温志鹏，马稚昱,2，韦鸿钰，2，骆少明,2

(1.仲恺农业工程学院 机电工程学院，广东 广州 510225；2.广东省特色农业现代化(精准农业智能化装备)产业发展重点实验室，广东 广州 510225)

引言

光是植物生长发育、形态建成的关键环节。近年来随着设施农业的快速发展，人工光源在现代农业中发挥着越来越重要的作用[1,2]。新型光源LED具有体积小、节能、环保、寿命长、波长固定与低发热等优点，在植物工厂中具有很好的发展前景[3-7]。然而目前LED植物光源多采用阵列型结构，其结构简单但均匀性较差[8-10]。因此设计出光谱比例均匀、受光面强度均匀的LED植物光源具有重要意义。大量的研究表明植物生长所需的波长在400～700 nm之间，其中在蓝光和红光区的光合效率最高[11-13]。本文基于红蓝两种不同类型LED灯珠对LED植物光源的结构及均匀性进行实验分析，并利用仿真设计提出LED植物光源灯珠排列的优化设计方案，为制造出光照均匀、设计合理、智能可调的多光谱组合LED植物光源提供了重要的参考数据。

1 光源模组设计与验证

1)光源模组的设计。本实验选择了两种LED灯珠，一种是大功率型LED，为光宏38 mil芯片(植物红)及晶元30 mil芯片(植物蓝)；另一种为光宏贴片型LED(3030)，具体参数见表1所示。基于两种灯珠设计了四种带有不同侧板灯架的LED光源模组(125 mm×125 mm)：垂直反光板(RG1)、30°倾角反光板(RG2)、30°倾角普通板(RG3)、无侧板(对照组NG)，如图1所示。

表1 贴片型和灯珠型LED基本参数

图1 四种LED光源模组示意图Fig.1 Four kinds of LED light source module schematic diagram

LED光源模组的电路设计方案如图2所示，分别为含有16颗灯珠的红蓝LED矩形灯板，红蓝LED交错排列，8红8蓝共16颗，4×4红蓝相间分布排列在电路铝基板，其中红蓝灯珠电路相对独立，可实现单色独立独立调控。LED电路的工作电压分别为17 V(红色)和24 V(蓝色)，可通过调整电流改变LED发光强度，总供电电源为41 V，电流为0.35 A。

图2 两种LED铝基板电路图Fig.2 Two kinds of LED aluminum circuit diagram

2)测量仪器及方法。光源光照强度和均匀度的的测量采用将垂直方向上不同距离的照明平面离散化成4×4个大小相等的网格，并将每个网格区域视为一个点，测量每个点的光照强度，具体如下：在距离LED光源模组正下方150，200和250 mm处选取3个受光面，使用光合有效辐射计(浙江托普GLZ-B)采用16点法测量光合有效光量子通量密度(PPFD)。16点测量方法：对光源正下方目标受光面125 mm×125 mm的区域进行网格划分，等分成行列4×4的16个网格，测量顺序按照图3网格编号顺序进行，每个受光面重复3次测量。

图3 网格编号Fig.3 Grid number

为了对比基于两种不同LED灯珠构建的LED光源的发热效果，如图4所示在两种LED光源的铝基板背面四角及中间位置各安装1个温度传感器(PT100贴片式传感器，HS-TP08)，在两种光源在工作电流0.35 A，电压为41 V条件下工作第2 min、5 min、10 min及20 min时记录铝基板5点温度值并计算出均值。

图4 铝基板温度测量示意图Fig.4 Aluminum substrate temperature measurement

3)数据处理。采用Microsoft Excel 2016和Statview5.0软件对PPFD的平均值、最大值和均匀度，以及工作温度平均值进行统计分析。

4)实验结果与分析。

(a)光照强度与均匀度的分析。从图5～图7可以看出，灯槽侧板的结构对LED光源的光照强度和均匀性的影响是显著的，增加侧板后光源的光源强度均有所增加，30°倾角反光板(RG2)光源模组下光照均匀度均是最好，相反垂直侧面反光板光源模组的光照均匀度最差。灯珠类型对LED光源的光照强度影响比较大，大功率型LED光源的光照强度均大于3030贴片型LED光源；但对光源光照均匀性的影响并不明显。在垂直方向上3层受光面的光照强度随着垂直距离越大，每种不同结构的光源光强均值越小，光照均匀度越好。在垂直距离为150 cm的受光面内，大功率型LED光源的光照强度的变化为RG1>RG2>RG3>NG；在垂直距离为200和250 cm的受光面内，大功率型LED光源的光照强度的变化为RG2>RG1>RG3>NG。

图5 在受光面距离为150 mm处不同光源模组光照强度及均匀性Fig.5 Illumination intensity and uniformity of different light source modules at a receiving surface distance of 150 mm

图6 在受光面距离为200 mm处不同光源模组光照强度及均匀性Fig.6 Illumination intensity and uniformity of different light source modules at a receiving surface distance of 200 mm

(b)两种类型LED光源的发热效果。为了分析LED灯珠发热变化，通电后不同时间点分别对两种类型LED灯珠构成的光源模组铝基板的5点温度取平均值，根据试验组的测试结果，可以得到两条温度平均值随着通电时间的变化曲线，如图8所示。通过对各曲线进行线性拟合分析，可获得对应曲线的斜率，其值分别为0.79和0.37，斜率越小说明温度变化越小，升温越慢，即3030贴片型LED光源铝基板的温度升速度比大功率型LED光源的升温速度快，在相同通电时间条件下，3030贴片型LED光源铝基板的温度也比大功率型LED光源的温度高。

综上所述，分析结果表明：①增加反光侧板的优点可以在一定程度上增加光照强度，提高均匀性，也可以保护LED灯珠；②同比其他模组，30°倾角反光板(RG2)光源模组下光照均匀度均是最好，光照强度同比较强；③大功率型LED灯珠构成的光源具有光照强度大，发热低的优点。

图7 在受光面距离为250 mm处不同光源模组光照强度及均匀性分析Fig.7 Illumination intensity and uniformity of different light source modules at a receiving surface distance of 250 mm

图8 通电时对两种LED光源铝基板温度的影响Fig.8 The effect of power-up duration on the temperature of aluminum substrates of LED light souse

2 Tracepro仿真与分析

1)建模与设计。基于光源模组设计及验证实验的结果，选用大功率型LED灯珠构建条形LED植物光源模型，模型长度为800 mm，基板宽度30 mm，灯壳侧面反光倾角为30°，反光板宽度30 mm，光源首尾LED灯珠距离为760 mm，红蓝LED交错排列，利用Tracepro软件进行仿真建模，分析研究不同灯珠排列方式对光源模组均匀性的影响。

LED灯珠排列组合方案如表2所示。对照组采用等间距均匀排列(EA：Equally Arranged)，实验组为对称双重等差数列排列(SA：Symmetric dual arithmetic progression)，首项分别为：20、25、30、35 mm，光源模型如图9所示。

表2 LED排列组合方案

图9 不同排列条形LED光源模型Fig.9 The simulation modeling of strip LED light sources for different arrangement

2)数据处理。采用Microsoft Excel 2016和Statview 5.0软件对辐射照度E的平均值、最大值和均匀度进行统计分析。

3)结果与分析。从图10和图11可以看到，灯珠的不同排列方式对光源总辐照度均值的影响并不显著，但对光照均匀度的影响是显著的。从图10仿真辐射照度分布变化图中可以看到，随着等差数列首项数值的增加，LED条形光源的均匀性得到改善，从图11可以得到在不同排列方案下光照均匀度的变化规律为SA30(78.9%)>SA35(78.14%)>EA38(77.47%)>SA25(77.22%)>SA20(75.16%)，光照均匀度随等差数列排列首项值的增大呈现先上升后减小的趋势，在方案SA30排列下总辐射照度均匀性最高，均匀性良好，说明该组合光源的排列合理。

图10 21个LED组合方案辐射照度分布图Fig.10 Radiant illumination distribution map of 21 LED combination schemes

图11 总辐射照度分析Fig.11 Analysis of total irradiance

3 结论

我们通过试验分析了LED灯珠类型、侧板结构对LED植物光源模组的光照强度和均匀性的影响。通过实际测量直观比较了光源光照强度和均匀性的变化，分析结果表明增加侧板可以在一定程度上增大光照强度，并且增加30°倾角反光板光源的光照均匀性得到了很大的改善；大功率型LED灯珠构成的LED光源模组的光照均匀性得到改善，且具有发热低的优点。因此实际设计LED植物光源时，可通过增加一定角度的侧板来提高LED植物光源的均匀性。最后，我们利用光学仿真软件Tracepro对大功率型LED条形光源进行了仿真分析，结果发现灯珠的不同排列方式对LED光源的辐射照度均匀度的影响是显著的，对称双重等差数列的排列方式优于等间距排列方式，其首项值为30 mm时LED条形光源的均匀度最高，均匀性良好，其排列合理。

本次研究仅对红光蓝光两种LED构成的条形LED光源进行了仿真分析，分析方法及结果具有一定的普遍性和参考性。但是，植物生长需要的是全光谱复色光照明。因此，针对全光谱复色LED组合光源的排布及光照均匀性还有待做进一步研究，为开发满足植物生长需求的高效LED植物生长光源提供理论依据。