多通道光量子传感器的设计与应用

对植物生长的光环境的测量是LED植物工厂等都市农业研发和生产的基础。目前,人工光源植物照明多使用蓝光、红光、远红光等单色LED,而光合有效辐射(PAR)光量子传感器测量400~700 nm波段的光量子通量密度,无法同时测量这几种单色LED的光量子通量密度,因而无法实现光质比的实时测量及与其他系统的反馈控制,为此我们提出一种多通道光量子传感器来解决该问题。我们阐述了该传感器的设计原理及结构;推导出不同通道的标定系数表达式,随后应用基于DMX512协议的控制器搭建标定装置,并以红光通道与蓝光通道为例对文章所设计传感器定标,结果表明该传感器拥有很好的线性响应度;最后利用该传感器设计了一套能够控制总光量子通量密度及光质比的智能光环境控制系统。     

LED植物补光源光量子通量密度的数据采集系统

LED植物工厂等都市农业生产和研发的基础是对植物生长的光环境的测量,由于植物光合作用主要是吸收可见光中的红光和蓝光,因此现在有关LED植物工厂的企业以及研发机构多采用蓝光、红光、远红光等单色LED进行植物补光,然而现在用于对单色补光的数据采集系统多用于测量400~700 nm波段的光量子通量密度,无法同时测量红光和蓝光LED的光量子通量密度,给进一步研究光质比的实时测量及与其他系统的反馈控制带来了阻碍。因此本文提出分别测量LED光源中红光和蓝光的光量子通量密度以解决以上问题。本文阐述了LED光量子数数据采集系统的整体结构以及硬件设计以及软件设计,并用该系统对红蓝光光量子数进行实时监测,然后和实际值进行比对,结果表明该系统所测数据在可承受的误差范围之内。     

LED智能植物工厂光配方构建与应用

植物工厂是设施园艺发展的高级阶段和必然趋势,LED智能植物工厂是植物工厂的发展方向。基于光配方的植物工厂光环境动态管理水平高低决定着LED智能植物工厂运行效率(高产、优质和节能)的高低,智能光环境管理是植物工厂核心关键技术。本文综述了LED智能植物工厂光配方概念、内在参数及其构建方法,强调了LED智能植物工厂光环境调控模式。在今后很长时期内,光环境的动态管控技术装备研究将一直是LED智能植物工厂领域的研究热点。     

LED光照对大麻素积累的影响及大麻种植人工光照系统设计探讨

随着欧美一些国家大麻种植合法化,植物光照海外市场迎来的爆发期,2020年我国LED植物光照产品的出口市场呈现迅猛增长。LED以其高效节能和光谱可控等特点,已经应用于大麻种植领域。本文介绍了大麻的植物学特点、大麻素、大麻的分类与应用,通过对国内外相关研究的分析,重点阐述光合光子通量密度(PPFD)、光质、光周期对大麻生长发育和大麻素积累的影响,提出相关建议和思考,最后探讨LED人工光照系统的设计方法。     

育苗光质生物学综述

光质是育苗生长过程中的光环境影响重要属性之一,它既参与幼苗的光合代谢,也调控幼苗生理活动中的光形态建成,从而影响幼苗根茎叶等器官组织的生长变化。本文阐述了目前国内该领域的研究成果和面临的难点,提出了科研攻关建议,并介绍了随着LED科技的发展,以及现代农业对育苗规模化、高效品质化需求的迫切性与必要性,得出LED应用于植物育苗,将成为现代农业照明应用必然趋势的结论。     

人工光植物工厂特殊光照模式及其应用策略

LED光源可调制光谱和光环境,实现了动态光照过程的智能控制,极大地丰富了人工光植物工厂光照的内涵,通过LED光照属性特征的调控实现了一些特殊光照模式的应用,比如连续光照、交替光照、间歇光照。通过三种特殊光照模式属性特征的筛选优化,建立合理的光照模式应用策略被认为可大幅度提高人工光植物工厂的生产效率和植物生产力,达到优质高产高效的生产应用目标的重要手段。本文系统总结了国内外有关连续光照、交替光照、间歇光照的概念及其应用策略,以提高人工光植物工厂的植物生产力。     

《植物工厂植物光质生理及其调控》新书出版

正由中国照明学会农业照明专业委员会秘书长、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所刘文科研究员和查凌雁博士共同编著的设施园艺领域新书《植物工厂植物光质生理及其调控》已于2019年5月由中国农业科学技术出版社出版。该书包括十三章内容:第一章植物工厂光环境及其调控概述;第二章植物工厂光环境调控的植物生理基础;第三章植物工厂植物生长发育光质调控生理;第四章植物工厂植物光质营养生理;第五章植物工厂植物光质代谢生理     

LED短时强光照射提升植物工厂叶菜品质的应用策略

人工光植物工厂可采用LED照明和无土栽培技术生产绝大多数农作物种类,其中叶菜是最重要、应用最广泛的农作物种类。叶菜因受无土栽培营养液硝态氮供给浓度高、LED光照强度较低等因素的影响造成蔬菜可食部分硝酸盐累积、维生素和糖类含量低,综合营养品质偏低,是亟需解决的问题。如何通过投入较小的电能消耗利用光照调控短时间内获得较高营养品质的蔬菜产品是国内外人工光植物工厂领域的研究热点。强光照射可通过强化植物光合作用,诱导产生氧化胁迫等方式消除硝酸盐累积,增加维生素和糖类合成,提高酚酸、类黄酮和花青素等抗氧化物质的含量水平,是一种快速提升人工光植物工厂鲜食蔬菜品质的有效方法。本文提出了短时强光照射提升人工光植物工厂叶菜品质的策略,包括全生育期和采收前应用方法,并总结了研究进展和技术参数。     

育苗光质生物学综述

光质是育苗生长过程中的光环境影响重要参数之一,既参与幼苗的光合代谢,也调控幼苗生理活动中的光形态建成,从而影响幼苗根茎叶等器官组织的生长变化。文章阐述了目前中国该领域的研究成果和面临的难点,提出了科研攻关建议,并介绍了现代农业对育苗规模化、高效品质化需求的迫切性与必要性,发现LED应用于植物育苗将成为现代农业照明应用必然趋势。     

植物工厂中光照效率提升途径简述

介绍了人工光植物工厂内的能量转换概况,指出了植物工厂中影响人工照明效率的主要因素,基于植物光合作用对光照的需求,从光源的光合有效辐射效率、植物冠层光能截获率、植物叶片的光吸收率方面阐述了改善光照效率的基本途径。     

植物工厂LED光源与光环境智能控制策略

简述了植物工厂的定义、优势、本质技术特征和产生的技术基础,提出了LED光源在植物工厂中应用的优势及能耗削减的必要性,强调指出：基于植物光环境需求特性,建立光照配方（ Lighting recipe , LR）和制定光环境控制策略（ Light environment control strategy , LECS）,是保证优质高产前提下实现光能最大利用效率,削减能耗的有效方法。     

基于多光质灯珠的LED植物灯光照均匀性优化设计方法

基于植物生长对光质与光分布的需求,本文设计了一种能够实现光质对称分布、光分布均匀性高的LED植物灯。在红、蓝、暖白、远红四芯片LED灯珠基础上改进,新的LED灯珠由红、蓝、暖白三种独立可调节的光质组成,并进行二次光学设计和LED阵列设计实现了X方向的光质高均匀度分布与Y方向的光质对称。通过Tracepro软件进行光仿真,得到各光质的光照分布,在实验中测量了各光质的实际光照分布,将两种灯珠的光照分布进行对比。建立了二次光学设计下LED灯珠的光照分布模型,提出了光照强度均匀性的评价函数。最后,根据各光质的光照强度分布对光照均匀度进行计算。本文设计的LED植物灯能精准实现X方向光质分布高均匀性、Y方向光质对称分布,整体光照强度均匀性较高,能够对植物实现高均匀照明。     

植物工厂LED照明应用的几点思考

植物工厂LED照明是设施农业照明研究的前沿和重要内容,是设施园艺LED照明光生物学和应用策略研究的重要途径和应用重点方向。从科学认知和科学发展的角度,通过阐述作物LED红蓝光栽培的充要性原理、LED光源植物工厂水培蔬菜的品质优势、LED植物工厂绿光应用策略、LED连续光照应用策略等问题,论证了植物工厂生产的科学技术基础和潜力优势,以推进植物工厂LED照明研发和产业发展,促进跨界交融与协同创新。     

植物照明的测试方法和照明设计

基于人眼光度学的参数无法直接用于植物照明设计。本文介绍植物照明中涉及的辐射度学、光度学、光量子学以及植物光度学等计量系统,推算相应系统间的换算系数,并结合直管LED案例给出植物照明的测试方法,提出了植物照明的设计流程,以高压钠灯的高照度应用进行了设计示例。     

植物工厂立体照明及其应用策略

人工光植物工厂可采用LED照明和无土栽培技术生产绝大多数农作物种类,包括低矮(叶菜、根菜等)和高大植株种类(工业大麻、甘草等).人工光植物工厂通常采用传统的顶部光照的生产模式,但由于照射灯具及其照射方位固定单一,植物冠层截获的光照强度和光质固定(仅随植株大小或株龄变化),而且冠层上部叶片必然遮挡过滤来自上方的光辐射.经...     

植物培养箱内LED光源均匀性的研究

比较了LED排列方式以及匀光板对植物培养箱内辐射照度分布均匀性的影响。在培养箱内安装了四种LED面光源:灯珠环形排列无匀光板(H0)、灯珠环形排列有匀光板(H1)、灯珠矩形排列无匀光板(J0)以及灯珠矩形排列有匀光板(J1)。然后采用太阳分光辐射计(S-2441型)测量培养箱内72×6=432个测试点的辐射照度值,即每层受光面72个点,共6层。四个实验组各水平受光面的辐射照度均匀性采用标准差计算,其结果是:J1(1.004)J0(1.308)H1(2.149)H0(2.608);四个实验组在垂直方向采用辐射照度梯度(斜率)来计算,其结果是:J1(1.066)J0(1.353)H1(1.737)H0(1.783)。结果表明:(1)矩形排列均匀性优于环形排列,因为J1、J0在水平方向的辐射照度变化小,在垂直方向辐射照度变化梯度也小;(2)匀光板可以在一定程度提高均匀性,但也降低了辐射照度值。提供了一种将光合有效辐射照度转换成光合光量子通量密度的计算方法。     

温室园艺LED照明研究与应用现状

LED作为设施园艺光环境调控的优选光源和手段,节能、精准、长寿命且光效率高,可通过光质及其光强和光周期等光照属性的控制,调控植物光合作用和光形态建成,调节设施园艺作物生长发育、生物量和果实产量、开花及农产品品质,获得温室补光的效益。而且,基于时空光环境调控带来的显著效益,动态照明和立体照明应运而生,方兴未艾,应用前景广阔。本文总结了温室LED照明产品和应用领域,提出了动态照明和立体照明技术概念,总结了光质、光强和光周期植物调控的研究进展,重点阐述了光质调控植物园艺作物生长发育、产量、开花及农产品品质的研究进展,对未来温室LED补光产业发展前景进行了展望。     

植物照明LED光源光度系统与光量子系统转化系数的计算和应用

植物对光的利用是以光子为单位吸收和转化的,采用光量子系统中光量子数或光量子密度为单位研究植物对光照强度的需求更合理科学。快速估算光度系统与光量子系统度量单位的转化系数,有利于准确展示科研结果。本文分析得到380～780 nm波段中不同波长的转化系数,在波长550 nm时,转化系数最大,为147.858 lm/μmol。对于单峰LED光谱提出“三点估算法”,转化系数的计算值β与估算值β′之比的平均值为86.1%～93.4%,估算值β′的准确性与光谱的半峰宽、形态密切相关。对于蓝光+红光、蓝光+红光+绿光、白光+红光多种灯珠组合的目标光谱,β与β′之比的平均值为96.1%～105.9%。该研究结果能够快速计算lm、μmol或lx与μmol/(m²·s)的转化系数,为LED在植物照明领域的广泛应用提供技术支持。     

植物照明测量技术的发展历程及新进展

正光辐射照明是植物生长发育的关键环境要素之一,对植物的光合作用、生长发育、形态建成和代谢等起调控作用。光合作用主要受波长400～700nm范围内被绿色植物叶绿素吸收的光合有效辐射所驱动。不同波段的光辐射参与光合作用的权重不同,并且随植物品种及生长的阶段而变化。设施农业中的人工补光必须遵循植物的光生理特性,只有准确测量补光光辐射源的光合有效辐     

人工光型植物工厂光照系统动态调控功能设计与实现

本文重点研究基于工业物联网技术的智能植物培养控制系统环境下植物光照系统动态光调控功能的设计与实现。植物光照系统包括若干组不同波长的LED光源、多路数控电源管理IC及外围电路,与其他终端设备、终端主控板、网关、服务器、应用端Web/app等,共同构成植物培养系统。目的在于提供一种全人工环境植物育种培养设备和控制方法,尤其是根据植物生长周期信息和用户需求,实现LED光照系统的辐射照度、光周期、光谱分布精确动态调控,可高仿真度模拟自然界中光环境要素变化规律,也可以根据植物喜好量身定制光配方。