工业4.0背景下智能化LED的研究进展

韩学才 童伊琳

摘 要：随着工业4.0概念的出现，生产制造的传统思维正经历着前所未有的冲击，工业化和信息化的高度融合和升级将是未来生产模式转变的主旋律。作为具有庞大照明市场的LED行业，在新的历史形势下，只有走LED智能化的道路才能越走越远。就目前而言，对于LED智能化的方向主要分为农业智能化和光通讯智能化两个方面。

关键词：工业4.0；智能化LED；农业；光通讯

引言

在互联网概念还处在世界主流地位时，德国学术和产业界于2013年在汉诺威工业博览会上第一次提出了“工业4.0研究项目”，此概念的核心是信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems，CPS），整合各种数字信息、资源、产品和人，从而建立起高效快速灵活的信息化，数字化的产品与服务的生产模式。此概念一经提出则从德国迅速传播到欧洲，并开始影响世界[1]。

1 智能化LED照明的内涵

传统的LED早在1962年就已经出现，一开始LED产品只能发出低光度的红光，而现在能发出的光已经遍及可见光、红外光以及紫外光；同时用途也从最初的指示灯、显示板发展到显示器、采光装饰和照明[2]。近年来，随着互联网，云计算等新技术的出現，人们已经不满足于LED照明高亮度、低能耗、寿命长、功率小的这些基本的功能和所带来的经济效益，而是更多的以LED与先进物联网和云计算技术相结合，从人体心理学、生理学和社会学出发，考虑个体舒适度，光生物安全等改善学习、工作和生活的条件软指标和减少空气污染保护环境的社会效益，即LED的智能化[3]。

而在工业4.0的大背景下，结合近十几年来传统LED同质化低端化出现严重产能过剩的问题，我们对于LED产品的发展和需求已经不能仅仅的停留在照明的本身性能上，而是努力的与其他产业技术相结合，以期获得具有复合功能的LED智能灯，从而对LED产业产能进行分流。就目前为止，有两个主要的分流方向，第一个是向农业照明领域突破，第二个就是向光通讯领域发展。

2 LED农业智能化

在农业方面，我们知道光是植物生长发育最为重要的环境因素之一，对于植物的光合作用和生长发育新陈代谢都有着直接的调节作用[4]。目前已知的环境因素，比如相对的潮湿、温度、光强度和光质量都对植物的生长和发展有着密切的影响。而在这些因素中，光质量则直接影响植物干的生长，侧分枝，叶扩展和色素的沉积等主要的生长指标。而这些光质量的集成，主要是通过持续强度的红光，蓝光，同时荷尔蒙信号的路径对植物有着深刻的影响触发生理学反应从而对植物的生长和发展起着控制作用。

采用LED作为控制植物生长的人工光源的优势在于具有高的能量转换效率、使用的是直流电源、产品体积小，寿命长、波长确定、光强度/质量比可调和低的热能输出。一些农作物已经在被LED光照下进行培养了，比如蜗居、辣椒、小麦、菠菜等。研究表明，红光对植物光合作用的器官发展有着重要的作用，同时它还可以增加植物上淀粉的积累量。同时有报道，用远红外辐照植物可以提高稻壳的抗氧化性。这表明特定的光照辐射可以增加食物中的营养成分[5]。总的来说，从长远的角度去看，LED大有取代传统照明光源的趋势。

基于LED的智能照明系统技术可以被广泛的应用于植物或动物的生物研究中；同时这种智能系统还可以比较精确的确定特定植物生长所需要光照的强度和质量；另外智能系统还可以分析不同光脉冲条件下植物的生长情况影响。可以预见基于LED的农业智能化系统将会是“工业4.0”在农业上应用的重要体现。

3 LED光通讯智能化（lifi）

Lifi被认为是一种在21世纪出现的新的光设备。设计这种设备的基本思想是可以通过LED的灯光对数据进行传输。但通过LED光能传输的数据数量还是相对较少的。目前，Lifi被称为Wi-Fi的一个优化的版本，它的优势在于可以通过无线通讯大量的降低成本。被誉为“Li-Fi之父”的英国爱丁堡大学教授Harald Hass（哈拉尔德-哈斯）认为Lifi技术的核心在于发光二极管的强度和潜力[6]。他同时认为这种技术可以改变我们上网，视频，收发邮件等等。由于社会发展对数据的传输是有广泛的需求，所以lifi技术的应用可以扩展到那些Wifi技术覆盖不到的领域，比如医学技术，发动机等各种其它的行业。由于lifi被认为是有着最快速的互联网接入服务，所以这项技术就很有可能取代目前研究所和公司中广泛应用的wifi，同时人们可以用lifi技术扩展更多的特殊领域[7]。

4 结束语

在工业4.0概念的影响下，LED传统行业必然要向智能化的趋势进行转变，其发展方向也必然是工业化和信息化的高度融合。21世纪被称为“光的世纪”，而植物所具有的光合作用也是万物生命的基础，凭借着LED人工照明系统高光效低能耗，同时兼顾信息化可调控的优势，LED农业智能化将会推动农业和生物行业的高速大发展。另一方面，在光通讯行业，Lifi的概念开始渐渐受到人们关注，这不仅仅是因为其相比于无线电磁波更高效，更广泛的应用。当越来越多的人和设备接入无线网中，在空气中传播的电磁波就会越来越阻塞，这使得人们获得一个持续的高速的信号变得很困难。所以基于LED的lifi技术的出现可以克服目前无线网络中的诸多限制，从而提供一个安全、高效、高速的光通讯环境。

参考文献

[1]左沈怡.工业4.0有多远？[J].上海国资，2015，1：52-54.

[2]王公龙.LED照明灯的推广使用[J].城市建设理论研究（电子版），2015，5：2248-2249.

[3]曹勇.探讨现代建筑电气中的智能照明问题[J].赤子，2013，6.

[4]战吉 ，黄卫东，王利军.植物弱光逆境生理研究综述[J].植物学通报.2003，1：43-50.

[5]Jeong Wook Heo，Chun Woo Lee，Kee Yoeup Paek.Influence of Mixed LED Radiation on the Growth of Annual Plants[J].Journal of Plant Biology.2006，49：286-290.

[6]Kanchan Gupta.Lifi-Light Fidelity Technology-A Review[J].International Journal of Research，2014，11：135-139.

[7]N.Navyatha，T.M.Prathyusha，V.Roja，M.Mounika.Li-Fi（Light fidelity）-LED Based[J].International Jounal of Scientific&Engineering Research，2013，5：1039-1042.

作者简介：韩学才（1985-），男，汉族，湖北省武汉市人，工学博士，研究方向：光电子信息。

童伊琳（1987-），女，汉族，湖北省武汉市人，工学博士，研究方向：光电子信息。