植物生长用LED光源模组设计

牛萍娟，唐晓新，张文彬，田会娟，苏政晓，刘 航，孙 勇

（1.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研发中心，天津 300387；2.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；3.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

植物生长用LED光源模组设计

牛萍娟1，3，唐晓新1，2，张文彬3，田会娟1，3，苏政晓1，2，刘 航3，孙 勇3

（1.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研发中心，天津 300387；2.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；3.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

基于植物生长对光质的需求，设计植物生长用LED光源模组.提出2种设计方案，均为8*8方阵：方案1采用32颗红光LED，32颗蓝光LED；方案2采用32颗红光LED，16颗蓝光LED和16颗绿光LED.其中，方案1每行每列中红蓝LED交错排列；方案2每行每列中红光、蓝光和绿光LED均为4颗、2颗和2颗；且每行中2个绿光LED的间距、2个蓝光LED的间距都是相邻红光LED间距的两倍.以点光源模型简化单颗LED，在Tracepro软件中对单元模块进行仿真，结果表明照明区域内的辐照度分布均匀，可以用于植物照明.参照上述仿真模型结构，设计开发LED光源模组，分析其R/B/G光子比例，并设计白菜生长实验.结果表明：方案2的白菜叶长、叶宽、株高、干湿重和含水量均大于方案1和荧光灯对照组，说明一定的绿光对白菜的生长具有促进作用.方案1的叶绿素a、b和总叶绿素含量都大于方案2和荧光灯对照组.

人工光源；LED；模组设计；植物生长

植物生长发育过程是极为复杂的生命现象，不仅决定于植物自身的遗传特性，还受到外界环境条件的影响.光作为植物光合作用的能量来源，其强度对于植物生长发育有极大的影响.对于大部分植物而言，光合有效辐射（Photosynthetically active radiation，PAR，波长在400～700 nm范围内的光）被叶绿体以及类胡萝卜素等色素吸收并通过碳同化作用转化为化学能，增加光照强度能够提高电子传递速率从而增加能量的累积.

光质是指植物所受光照的光谱组成，不同光谱波段对植物的影响不同.植物通过体内多样的色素系统，感应不同波长范围的光线，调节植物的生长发育与代谢[1-3].适宜的红光（600～700 nm）与蓝光（400～500 nm）之比即R/B才能保证培育出形态健全的植物[4-5].而在红蓝LED组合光中加入绿光能够促进植物生长，因为绿光比红蓝光的透射比更高，能够更好地穿透叶片到达植物冠层，底下的叶片才能进行光合作用.Kim等[6]采用150 μmol/（m2·s）的红蓝LED（0% green）、红绿蓝LED（24% green）、绿色荧光灯（86% green）和冷白荧光灯（51% green）对生菜进行试验，结果表明RGB实验组的叶面积和植株湿重最高，可见在红蓝光基础上加入绿光有利于生菜生长.目前，对植物照明用红绿蓝LED光源模组的光分布研究很少，所以本文在红蓝LED的基础上加上绿光LED设计2种光源模组，采用仿真、实验测试和生长实验相结合，分析光源模组特性.

1 光源模组设计

本文不考虑光源散热问题，选用的LED均为联欣丰0.1 W LED.红光LED的参数：视角120°，封装尺寸为3 528，峰值波长λp=629.9 nm，带宽Δλd=15.6 nm，在标准工作电流20 mA下发光强度为1 000 mcd.蓝光LED的参数：视角120°、封装尺寸为3 528，峰值波长λp=465.9 nm，带宽Δλd=23.2 nm，在标准工作电流20 mA下发光强度为490 mcd.绿光LED的参数：视角120°，封装尺寸为3 528，峰值波长λp=520.7 nm，带宽Δλd=31.5 nm，在标准工作电流20 mA下发光强度为2 200 mcd.针对所选用的LED光源，采用测试设备为0.3 m/0.5 m LED专用积分球、高精度快速光谱辐射计HASS-2000和可编程LED测试电源LED300E（杭州远方光电信息股份有限公司），光谱图如图1所示.

图1 光源光谱图Fig.1 Light source spectrums of LEDs

LED组合方案如图2所示.图2（a）是每行每列中红蓝LED交错排列，为方案1；图2（b）的是每行每列中红光、蓝光、绿光LED均为4颗、2颗和2颗，且每行中2个绿光LED的间距、2个蓝光LED的间距都是相邻红光LED间距的2倍，为方案2.

为了保证植物栽培面上的光合有效光量子流密度分布均匀，LED组合单元模块不应距离植株过近.本文以组合光源正下方15 cm作为目标面进行仿真分析[7-9].

图2 LED组合方案Fig.2 Schematic diagram of assembled LED

2 仿真结果

在对植物生长光质的研究中，对光强的度量存在光度量、辐射度量和量子度量3种标准.光度量依赖于人眼对光的响应，而视见函数与光合作用毫无关系，所以光度量不适用于光合光强度量[10].故本文Tracepro仿真中用光合有效辐射照度Ee（单位为W/m2）来衡量光强，而在白菜生长实验中用光合有效光量子通量密度U（单位为umol/（m2·s））来衡量光强.图3和图4是Tracepro仿真中单颗芯片标准工作电流20 mA下，LED组合单元模块在目标面上的红光辐照度、蓝光辐照度、绿光辐照度和总辐照度分布图.加上封装尺寸，2颗LED中心的间距为横向1.28 cm，纵向1.35 cm.通过经验公式（1）计算.

图3 方案1 LED组合单元模块下方15 cm处的辐照度分布Fig.3 Distribution of irradiance located 15 cm below LEDs arranged with scheme one

图4 方案2 LED组合单元模块下方15 cm处的辐照度分布Fig.4 Distribution of irradiance located 15 cm below LEDs arranged with scheme two

这里L取横纵向平均值为1.32 cm，h=15 cm，目标面大小为16 cm×16 cm.[7-8]辐照度均匀度采用平均值/最大值进行计算[9]，计算的数值在仿真辐照度分布图中都有体现.方案1的红光和蓝光辐照度均匀度分别达到69%和66%，总辐照度均匀度为69%；方案2的红光、蓝光、绿光辐照度均匀度分别为69%、59%和60%，总辐照度均匀度为71%，均匀性良好，说明组合光源的排布合理.

3 LED植物照明用光源模组分析及白菜生长实验

参照上述仿真模型结构，设计开发LED光源模组，图5为PCB版图，图6为2种方案植物照明用光源模组的光谱分布图.

图5 PCB版图Fig.5 Design of PCB layout

图6 2种方案植物照明用光源模组的光谱分布图Fig.6 Light source spectrums of two schemes

为了对设计的光源模组进行综合分析，需要确定其R/B/G比例，即红蓝绿光子数之比Ra，指波长在600～ 700 nm、400～500 nm和500～600 nm波段内的光子数之比.

测量组合光源的光谱分布之后，根据光合有效辐射的3种度量标准转换关系[10]，设U=γEe，则

式中：Pw为辐射功率总量（W）；Wλ为光谱功率密度（W/nm）；Pf为光合作用的光子流量（umol/s）.红绿蓝光子数比即为红绿蓝波段的Pf的比值.同样地计算可得方案2的Ra=50∶31∶19.

使用仿真实现的2种LED植物生长用光源，根据实验需要调节红蓝绿光LED的电流、光周期及灯板距作物的高度.白菜生长实验设置2个光质处理区，1个荧光灯对照区，即CK，总光强80 umol/（m2·s），其中600～700 nm波段的光强占27%，为21.6 umol/（m2·s），400～500nm波段的光强占18%，约为14.4umol/（m2·s），500～600 nm波段的光强占55%，为44 umol/（m2·s）.处理区之间用遮光布隔开，防止干扰，各处理光强通过调节高度均设置为80 umol/（m2·s），光周期为12 h/d（9∶00-21∶00）.

白菜经不同光强配比处理20 d后，每个处理组所有植株均被取样，以叶片为取样部位，且测定相同指标时取相同部位的样品.数出叶片数，用直尺测量幼苗株高、根长、叶长与叶宽；用电子天平称量鲜质量；烘干后测定干质量；含水量=（幼苗叶片鲜质量-幼苗叶片干质量）/幼苗叶片鲜质量×100%.用80%丙酮浸提法[11]测定叶绿素，并根据Arnon公式，计算叶绿素含量.具体步骤为：在避光室内，取出待测样品，剪碎，混匀.准确称取0.500 0 g样品于研钵中，加80%丙酮25 mL研磨，然后将研磨后的样品滤入50 mL容量瓶中，用80%丙酮洗净研钵和滤纸，洗液并入容量瓶中，且定容至50 mL，测鲜样叶绿素含量.80%丙酮作参比液，分别在645和663 nm处测定样品液的吸光值，并且按公式（11）、（12）和（13）计算叶绿素含量，重复3次[12].

式中：Ca为叶绿素a含量；Cb为叶绿素b含量；CT为总叶绿素含量；V为提取液体积；m为样品重.

表1和表2为生理指标参数和叶绿素测量结果.

表1 各处理组生理指标测试结果Tab.1 Physiological index test results of each treatment group

表2 各处理组的叶绿素a含量、叶绿素b含量和总叶绿素含量Tab.2 Chlorophyll a，b and total chlorophyll contents of each treatment group

采用Excel 2007进行数据整理，从表1可以看出，各处理组生理指标存在显著差异，总体上LED处理组的白菜植株的根长、株高、叶长、叶宽、叶片数及生物量的积累等形态及生长指标都优于对照组，说明LED光源可以有效促进白菜的生长.加入绿光LED的方案2的叶长、叶宽、株高、干湿重和含水量均大于方案1和荧光灯对照组，说明一定的绿光对白菜的生长是有一定促进作用的.从表2看出，方案1的叶绿素a、b和总叶绿素含量都大于方案2和对照组，说明红蓝组合光源比红绿蓝组合光源更能促进叶绿素积累.

4 结论

本文以点光源模型简化单颗LED，借助光学仿真软件Tracepro，对单元模块进行仿真分析，结果显示照明区域内的辐照度分布均匀.然后，本文依据仿真模型，开发植物生长用LED光源模组，分析光源模组的R/B/G比例，并分析仿真实现的光源模组对白菜生长的作用，结果表明LED组合光源模组对白菜生长是有一定促进作用的，具体表现为：加入绿光LED的方案2光源模组下的白菜的叶长、叶宽、株高、干湿重和含水量均大于方案1和荧光灯对照组，说明一定的绿光对白菜的生长是有促进作用的.方案1的叶绿素a、b和总叶绿素含量都大于方案2和对照组.实验证明本文对植物生长用LED光源模组的仿真实现方法切实可行，设计的LED植物生长光源排布合理，能够满足植物生长对光照的基本要求.

[1] 李倩.光质对生菜丹参生长和次生代谢物的影响[D].西安：西北农林科技大学，2010.

[2]MASSA G D，KIM H H，WHEELER R M，et al.Plant productivity in response to LED lighting[J].Hort Science，2008，43：1951-1956.

[3] 魏灵玲，杨其长，刘水丽．LED在植物工厂中的研究现状与应用前景[J]．中国农学通报，2007，23（11）：408－411．

[4]MORROW R C.LED lighting in horti-culture[J].Hort Science，2008，43：1947-1950.

[5]徐秀知，王淑凡，王巍，等.全数字智能LED植物补光灯控制系统[J].天津工业大学学报，2012，31（4）：57-60.

[6]KIM H H，GOINS G D，WHEELER R M，et al.Green light supplemen-tation for enhanced lettuce growth under red and blue light emitting diodes[J].Hort Sci，2004，39：1617-1622.

[7] 周国泉，郑军，周益民，等.温室植物生产用LED组合光源的优化设计[J].光电子激光，2008，19（10）：1320-1321.

[8]徐一清，付顺华，吴家森，等.LED温室植物生产灯的设计[J].光子学报，2008，37（2）：223-224.

[9]王加文，苏宙平，袁志军，等.LED阵列模组化中的照度均匀性问题[J].光子学报，2014.

[10]高鸿磊，诸定昌.人眼光度学与植物光度学的单位转换[J].灯与照明，2007，31（2）：34-36.

[11]邹琦．植物生理生化实验指导[M]．北京：中国农业出版社，1995：36-38．

[12]崔勤，李新丽，翟淑芝．小麦叶片叶绿素含量测定的分光光度计法[J]．安徽农业科学，2006，34（10）：2063.

Design of LED module used in plant growing

NIU Ping-juan1，3，TANG Xiao-xin1，2，ZHANG Wen-bin3，TIAN Hui-juan1，3，SU Zheng-xiao1，2，LIU Hang3，SUN Yong3
（1.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China.）

For light quality requirements of plant growing，LED light source modules were designed.Two schems proposed andaphalanxwith8linesand8 rows was adopted.Scheme 1 is that red and blue LEDs are uniformly and intervallic arranged in full line.Scheme 2 was that green LEDs were crossed-arranged in every line and row，the distances of twogreenLEDsandtwoblueLEDsarebothtwiceoftheadjacentredLEDsineachline.Amodel of point source was used to emulate the irradiance and the light quality in the reference plane in Tracepro software，the uniformity of two schemes is good.LED modules are fit for plant growing.According to the simulation model，we design these two LED panel，analyze the R/B/G ratios，and design the cabbages growing experiment.the results show that leaf length，leaf wideth，plant height，wet and dry weight and moisture content of Scheme 2 are all higher than those of Scheme 1 and the fluorescent group，indicating that some green light is good for cabbage′s growing.Chlorophyll a，b and total chlorophyll content of Scheme 1 are more than Scheme 2 and the control group.

artificial light source；LED；module design；plant growing

TN312.8

A

1671－024X（2015）03－0047－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.03.011

2014-11-17

火炬计划（2013GH580096）；天津市高等学校国家级大学生创新创业训练计划项目（201310058036）

牛萍娟（1973—），女，博士，教授，研究方向为新型半导体发光器件、LED驱动电路和半导体照明应用系统.E-mail：pjniu@hotmail.com