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近几年，现代农业快速发展，在设施园艺中，人们想方设法将植物生长的各因素实现人为可控，使农作物获得最优的生长环境，从而获得最大的经济效益。光照是大部分植物生长过程中不能缺少的生长条件之一。光照是地球上各种生物生长发育的能量与信号来源，动植物的形态建成和新陈代谢过程与光照关系密切。光照的周期、强度及光谱分布等光环境因素对植物正常健康生长起着不同的调控作用。因此，若能人工调控植物生长光环境的光照周期，光量子通量密度及光谱分布，则意味着也能在一定程度上人为调控植物的生长状态。半导体照明技术、物联网技术和智能控制技术的结合使人工智能调控植物生长光环境得以更全面实现。基于物联网技术，智能半导体照明控制系统利用电磁调压及电子感应技术，对用电器供电过程进行实时监控与跟踪，并通过传感器采集信息和无线网络通信传输，实现对照明设备的智能化控制，可用手机APP或电脑Web控制端应用软件远程实时控制。网关接收手机APP或电脑Web控制端发送的用户输入的信息，并转译传输给各种功能的控制器，控制系统会根据接收的指令自动调节电路的电压和电流幅度，可实现对照明设备光量子通量密度的智能调控，并能改善照明电路中不平衡负荷所带来的额外功耗，提高功率因数，降低灯具和线路的工作温度，根据环境变化、用户预定需求等条件自动采集照明系统中的各种信息，并对采集的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断，对分析结果按要求的形式存储、显示、传输，进行相应的工作状态信息反馈控制]。照明设备采用智能化控制后，扩展了多种控制方法，具备灯光亮度调节、定时开关控制、场景区域设置、任意调节光谱分布及灯光软启动等功能。利用这些功能，可根据人们意愿，结合不同的植物种类和植物的不同生长阶段，调控出植物生长所需的最佳光环境。植物的光合色素的吸收光谱主要集中在波长为400~510nm的蓝紫光（吸收峰值在450nm左右）、波长为610~720nm的红橙光（吸收峰值在660nm左右）及波长为720~750nm的近红外光（吸收峰值在730nm左右）。发光二极管单色性好，并且蓝光或紫光可激发荧光粉得到连续光谱，结合智能控制，可人为地根据不同植物对光的需求设计光谱分布，使植物生长光环境的光谱分布与光合色素的吸收波长相匹配，实现精准农业光环境调控。光环境影响着大部分植物光合作用，对植物的生长发育有重要调控作用，是植物生长发育的关键要素之一。光环境主要通过光周期(明暗时间)、光量子通量密度和光质配比(光谱分布)对植物生长进行调控。而智能半导体植物照明应用于设施园艺，则可通过定时控制功能、光亮度控制功能和多路调光控制功能分别对设施园艺中光环境的光周期(明暗时间)、光量子通量密度和光质配比(光谱分布)进行智能调控，进而达到人工智能调控植物生长的目的。根据光周期的不同，可将植物分为长日照植物、中日照植物和短日照植物。植物光周期现象是植物对光照时间长短的规律性变化的反应，光周期影响着植物的种子萌发、开花结果、落叶及休眠，特别是对植物开花的影响。大多数植物开花是一种由持续光照时间控制的响应。人们利用这一现象，可人为地控制植物在人们需要的时间段开花。智能半导体植物照明设备则通过定时开关控制功能准确地调控园艺设施光环境的明暗周期。智能定时开关控制植物照明，在花卉、组培和植物工厂等园艺设施中应用最常见。其工作模式如图1所示。手机APP或电脑Web作为信息输入控制端，用户根据需要可任意设定照明设备每天的工作时间。在输入控制端设定相关信息并发送后，网关将接收到输入控制端的信息并转译发送给定时开关控制器，控制器将根据用户的要求作出判断，切断或导通电源对照明设备的供电线路，从而实现对光周期的控制。
不同种类的植物在生长过程中对光量子通量密度的要求有所不同，阳生植物对光量子通量密度要求较高，而阴生植物则对光量子通量密度要求较低。同一植物的不同生长阶段对光的光量子通量密度要求也不相同。光量子通量密度影响着植物的光合作用及植物体内功能性化学物质的积累，如叶绿素、类胡萝卜素、花青素和多酚类等物质的积累。因此，通过智能精确调控植物生长光环境的光量子通量密度，不但能有效地节约能源及成本，还能进一步改善植物的生长状况，以达到效益最大化，其工作模式如图2所示。手机APP或电脑Web作为信息输入控制端，用户根据需要可任意设定照明设备光量子通量密度参数。在输入控制端设定相关信息并发送后，网关将接收到输入控制端的信息，同时接收光控系统反馈的信息并转译发送给调光控制器，控制器将根据用户的要求作出判断，调节电源供给它的电压和电流幅度，再将调整后的电传导给照明设备，以改变照明设备的输出功率大小，从而实现照明设备输出光量子通量的控制。
到达地表的太阳光光谱是连续光谱，其光谱范围在295~2500nm。而能被植物生长所需的光的波长范围集中在350~800nm，其中红光区和红光区的光起到主导作用。植物有光敏色素、隐花色素和紫外光-B受体，其通过这些受体捕获不同光质的光子。其中蓝紫光和红光对植物的相互作用影响着植物形态建成、光合作用等植物生理活动。而红光和近红外光对植物的相互作用则影响着植物种子发育和植物开发。因此，利用智能半导体植物照明设备调控植物生长光环境的光质配比，可有效调控植物的生长状态。智能半导体植物照明设备可通过多路调光定时控制器，任意设定时间自由调控红光与蓝光的辐照度比、红光与近红外光的辐照度比，以此调控植物种子萌发、开花结果和外观色泽等。其工作模式如图3所示。手机APP或电脑Web作为信息输入控制端，用户根据需要可任意设定照明设备各路不同光质的光源的光量子通量密度。在输入控制端设定相关信息并发送后，网关将接收到输入控制端的信息，同时接收光控系统反馈的信息并转译发送给多路调光控制器，控制器将根据用户的要求作出判断，调节电源供给它的各路电压和电流幅度，再将调整后的电传导给照明设备，从而实现实时对照明设备各路光源光量子通量的控制，起到调控照明设备光谱分布的作用。
根据国内外设施园艺应用人工光源的特点，可将设施园艺人工补光的方式分为半补光设施园艺和全人工光设施园艺两种方式。半补光设施园艺指的是园艺设施中的植物利用自然光进行正常生长的同时，在太阳下山后或阳光不充足的时候，还用人工光源进行额外补光，如玻璃大棚种植补光、薄膜大棚种植补光和阳台种植补光等。全人工光设施园艺则指的是园艺设施中植物完全利用人工光进行正常的生长，如植物工厂、大麻室内种植、组培厂和家庭室内种植等。根据这两种设施园艺补光特点，下面介绍两种具有普适性的智能半导体植物照明方案。半补光设施园艺一般是指植物在具有较好透光率的温室大棚进行种植的模式。此类补光需作如下几方面考虑：①植物在白天接受自然光照，地表太阳光光谱是范围在295~2500nm波长的连续光谱，在配置照明设备光源时，加强蓝光区和红光区的光强即可，因为其他光质的光有太阳光提供已经足够；②在夜晚补光时，已没有太阳光，故这时可以加用高显色指数（Ra>80）白光LED光源，色温4500~6000K，另一方面是出于对人眼健康影响的考虑；③需考虑植物所处的生长阶段，即植物是只在育苗阶段，还是只在生长阶段，还是只在开花结果阶段，或是整个生长过程都需要补光，因为这关系到光源配比及照明设备的有效利用率。基于以上分析，下面以植物需要在整个生长阶段补光这一情况为例进行具体设计。光源的配置，可采用蓝光（峰值波长为450nm）LED（发光二极管）、红光（峰值波长为660nm）LED和白光LED这三种光源。控制器则可采用三路（通道）定时开关调光控制器，既有调光功能也有定时开关功能。其中通道1控制蓝光LED，通道2控制白光LED，通道3控制红光LED。每路通道可独立调控各自控制的LED光源亮度。当将所有路通道控制的光源都调到100%亮度时，可得如图4所示光谱图，一般在晚上或阴雨天的时候会将照明设备调控到这种光照模式；当只将通道2控制的光源调到100%亮度，其他通过关闭时，可得如图5所示光谱图，一般在有工作人员在的时候会将照明设备调控到这种光照模式，起到保护眼睛的作用；当只将通道1和通道3控制的光源调到100%亮度，而通道2关闭时，可得如图6所示光谱图，一般在晴天的晚上或阳光不够充足的时候会将照明设备调控到这种光照模式。
目前国内外较常见的全人工光设施园艺有组培厂、植物工厂和大麻种植厂等。这种模式有几个特点：①照明设备的作用是提供植物生长需要的全光谱光环境，需要灯具提供全部的光能量，运行成本比较高；②照明光源的设计需要考虑光谱的连续性和完整性；③需要对照明的时间、照明的强度和光质配比进行有效地控制；④全程需要模仿植物在户外实际最佳生长环境所需要的条件，如湿度、温度和CO2的浓度等。因此，对于此类光照方案的照明设备的光谱设计，要实现350~800nm光谱连续分布，这样才能满足植物健康生长所需要光环境的光谱，同时要实现光周期、光量子通量密度和光谱的调控，这样才能创造出各种植物不同阶段生长所需的光环境。那么光源的配置，可采用近紫外光（峰值波长为395nm）LED、蓝光（峰值波长为450nm）LED、红光（峰值波长为660nm）LED和全光谱（波长范围420~700nm）白光LED和近红外（峰值波长为730nm）这五种光源。控制器则需要采用五路（通道）定时开关调光控制器，以实现光周期、光量子通量密度和光谱的调控。当将所有路通道控制的光源调都到100%亮度时，可得如图7所示光谱图。通过这样的光谱设计，再加上光周期、光量子通量密度和光谱的调控，这种照明方案几乎适用于大部分植物的生长。
智能半导体植物照明应用在设施园艺中的研究还处于探索阶段，对于这方面的研究需要综合性人才，需通晓多个学科领域。本文对智能半导体植物照明的工作原理进行了介绍，讨论了智能半导体植物照明如何通过调控光照周期、光量子通量密度和光谱分布来控制植物生长光环境，本文提供的两个智能控制光谱方案希望能为做这方面研究的研究者提供一些有价值的参考。智能半导体植物照明已在室内大麻种植，高附加值植物工厂等领域得到小范围应用。随着各学科的发展与技术创新，及成本的下降，智能半导体植物照明技术将使都市园艺、家庭室内园艺、航空园艺及太空园艺得到快速发展，以满足各种环境下人类对园艺作物的需求。
作者：李淋倍1,2，林海涛1，王忆3（1.广西科技大学生物与化学工程学院 2.江门联皓照明科技有限公司 3.五邑大学应用物理与材料学院）
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