用綠光或藍(lán)光照射，生長后期采用藍(lán)光照射，能顯著促進(jìn)其生長發(fā)育并提高生產(chǎn)性能。若再前期選用綠光照明，可不同程度地改善肉雞小腸黏膜結(jié)構(gòu)，提高小腸吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力。此項(xiàng)研究成果可用于改善畜禽的生理節(jié)律、攝食行為、生長發(fā)育及繁殖性能的技術(shù)指標(biāo)體系，促進(jìn)畜禽生長及生產(chǎn)潛力，并提高畜禽免疫力。