LED温室照明的实时监控

来源：北京爱蛙科技有限公司      分类：动态 2023-12-27 10:09:59 43阅读次数

随着全球人口的增长和城市化进程加速，传统的农业生产方式已经很难满足人们对新鲜、健康的农产品需求。垂直农场在有限的空间内、利用室内的垂直墙面，不受季节气候的影响，利用先进的设备和技术，给农业生产带来一系列的变革，推动农业向高效、节能、环保和可持续的方向发展。

控制作物的质量和产量将是垂直农场生产的关键。在温室和垂直农场（温室工厂）中种植作物将使我们能够更好地控制种植食品的过程，并且使食品生产更接近消费者。在温室中，LED照明是一种高效、节能、环保的照明方式，可以提供植物生产所需的光谱，用于光合作用和其他生长过程。

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一、传统温室照明选择

温室种植者通常使用阳光来种植植物。然而，太阳是不可预测的，在最常使用温室的北半球国家，冬季的日照时间变得非常少。但种植者都喜欢使用生长灯来延长或者补充温室里的自然阳光，这样可以全年管理植物和作物。

传统上，温室种植者使用高压钠灯(HPS)进行操作，这种灯最初是为街道照明设计的。HPS灯产生熟悉的橙色光，在温室环境中很好且有效。但HPS灯确实有一些缺点：它们耗电量大，产生大量热量。有时种植者可以利用热量来提高温室内的温度，但如果热量过于强烈，温室操作员将通过打开的“窗户”来排出热量，这降低了温室温度，但也影响了二氧化碳（CO²）的水平。因此，在温室中保持最佳的生长条件成为一个挑战。

二、LED在温室的应用

在过去的二十年中，LED发展成为一种成熟的技术，为种植者提供了HPS灯的替代品。最初，LED生产商关注的是低功耗和减少热量的好处，而HPS照明的支持者认为，总光功率(在这种情况下，以光合有效辐射或PAR表示)是更重要的有效性指标。最近，人们的注意力转向了光谱对作物的影响。

图1.LED生长灯可以调整，以优化植物生命周期中的颜色输出

归根结底，LED照明在温室中的最大好处是对作物进行动态照明。关于为植物提供理想光谱已经做了很多研究，而且仍在进行中；事实证明，理想光谱在植物的整个生长周期中都会发生变化。因此，典型的LED生长灯由多种颜色的LED组成:至少有红色和蓝色，但也存在其他奇异的组合，包括白色LED或绿色、琥珀色，甚至远红外线或红外波长。由于大多数LED的输出功率是可以控制的(从完全关闭到最大功率的一定百分比)，因此这些灯具提供的光谱是可以优化的(图1)。

利用各种彩色LED的全部功能和功率控制，种植者可以增加提供给作物的日光跨度，还可以控制到达植物的“每种颜色”(波长)的总功率发射。例如，在植物生长过程中，可以根据预先定义的优化配色方案添加红色或蓝色光功率(能量)。

这样就能在一定程度上控制植物的生长行为。添加蓝光可促进植物生长；添加红光可促进植物开花。需要注意的是，不同类型的植物会有不同的光色方案，而且还取决于温度和二氧化碳水平等其他因素。控制温室中的所有参数将是提高效率和更可预测产量的关键。

三、监测温室的HPS输出

阳光是不可预测的，也是动态的。太阳的能量不仅会随着一天中的时间、云层和天气条件而变化，其光谱的平衡（红/蓝比例）也会发生变化。对太阳光进行精确测量有助于监测到达植物的光谱，还能向 LED 控制系统提供反馈，动态调整光功率和光色，使其符合特定植物在生长周期特定时刻的最佳色彩方案。

对于使用 HPS 的温室，使用传感器监测白天的光合有效辐射 (PAR) （单位：μ mol/m²/s）。这些传感器测量 400-700 nm的总光能。PAR 数据可用于确定何时开启 HPS 灯，也可用于计算植物接收的总能量，即日光积分（DLI）。

虽然这些 PAR 传感器可用于优化温室白天的PAR 光照水平，但它们不能用于控制色彩方案，也不能测量400-700 nm范围以外的光线。这一点很重要，因为超出这一范围的光线会影响某些类型植物的生长。

作为传统PAR传感器的替代品，可以安装微型光谱仪来监测全光谱，通常从350- 1000 nm（紫外到近红外）。这将为用户提供全分辨率光谱信息，是了解和研究植物最佳色彩方案的宝贵信息。

四、监测温室中的LED输出

在温室不同位置进行快速测量LED总光谱，Ocean ST、SR或HR的测量系统，都是非常不错的选择（图2）。

图2. 测量温室LED总光谱的系统配置。

在图3-图5中，我们使用高分辨率光谱仪测量红色和蓝色LED的输出、太阳光以及LED输出和太阳光的组合。温室操作人员利用光谱测量实时调整照明方案，优化效率。

图3.使用高分辨率光谱仪测量具有蓝色和红色LED输出控制的温室灯具的光谱

图4.阳光（图中阴影部分）是用高分辨率光谱仪测量的

图5.太阳光与红色和蓝色LED输出相结合，以增加蓝色和红色光谱的能量

在某些温室环境中，即使需要系统控制颜色信息，也可能不需要光谱仪提供的分辨率。在这些应用中，一个能监测阳光并能区分温室中使用的各种LED颜色的传感器就足够了，这往往是实现颜色控制的最具成本效益的方法。

为了在植物生长周期内利用其最佳色彩方案控制植物生长，并克服来自阳光的自然波动，光谱监测可在植物光照管理中发挥良好作用（图 6）。测量技术易于使用和整合到操作中，但其复杂程度足以在同一温室中为每株植物创建不同的色彩方案。

图6. 通过对自然光和LED的精确监测，种植者可以调整红色和蓝色LED的照明，以提高功率输出并优化植物生长周期。

对于种植者和照明供应商来说，动态监测光照的光学传感工具将成为智能温室的关键要素。传感器可以集成到照明装置中，安装在作物之间，并通过无线连接实现温室光照的实时控制和数据管理。

原文来源海洋光学，编译整理

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