程 敏，季 清，吴仁杰，黄 蓉

(苏州大学，江苏 苏州 215000)

引言

植物补光技术使用人工光源作为自然光的补充，能够在植物的生长过程中提供更合适的光照环境，对光合作用、形态建成和物质代谢产生积极作用。然而，光照环境在植物生长所需的所有环境因子中最复杂、最难调节。近年来，植物光质生理学的研究也表明，不同类型的植物在不同阶段所需要的最优光照条件也存在差异。如何通过人工光源对光照参数进行精准调节，对构建和应用最优光配方非常重要，成为促进植物生长植物补光的技术关键。

光照环境的参数主要包括光照强度、光周期和光质三个部分，称为光配方[1]。光照强度是光照环境中最为直观的因子，它对植物生长也起决定性作用。对于绝大多数植物而言，它们的光合作用效率一般与光照强度呈现正相关状态，直到光照强度达到光饱和点。光周期是指昼夜周期中光照明期和暗期长短的交替变化，太阳光照的光周期即为白天与黑夜的交替。光周期调控对于诱导开花很重要[2]，且不同植物所需的光周期也有所不同[3，4]。光质即光谱分布，植物对于不同波长的光照的吸收强度是不一样的。植物通过光合色素来吸收和传递光能，常见的光合色素为叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素，它们的吸收光谱如图1所示。

图1 植物吸收光谱Fig.1 Plant absorption spectrum

植物对光质的需求和响应机理很复杂，针对不同种类植物的最优光配方的研究是近年来光质生理学领域的热点问题。考虑到植物种类对光照环境需求的差异，光配方的构建需要能够调节光质比的植物灯，以便于尝试不同光质构成对植物生长的影响。在光配方的实际应用中，也需要在植物生长的不同阶段，结合空气和土壤等其它环境参数动态调节光配方，使植物始终生长于最优的光照环境。

LED作为新型光源，具有光谱集中、发光效率高、冷光源和可控性好等优点[5]，近年来被认为是最优质的植物灯光源。但目前市面上的植物灯，通常使用单色LED芯片搭配的方式构成光谱，其光质以及光周期并不能进行动态调控，且存在无效光照面积大、光分布不均、必须贴近植物等问题，无法使植物获得优质的光照环境。

为了解决以上问题，本文设计一种使用红、蓝、暖白、远红(Red, Blue, Warm White, Far Red, RBWF)四芯片集成LED作为光源，并对光分布进行优化，同时采用嵌入式可调恒流的方式驱动LED植物灯，能够以光配方模式动态调节光质比、光照强度和周期，使LED植物灯能够适应不同植物在不同生长阶段对光照环境的需要。

1 多光质LED灯珠的光质设计

红光是植物生长过程中所需要的最主要光质，能够通过光合色素吸收驱动光合作用，还能够通过光敏色素在调控光形态建成上发挥作用，生物需求数量居于各种单色光质之首。蓝光对植物光合作用的促进仅次于红光，以外还具备抑制茎伸长、刺激气孔张开等信号调控作用，不同物种对蓝光的生物响应差异很大。绿光更能深入冠层，促进底层叶片光合作用，改善植物品质、逆转蓝光对气孔的刺激[6]。紫外光中部分光质能够影响植物的光形态建成和次生代谢，诱导胁迫响应。远红光对光合作用意义不大，但是红光/远红光比值对作物株高、节间长、开花等形态建成具有重要作用[7，8]。

由于植物的多样性，不同的植物最适合的光谱并不相同，如生菜、草莓、油菜、黄瓜生物量最大的红蓝光比例分别为12∶1、7∶3、1∶3、9∶1[9，10]。而且，同种植物在不同的生长阶段所需的光谱也不尽相同。如红光在生菜苗期并不利于生物同化物的积累，而在生菜的成熟期可以显著促进叶片同化物积累[11]。

目前市面上常见的LED植物灯通常采用红蓝两种单芯片LED，通过预先设定红蓝光配比，产生固定的光谱，其光质比、光照强度和周期不可动态调节，无法适应不同植物在不同生长阶段对光照环境的需要。

大功率多光质LED灯珠在每颗灯珠中集成了3～5种发光芯片，每种光质的发光亮度独立可调，相比固定灯珠搭配方式的LED植物灯而言，更适合光配方模式的应用。然而，发光芯片本体直接限制了多光质灯珠光谱调节的自由度，常见的大功率多光质LED灯珠为红、绿、蓝、白(RGBW)四色，其光质构成不适合直接应用于植物补光。因此，本文首先通过设计和选取合适波长的发光芯片组合为LED灯珠，使其可能产生的光谱能够适用于不同种类植物在不同生长阶段对光质构成进行动态调节的需求。

由图1可知，叶绿素吸收光谱的最强吸收区有两个：一个在波长为640～660 nm的红光部分，另一个在波长为430～450 nm的蓝紫光部分。红光和蓝光是植物生长最重要的两种光质，也是目前植物光质生理响应中被研究最多、配方积累最有经验的两种光质，因此，红蓝光是必选光质芯片。植物对绿光的需求不多，而白光中的绿光、黄光和橙光部分能够对光谱实现高效率的补充。远红光(700～760 nm)作为特殊光质，可以适用于药用植物和花卉栽培场合的需求。

本设计的LED灯珠包含红光、蓝光、暖白光和远红光(RBWF)四种光质，如图2所示。其中，红光(Red)波长655～660 nm，蓝光(Blue)波长为452.5～455 nm，暖白光(Warm White)色温为2 800～3 200 K，远红光(Far Red)波长为725～730 nm。四种光质的发光芯片集成于单颗LED灯珠中，每颗灯珠有8个引脚，每种光质芯片芯片两个引脚，分别连接其阳极和阴极，四中光质芯片的发光亮度能够独立调节。

图2 四芯片LED灯珠实物图与结构图Fig.2 Four chip LED lamp bead physical figure and structure diagram

图3给出了四种光质独立驱动时的光谱测试结果：

图3 各光质的光谱测试结果Fig.3 Spectrum test results of each light quality

其中红光、蓝光和远红光的波长比较集中，光质单一，暖白光中含有少量的蓝光、中量的绿光和黄橙光、大量的红光。植物育苗和生长早期需要的红蓝比值(R∶B)较低，可以仅采用红光和蓝光单元调节光质；中后期可以通过调节暖白光的亮度，增加红光成分，同时适当补充绿光和黄橙光；植物的避荫反应和开花结果等形态建成对红光和远红光比值(R∶FR)较敏感[12]，必要时可以根据红光和暖白光中的总红光总量调节远红光的亮度，以达到需要的R∶FR值。

2 多光质LED植物灯的光分布设计

LED植物灯需要能够使其光通量尽量集中在其照射的种植区域内，同时保证光质和光照强度的均匀性，才能够提高电能利用率和种植物生长环境的一致性。

采用红光和蓝光等单光质灯珠搭配光谱的植物灯，由于不同光质的灯珠间隔一定距离，通常会导致植物灯的光分布不均匀，出现光斑现象，如图4所示，照射区域内出现部分区域只含有红光或蓝光。

图4 红蓝单芯片LED的光斑问题Fig.4 Light spot problem of red and blue single chip LED

此类植物灯一般采用较多的小功率、大发光角度的LED灯珠组合为发光阵列，以提高植物灯在整个照射面的混光均匀度。这导致此类植物灯的无效照射面多、必须贴近植物，使得电能浪费严重，种植物的植株高度受限，影响其实际应用价值。

多光质LED灯珠中不同光质芯片的距离很近，如图2(a)所示，能够有效提高混光效果。然而，经过半球形一次透镜的胶状后，由于各光质芯片与一次透镜的相对位置不对称，灯珠的光质还是会出现光斑现象。本文在灯珠本体一次透镜的基础上，增加40度或90度珠面透镜作为二次透镜，强化混光效果，减少光斑现象。同时，较小发光角度的二次透镜还可以使光通量更加集中在种植范围内，提高光通量的照利用率，减少无效光照面积，降低能耗。

本文设计的LED植物灯整体为长条形，LED灯珠采取横向对称分布。图5(a)和(b)分别为植物灯横向和纵向的结构图，X和Y为植物灯横向和纵向的照射范围，植物灯整体照射范围基本呈椭圆形。

图5 植物灯结构图Fig.5 Structural drawing of plant lamp

LED灯珠连接时采用六个灯珠的不同光质分别串联，构成一组，各组之间并联，每个植物灯使用三组共计18颗灯珠，相邻间隔5 cm，单颗灯珠最大功率9.1 W。植物灯整体长100 cm，宽5 cm。

图6给出了本文设计的LED植物灯红、蓝、暖白、远红四种光质的光分布测试 结果。其中，分别测试各光质的光照强度分布，每种光质的驱动电流为1.8A，植物灯与测试平面相差距离为50 cm，X轴和Y轴对应图5中X与Y的方向，X轴测试距离为120 cm，Y轴测试距离为40 cm，测试范围中心对应植物灯光照范围中心。光照强度采用PPFD光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density)表示，单位为μmolm-2s-1，测试仪器为植物光照分析仪OHSP350P。

图6 LED植物灯的光照强度分布Fig.6 Light intensity distribution of LED plant lamp

由图6可知，LED植物灯的四种光质分布基本一致，光通量主要集中于中心种植区域，光质均匀，光通量和电能利用率高。

3 嵌入式恒流驱动及光配方模式

植物生长人工光照的光配方模式应用，需要能够对LED植物灯的光质进行动态独立调节。在其它需要调光的应用场合，一般采用恒压驱动和脉冲调光结合的方式，即12V或24V恒定电压加载于串/并联后的LED阵列的阳极，在其阴极增加脉冲调光开关，以人眼不可见的脉冲频率和宽度调节LED的平均电流值，此时LED实际上工作于脉冲间歇模式。然而，脉冲光源的瞬时光照强度、调光脉宽和频率对于植物生长的影响还处于待研究状态。因此，常规LED调光方法不适用于LED植物灯的光配方应用。本文以嵌入式恒流调光的方式驱动多光质LED植物灯，依据光配方参数直接调节每种光质的驱动电流，精准控制LED的持续驱动电流。

图7给出了以光配方模式构建的LED嵌入式恒流调光驱动原理图。其中，四路直流-直流变换电路采用四路改进型buck变换器，以持续恒流的方式分别驱动红、蓝、暖白和远红光四种光质支路。每条支路的输出电流通过DSP控制芯片进行独立控制，驱动电流的大小由电流各光质的电流参考值决定，可以精确调节，且稳定无频闪。驱动控制模块使用通信电路与上位机连接，从而上位机可以通过发送光配方数据来控制各光质的电流参考值以及光周期。

图7 LED嵌入式恒流调光驱动Fig.7 Embedded constant current dimming driver of LED

图8为改进型buck变换器的电路图。变换器1～4的电路结构相同，每个变换器输入端并联，即采用同一个直流电源。

其中，DC为24～48V直流电源，Q为开关管，C1和C2为输入、输出滤波电容，L为储能电感，D为续流二极管，红光LED为变换器1的负载，每路变换器连接对应光质的LED作为负载，R1为红光LED电流采样电阻，R2～R5的阻值决定差分放大回路对R1两端电压的放大系数。dsPIC33FJ32MC芯片为DSP控制芯片型号，其具备4个独立的PWM输出口，可以分别控制4路变换器，同时使用4个独立的AD转换引脚，来接受四路变换器反馈。

主功率回路采用脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)的方式控制，输出电压VOUT为：

VOUT=VIN·d

(1)

其中VIN为输入电压，d为PWM的占空比。通过控制PWM的占空比d，对主功率回路的输出电压进行控制。

但由于LED的发光亮度取决于正向电流的平均值大小，且LED是非线性元件，导通时，正向电压的微小变化会引起正向电流的较大变化，所以恒压输出的驱动对LED产生的光强度无法精确控制。并且如果采用恒压驱动，随着LED导通时间的增长，LED的温度会上升，伏安特性会发生变化，产生温漂现象，造成光照强度变化[13]。

图8 改进型buck变换器电路图Fig.8 Circuit diagram of improved buck converter

因此，需要将LED的电流值设为反馈量，根据LED电流值的大小调节PWM的占空比d。通过将采样电阻与LED进行串联，再检测采样电阻两端的电压值，可以获得LED中的电流值。为了减少采样电阻的功率损耗，将选取阻值较小的采样电阻，但这样会减小采样电阻反馈信号的幅度，导致DSP接收到的反馈信号失真。所以需要添加差分放大回路来将信号放大，再输入到DSP的AD引脚中进行AD转化。DSP再根据电流参考值，计算出电流误差，对PWM信号的占空比d进行调节，从而保证LED能够恒流无频闪运行。

图9为LED植物灯调光程序流程图，图9(a)为驱动根据光配方调节植物灯电流程序流程图，图9(b)为上位机修改光配方程序流程图。

调光控制系统分为两种控制模式：动态模式与光配方模式。动态模式下，各光质LED电流值不会随时间变化，保持一个稳定值。而光配方模式下，则能够根据时间变化控制各光质LED电流值变化，达到控制光周期的效果。

LED植物灯在启动时，会先进行初始化，再确认植物灯的默认模式，如果为动态模式，则先设定各光质电流基准为0，等待上位机发送光配方数据，当接收到光配方数据时，则根据光配方更新DSP中的电流参考值，调节LED植物灯电流。

如果为光配方模式，则会先触发一次定时器中断，然后读取计时电路的时间，根据时间去数据存储电路预存的光配方数据中查找到对应时间的各光质电流值，再更新DSP中的电流参考值，调节LED植物灯电流。定时器中断以一定时间间隔进行触发，每触发一次，则会根据时间更新DSP的电流参考值。

上位机要修改光配方数据，则需要发送光配方数据至通信电路，DSP控制芯片接收到数据后，先判断控制模式，如果为动态模式，则直接修改DSP中的电流参考值。

如果为光配方模式，则会先将上位机发送的光配方数据进行处理，将光配方以1 h为间隔，分解出24条数据，每条数据包含对应时间内的四路电流参考值，然后将数据存入数据存储电路中，覆盖原始光配方数据。

上位机除了能够修改光配方数据，还具备切换控制模式，查询当前各光质LED电流，同步时间等功能。

4 实验分析

为了验证上述4路LED驱动电路设计方案的可行性，搭建了如图10所示的实验样机。主要参数如下：直流输入电压24 V，输出滤波电容C为470 μF，储能电感L为100 μH，采用485串口进行通信。

图10 实验样机Fig.10 Experimental prototype

负载使用单颗最大功率为9.1 W的RBWF四色灯珠。采用6串3并的连接方式，即6颗灯珠串联为一组，三组互相并联。共使用18颗灯珠。

实验主要测试了植物灯不同光质配比的光谱以及各光质LED驱动的输出效率。光谱测试结果如图11所示。

图11 植物灯光谱测试Fig.11 Spectrum test of plant lamp

图11中坐标横轴为波长，纵轴为光照强度比值，将光照强度峰值定为1。PPFD_R、PPFD_B、PPFD_G、PPFD_FR，分别为光照中红、蓝、绿、远红光分量的PPFD。

图11(a)为红蓝光质比为2∶1的光谱图，红蓝LED电流比为2∶1，图11(b)为采用暖白光LED为红光LED进行补光的光谱图，使红光LED电流减半，同时由于暖白光中包含蓝光分量，为了保证PPFD_B不变，降低蓝光LED至0.78 A。图11(c)为采用暖白光LED为蓝光LED进行补光的光谱图，使蓝光LED电流减半，为了保证PPFD_R不变，降低红光LED至1.33 A。图11(d)为在红蓝光质比为2∶1的基础上添加远红光的光谱图，远红光电流为1.8 A，红光与远红光光质比约等于2∶1。

由图11可以看出，植物灯驱动对于光质比的调控具有不错的准确度。同时，由图11(b)和(c)可以看出，暖白光的补光可以对绿光以及其他波长的光照补充。

各光质LED驱动的输出效率如图12所示。

图12 LED驱动效率测试Fig.12 Efficiency test of LED driver

图12横轴为各色LED流经的电流，纵轴为LED驱动的效率。由图中可以看出，蓝光LED和暖白光LED驱动时效率更高，电流为0.7 A左右时，效率便可以达到90%。而红光LED和远红光LED的效率偏低，需要1.4 A左右的电流值，效率才能达到90%。不同LED之间效率有差距是由于蓝光和暖白光需求的电压值高与红光和远红光，导致Buck电路占空比d更高，而Buck电路的效率与占空比d呈正相关。

5 结语

本文设计了一种光配方动态可调的LED植物灯，光源采用集成了红、蓝、暖白、远红四芯片的LED灯珠，四芯片独立控制。并通过添加40度或90度透镜来优化光分布，减少光斑现象，集中照射区域。使用DSP控制的Buck电路对LED植物灯进行可调恒流驱动。通过DSP及外部电路，使LED植物灯的光质、光强和光周期能够依据植物生长的需要进行实时调节。实验结果验证，本设计具有调光精确度高、电能利用率高、光谱可调范围大等优点。