植物工厂LED照明控制系统设计与研究􀀁[1]

　　摘要: 植物工厂LED照明控制系统涉及到多路LED 独立控制、大功率白光LED的恒流驱动、ECU 单元和系统控制的设计, 以及监测电路与单元通信等技术问题。本文分别对大功率LED驱动和光谱特性、不同波长LED分控点亮和系统控制、现场通信技术进行了研究。在设计过程中完成了大功率LED驱动电路亮度可调、LED光色调整以及散热检测调试和验证, 并以此构成了植物工厂LED照明控制系统的基本单元。在单元的通信接口和优先权限设定之后, 组成了较为理想的现场可控光照系统。结果表明, 经过系统控制设计的LED光源不仅节能、环保, 而且由于LED的亮度、色温、光谱的可控制性满足了植物工厂的需要。

　　关键词: 植物光照; LED阵列; 照度LED驱动; CAN总线

　　植物工厂是国际上公认的设施农业高级发展阶段, 作为自然界象征的植物和人类工业文明的标志[ 1] 。植物工厂给植物提供合适生长环境的系统设备。是一种多学科结合、高技术应用, 几乎不受自然条件制约的全新生产方式。工厂通过人工自然条件提供温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度等生长环境的同时对工厂内环境要素进行自动实时监控,高精度调整控制。工厂为植物提供光照的光源[ 2]主要有高压鈉灯、日光灯。近来随着大功率白光LED的技术突破以及在很多高照度场合的成功应用, 以LED为主光源成为在农业生产中替代传统照明的新趋势。

　　植物工厂的每个栽培架上, 都装有一块或几块灯板。灯板的光源可以由LED阵列组成, 其中以高亮度大功率白光LED为主, 灯板上按一定距离插入红光、蓝光和紫外光LED, 并且以不同比例均匀分布。由于太阳光对于植物光照而言是全波段的, 红光、蓝光、紫外线、红外线等都包括, 因此, 灯板的光谱也应接近自然光。设计一种以白光LED 为主光源辅以其它光色LED 组成的可控光源并按照植物的生长特征合成光谱, 这种光谱综合特性更有利于植物的生长需求。

　　1 LED照明系统的构成

　　LED照明系统是由LED 阵列组成的光源、LED驱动电路、光板管理电控单元[ 3] ECU、温度传感器、亮度和光色传感器以及通信接口构成, 系统结构如图1 所示。多种颜色的LED 按照一定的间隔阵列在灯板上, 不同颜色的LED 配以相应的驱动电路,LED驱动电路受光板电控单元ECU 管理。灯板背面的ECU 根据光色传感器和亮度传感器采集的LED灯板发光特征, 控制不同光色LED 的发光强度, 以获得近似太阳光的综合光谱。电控单元ECU对灯板LED阵列独立点亮管理的同时还可以在灯板与灯板之间、灯板与植物工厂的中央总控系统之间通过局域网交换数据, 接受中央总控系统对不同植物在不同生长期对光谱合成的控制指令。