“挑战杯”河北省大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书设施农业专用LED组合光源的研制

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1、序号： 编码： “挑战杯”2009河北省大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称： 设施农业专用LED组合光源的研制 学校全称： 河北大学 申报者姓名 （集体名称）： 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类A2申报者情况（集体项目）说明：1必须由申报者本人按要求填写；2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；3本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。申报者代表情况姓名性别男出生年月1986.1学校河北大学系别、专业、年级物理科学与技术学院2006级电子信息科学与技术学历本科学制4年入学时间2006.9作品

2、名称设施农业专用LED组合光源的研制毕业论文题目无通讯地址河北大学物理科学与技术学院邮政编码071002办公电话0312-5079354常住地通讯地址河北大学梅园宿舍209邮政编码071002住宅电话13730188515其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位男22本科物理科学与技术学院女21本科物理科学与技术学院男21本科物理科学与技术学院男20本科生命科学学院女20本科药学院资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。是否 （部门签章）年 月 日院、系负责人或导师意见本作品是否为

3、课外学术科技或社会实践活动成果是否负责人签名：年 月 日B3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写；2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认； 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、 原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称设施农业专用LED组合光源的研制作品分类（ C ）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、

4、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标研究目的：光是一切生物赖以生存的重要因素。植物的正常发育过程是通过光合作用、光形态建成反应、光周期调节来完成的，所以从种子萌发、幼苗生长、叶片张开、叶绿体的发育，一直到开花、结果、衰老以及对环境的适应都离不开光的参与和调节。本作品设计的总目标是利用LED的光强高、功耗低、易于调光调色、小巧、绿色环保等优点，用高亮度的单色LED，通过组合来研制一种应用于设施农业的高效、节能、可控性好的LED组合人工补光光源。旨在解决目前常用白炽灯、日光灯、高压钠灯等补光光源

5、存在的发射光谱与植物选择吸收光谱不匹配，用于植物补光，针对性差、能耗大、光效低，严重影响人工补光技术的普及的缺点。作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标(续表)我国是农业大国，设施农业发展迅速，温室种植已成为农村新的经济增长点。LED组合光源的研制及其在光照培养箱、组培育苗、温室种植及植物工厂等方面的科学研究和推广应用，必将带来重大的社会效益和经济效益。研究基本思路：克服常用补光光源的点、线、热光源的技术缺陷，利用LED的光强高、功耗低、易于调光调色、小巧、绿色环保等优点，用高亮度的单色LED，通过组合来研制LED组合光源；针对植物的光合作用、光形态建成反应、光周期调节

6、及光强对光谱的选择性，确定设施农业专用LED组合光源的主光谱辐射区，使其发射光谱与植物的选择性吸收光谱相匹配；根据LED的光色电性能指标，选取高亮度、不同功率的红、蓝、白色和远红光单色LED光源；通过对光色、光质、数量、排列进行优化组合，来研制系列LED组件模块；解决LED组合光源中LED驱动电路、调光、调色、工作方式以及时间调控等技术问题，研制模拟驱动和单片机数字驱动的驱动模块。制作设施农业专用组合光源，确定其适用范围。创新点及技术关键：LED组合光源采用高亮度、大小功率的红色、蓝色、远红光和暖白四色LED优化搭配而成，其发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于植物补光，针对性强，光效高；突破

7、传统的点、线光源局限，LED组合光源采用集成的阵列式设计，具有平面化、可设计性强的优势，可以实现均匀覆盖；采用涂覆红外高辐射材料的铝基板和风扇结合的方式，降低大功率LED结温，使得LED组合光源更加高效、节能环保。LED组合光源可在光照培养箱、组培育苗、温室种植及植物工厂等方面进行科学研究和推广应用。主要技术指标：LED组合光源采用红色(66020nm)、蓝(45020nm)、远红(75020nm)和暖白四色LED搭配而成；（R/B）在5：1至10：1；在610700nm和400510nm有主吸收峰作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供

8、技术性分析说明和参考文献资料）“设施农业专用LED组合光源”是一种高效、节能、可控性好的新型植物人工补光光源。它是依据植物的光合作用、光形态建成、光周期调节对光谱的选择性吸收而设计的。通过测量LED的光色电性能指标，选取高亮度、大小功率的红、兰、白色和远红光单色LED，通过对光色、光质、数量、排列进行优化组合搭配成基本模块单元，设计中保持R/B在5:1至10:1，其发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于植物栽培，针对性强，光效高。LED组合光源在设计中突破了传统的点、线光源技术缺陷，采用集成的阵列式设计，根据需要可进行拼接，具有平面化、可设计性强的优势，实现均匀照射。解决LED组合光源中LED

9、驱动电路、调光、调色、工作方式以及时间调控等技术问题。采用涂覆红外高辐射材料的铝基板和风扇结合的方式，降低大功率LED结温，使得LED组合光源更加高效、节能环保。本产品还是一种的绿色环保光源。较白炽灯、荧光灯而言，LED光源光束不产生热量，属于绝对冷光源，对植物可以实现“零”距离照射；加之LED体积小、光强集中，用于植物补光可以节省能源和空间。“设施农业专用LED组合光源”的研制及其在光照培养箱、组培育苗、温室种植及植物工厂等方面的科学研究和推广应用将在推动农业产业化和农业经济持续发展中发挥重大作用，也将给绿色农业和创汇农业带来重大的社会效益和经济效益。参考文献：1复旦大学电光源实验室电光源原

10、理上海科学技术出版社，1979（第一版），69-932童哲光形态建成，植物生理生化进展1987，13（5）；983张蕾光质在植物生长过程中的调控作用河北大学，硕士论文，2000，6，4-94 方炜使用LED调整光量及光质与二者对组培苗生长之影响种苗科技成果发表会，2003，23-405徐志刚组培微环境与规模化育苗设施环境调控的研究博士论文，2002年5月：19-246郭双生，艾为党受控生态生保系统中植物生长光源的选择航天医学与医学工程，2003，第16卷，增刊：3-47 K.C.史密斯编，沈恂等译光生物学北京：科学出版社，1984，401-4028刘 建组培箱微环境中光及CO_2调控的研究硕士

11、论文，2007年10月：17-189张云英不同光强下结球莴苣光保护机制和营养成分形成关系的研究硕士论文，2006年5月：273011刘水丽人工光源在闭锁式植物工厂中的应用研究硕士论文，2007年9月：464710曲 溪，叶方铭等LED灯在植物补光领域的效用探究灯与照明，2008年02期：4412 Barta, D.J., T.W. Tibbitts, R.J. Bula and R.C. MorrowEvaluation of light emitting diode characteristics for a space-based plant irradiation sourceAdvan

12、ces in Space Research ，1992，12：141-149作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果无作品所处阶 段（ A ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D （自填）技术转让方式技术入股 一次性买断等作品可展示的形 式 实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示 图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测“设施农业专用LED组合光源”研制成功以后可由厂家直接投入生产。本产品是一种高效、节能、可控性好的新型植物人工补光光源。“设施农业专用LED组合光源” 其发射光谱与

13、作物的选择性吸收光谱相匹配，用于植物补光，针对性强，光效高。本光源具有发光强度高、功耗低、可靠性高、易于调光调色、小巧、绿色环保等优点，且LED为冷光源，这为近距离照射、节省能源创造了条件。此外，大功率LED的加入，提高了光照强度；LED组件的阵列式设计，便于自由组合搭配。这使LED 组合光源更加适合应用于植物补光，因而，相比于市场上其他植物人工补光光源，本产品具有明显的竞争优势。我国是农业大国，设施农业发展迅速，仅我省就有四百多万亩大棚，温室种植业作为农村增产增收的重要手段，已经成为农村新的经济增长点。“设施农业专用LED组合光源”的研制及其在光照培养箱、组培育苗、温室种植及植物工厂等方面的

14、科学研究和推广应用将在推动农业产业化和农业经济持续发展中发挥重大作用，也将给绿色农业和创汇农业带来重大的社会效益和经济效益。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述 说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。近年来，LED光源在植物生理与植物栽培领域的应用研究已经引起全世界的广泛关注，美国NASA研究中心把LED补光设施作为宇宙基地等闭锁式生命维持系统的相关技术之一开展研究。日本的闭锁式LED植物工厂的研究已经进入实用化阶段；许多学

15、者也在LED光源方面做了大量研究：1996年，Takitaetal对LED发光强度与光谱分布模式进行了理论研究，将LED作为点光源并配合光量倒平方法则来建立模型，用以预测和计算栽培面上的光强与光质的分布情况。2001年，方炜对“以发光二极管为光源的植物栽培装置”申请专利，其介绍的是一种以小功率发光二极管为光源的植物栽培装置,系统主要包含灯具与驱动器两大部分。适用于大部分组培苗之生长栽培，并可作为探讨光合作用、光形态发生与光质对植物生理等研究领域的测验工具。同年，方炜又对“以超高亮度发光二极管作为人工光源的植物生长箱”申请专利，该产品介绍的是一种以自行研发的小功率超高亮度发光二极管作为人工光源的

16、植物生长箱，旨在探讨应用该种新型光源与使用传统的萤光灯管在蝴蝶兰组培苗栽培上的差异。研究证实LED适用于做为光形态发生基础研究之人工光源。2002年，由日本CCS公司森冈美帆制作的植物生长系统包括LED光源、生长控制软件、信号调节器和数据收集软件。整套系统通过生长控制软件控制LED照明，同时能实现不同光质的自动控制。同年，田中道男开发了由红色LED（660nm）和蓝色LED（450nm）组成的独立光源新型组培容器“Uni-PACK”。其中，红色LED的发光效率可以达到22%-25%,不能转化为光能的电能大部分在LED芯片的发热中消耗掉了。为解决散热问题，从LED CAP各个侧面打孔并安装了特制

17、的风扇，同时在LED模板的内侧使用冷却水循环降温的方法防止模板温度上升。2006年，南京农业大学徐志刚领导的研究小组在国内首次成功研制出“用于植物光生物学研究的柔性LED光源系统”，并于2008年对此申请专利，该系统主要由LED、即插式万能基板和驱动与控制单元组成，主要特点是不同波长的LED可以依据实验要求作任意组合与排列，解决了传统光源不能提供多光谱参数组合以及不能精确定量调制光谱参数的问题。D.推荐者情况及对作品的说明说明：1由推荐者本人填写； 2推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品 相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组 集体推荐亦可）； 3推荐者填写此部分，即视为同意

18、推荐； 4推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。推荐者情况姓 名杨景发性别男年龄43职称高级实验师工作单位河北大学物理科学与技术学院通讯地址河北省保定市五四东路180号邮政编码071002单位电话03125049681住宅电话13833220616推荐者所在单位签章 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述情况属实 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价本产品设计理念新颖，选取高亮度、大小功率的红、兰、白色和远红光单色LED，通过对光色、光质、数量、排列进行优化组合搭配成基本模块单元，其发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于植物栽培，针对性强，光效高。L

19、ED组合光源在设计中突破了传统的点、线光源技术缺陷，采用集成的阵列式设计，根据需要可进行拼接，具有平面化、可设计性强的优势，实现均匀照射。“设施农业专用LED组合光源”是一种高效、节能、可控性好的新型植物人工补光光源。可以在光照培养箱、组培育苗、温室种植及植物工厂等方面进行科学研究和推广应用，必将带来重大的社会效益和经济效益。其它说明无推荐者情况姓 名杨少鹏性别男年龄45职称教授工作单位河北大学物理科学与技术学院通讯地址河北省保定市五四东路180号邮编071002单位电话0312-5977056住宅电话13931235926推荐者所在单位签章 签章日期 年 月 日 请对申报者申报情况的真实性作

20、出阐述情况属实 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价“设施农业专用LED组合光源”是一种高效、节能、可控性好的新型植物人工补光光源。它是依据植物的光合作用、光形态建成、光周期调节对光谱的选择性吸收而设计的。本产品选用光谱性能好的单色LED来搭配光源，既考虑了光质选择因素，又考虑了植物对光强的需求，本光源具有发光强度高、功耗低、易于调光调色、小巧、绿色环保等优点，且LED为冷光源，可以近距离地照射植物，可用于多层栽培立体组合系统；LED组件的阵列式设计，便于自由组合搭配。这使LED 组合光源更加适合应用于植物补光，因而，相比于市场上其他植物人工补光光源，竞争优势明显，具有较高

21、的实用价值和广阔的应用推广前景。其它说明无学校组织协调机构确认并盖章 （团委代章） 年 月 日 校主管领导或校主管部门确认盖章 年 月 日 各省（区、市）评审委员会初评意见 评委签名： 年 月 日 各省（区、市）组织协调委员会审定意见 团 委 科 协 教 育 厅 学 联（签章） （签章） （签章） （签章） 年 月 日E 省级组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处形式审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处审查结果合格 不合格 负责人（签名） 年 月 日F参赛作品打印处设施农业专用LED组合光源的研制一 引 言我国是农业大国，

22、发展实施高效农业是我国进行农业产业结构调整的关键，温室种植业作为农村增产增收的重要手段，已经成为农村新的经济增长点。人工补光是设施农业的重要手段。目前，普遍使用的白炽灯、日光灯、高压钠灯等补光光源，其发射光谱与植物选择性吸收光谱不匹配，用于植物补光，针对性差、光效低。设施农业专用光源是我们导师课题组针对植物的光合作用、光形态建成、光周期调节对光谱的选择性吸收而研发的，已获国家发明专利，已成功用于组培育苗、棚室作物补光和花卉的种植中，且已形成工业化生产。 随着光电技术的进步，发光二极管(LED)被认为是21世纪最有发展前景的新型光源，由于其发光强度高、功耗低、可靠性高、易于调光调色、小巧、绿色环

23、保等优点，已被广泛应用于照明、显示等领域。将LED用于植物补光的研究，国内外也进行了积极的探索：国际上最早将LED 用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1982年就有关于波长为650nm 的红色LED光源用于温室番茄补光的试验报告；1994年，日本开始用LED作为照明光源，对植物栽培进行了研究。此外，日本千叶大学也曾进行了红光、远红光LED对马铃薯生理过程影响的试验研究；1991年，美国的Bulaetal使用高强度LED于太空农业之研究，首创LED于农业之应用；Hoeneckeetal于1992年使用高强度红光LED与蓝光灯管配合使用，成功栽培莴苣种苗；美国Wisconsin大学的研究小组采用L

24、ED 光源用于莴苣的栽培试验取得阶段性研究成果；以色列也进行过LED在组培植物工厂的试验研究，并发现红蓝光组合LED光照比其他光源更能促进芽分化，更适合幼芽生长。国内的一些研究部门也积极开展了有关LED 在植物工厂和组培室的试验：1993年12月，方炜、饶瑞吉在“超高亮度红蓝光LED应用于蝴蝶兰组培苗之研究”中指出：红蓝光LED代替日光灯管应用于蝴蝶兰组培苗作为人工光源应属可行；2004年，方炜在“使用调整光量及光质与二者对组培苗生长之影响”中经实验得出：LEDSet可作为组培苗、种苗、藻类栽培、生物反应器人工光源。2003年，郭双生、艾为党等在“受控生态生保系统中植物生长光源的选择”中得出结

25、论：植株正常生长可采用红色和蓝色发光二极管的一定组合，以90%红色+10%蓝色发光二极管更为适宜；与此同时，诸葛强、关亚丽等也在“组培新技术及其在桉树快繁中的应用”中得出结论：应用超亮发光二极管作为植物生长的光源，其性能远优于常用的光源如荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯；2006年，南京农业大学的徐志刚副教授在国内首次成功研制出“用于植物光生物学研究的柔性LED光源系统”，被命名为LED Plant，它能够任意定量调控光密度、光波长、占空比和频率，是光生物学研究的有效工具和理想实验设备。鉴于目前LED组合光源多数由小功率的LED组成，与植物生长所需光照强度还有一定的差距，如何搭配光谱、提

26、高光照均匀度、研发更高效率的人工光源，拓宽其应用领域一直是科研工作者研究的重点。在此背景下，我们开展了“设施农业专用LED组合光源的研制”课题。首先讨论了光合作用、光形态建成、光质、光强和光周期对作物生长的影响，使LED组合光源的发射光谱与作物的选择性吸收光谱相匹配；接着讨论了设施农业专用LED组合光源设计中的LED选取、组件光源光谱搭配、LED驱动电路等关键技术问题，最后对其应用前景进行了展望。二 LED组合光源的研制原理“万物生长靠太阳”，光是世界上一切生物赖以生存的重要因素。植物的正常发育过程是通过光合作用、光形态建成反应、光周期调节来完成的，从种子萌发、幼苗生长、叶片张开、叶绿体的发育

27、，一直到开花、结果、衰老都离不开光的参与和调节。本节将从理论与实验两方面讨论植物对光质与光量的吸收是有选择的。2.1 LED组合光源研制的理论研究2.1.1光合作用绿色植物的生长，主要是通过光合作用来完成的。整个过程的净反应是： CH2O 是碳水化合物，它是形成各种有机物的原材料，植物生长快慢决定于光合速率，只有在光合作用下，反应才能启动，那么光能是如何介入的呢？这个中间环节是通过叶绿素、类胡萝卜素等光合色素系统来实现的。叶绿素的吸收光谱与光合作用光谱如图1所示，图1 叶绿素的吸收光谱与光合作用光谱由图可知：光合色素的吸收光谱主要集中在波长为610700nm的红橙光及波长为400510nm的蓝

28、紫光；叶绿素光合效率光谱的两个峰值在650nm和445nm。也就是说在植物光合作用中真正起主要作用的是红光和蓝紫光。2.1.2 光形态建成反应光形态建成反应是一些受光调节的生长、发育和分化的过程。它与光谱质量、照度、光照频率和持续时间以及光的对称性和非对称性等因素有关。所有的光形态建成反应，都受一种植物光敏色素的控制，使得光既能促进又能抑制作物生长。光敏色素是一种光致变色分子，在照光以后它的吸收特性发生变化，但再放回暗处时，又会缓慢地恢复到原来的构型。例如：有一种光敏色素其结构有两种形式，即和，它们可以通过不同波段光照而相互转化，反应式为：短波红光660nm长波红光730nmPr Pfr其中：

29、Pfr为色素吸收长波红光的构型，是生理活化型，它可激发作物的生长Pr 为色素吸收短波红光的构型，是生理抑制型，对作物的生长有抑止作用。实验证实：短波红光（660nm）照射光敏色素可使Pr型转化成为Pfr型；长波红光（730nm）照射光敏色素可使Pfr型转化成为Pr型。2.1.3 光质与植物生长光质又称光的组成，是指具有不同波长的太阳光谱成分，其中波长为380760nm之间的光是太阳辐射光谱中具有生理活性的波段，称为光合有效辐射。而在此范围内的光对植物生长发育的作用也不尽相同，不同的光谱范围对植物生理的影响如下：1000nm 能被组织中的水吸收，转换成为热量1000nm720nm 植物稍有吸收，

30、促进种子萌发,刺激植物延伸720nm610nm被叶绿素强烈吸收，对植物的光合作用和光周期有强烈的影响610nm510nm叶绿素吸收稍有下降，对植物的光合作用和形态建成的影响稍有下降510nm400nm被叶绿素和胡萝卜素强烈吸收，能强烈影响光合作用,并抑制植物的生长,使之形成矮粗形体400nm315nm被叶绿素与原生质吸收，对光合作用稍有影响,对植物没有特殊效应315nm280nm被原生质吸收，强烈影响植物形态建成,影响生理过程,刺激某些生物合成280nm被原生质吸收，大的剂量能使植物致死不同的光在植物生长的不同时期有着不同的作用。在种子萌发期间，白光、蓝光及黑暗情况下，植物种子能够很好地发芽。

31、适量的红光也能够促进种子的萌发。茎的生长也受到光的影响，红光促进茎的伸长，而蓝光抑制茎的伸长。此外，不同光质对叶绿素的合成也有不同的影响，其中红光更有利于叶绿素的合成。综上所述：不同波段的光对于植物的影响是不同的。通过光谱搭配就可以实现对植物生长的人工调控。2.1.4 光强与植物生长光强对植物的光和效率有很大的影响，较高的光照有利于植物的生长和营养物质的累积，适量地提高光强有利于果实的成熟，提高植物的产量和品质。同时叶绿素必须在一定光强条件下才能形成，许多其他器官的形成也有赖于一定的光强，在黑暗条件下，植物会出现“黄化现象”。在植物完成光周期诱导和花芽开始分化的基础上，光照时间越长，强度越大，

32、形成的有机物越多，有利于花的发育。不同植物对光强的反应是不一样的，根据植物对光强适应的生态类型可分为阳性植物、阴性植物和中性植物。阳性植物对光要求比较迫切，其光饱和点、光补偿点都较高；阴性植物对光的需求远较阳性植物低，光饱和点和光补偿点都较低；中性植物对光照具有较广的适应能力，对光的需要介于上述两者之间。综上所述，在LED组合光源的设计中，应根据不同植物确定合适的光照强度。2.1.5 光周期与植物生长所谓光周期是指一天中，日出至日落的理论日照时数，而不是实际有阳光的时数。植物的光周期现象是指植物的花芽分化、开花、结实、分枝习性、某些地下器官的形成受光周期的影响而言。不同的植物需要的光照时间不同

33、，例如根据对光周期的反应蔬菜可分为3类:长光性蔬菜，在较长的光照条件下(一般在124h以上)能促进开花而在较短日照下不开花或延迟开花；短光性蔬菜，是指在较短光照条件下(124h小时以下)能促进开花结实，而在较长光照下不开花或延迟开花；中光性蔬菜，是指在较长或较短的光照下都能开花，它们适应的光照长短范围很大。可以看出，长时间的光照并不一定对所有的植物生长有利。给光的时间应该控制在13个小时左右，在给光的时间里，应对植物进行间歇给光，这样对绝大多数的植物都能在其中生长。因此在LED组合光源中，也要合理的控制补光时间。2.2 LED组合光源研制的试验研究2.2.1 确定LED组合光源光质实验为验证“

34、在植物的整个生长过程中，红光和蓝光起着重要的作用”，江苏大学的刘建曾在组培箱微环境中光及CO调控的研究中对光质与植物生长的关系进行了相关实验，具体结果见表1：表1 LED光源及日光灯处理对诸葛菜、油菜组培苗生长的影响处理方法诸葛菜油菜鲜重增量百分数(%)碳酸酐酶活性叶绿素含量鲜重增量百分数(%)碳酸酐酶活性叶绿素含量白光LED342.2b*156.45a27.7b272.2b130.44b26.8b红光LED383.5b145.98a25.2b357.6c86.01a25.4b蓝光LED594.7c227.46b30.5c489.9d182.40a32.8c日光灯166.5a155.40a21

35、.2a132.8a91.26a20.7a数据后字母相同者为差异不显著，P1%由表可知：经LED光源处理的组培苗鲜重增量明显高于进行对照的日光灯处理的组培苗。这说明LED光源处理后的组培苗比普通日光灯处理的具有更好的光合自养能力，同时也说明蓝光处理的组培苗光合自养能力最好。台湾大学的方炜教授也在光质与植物生长的关系作了些研究，即超高亮度红、蓝光LED应用于蝴蝶兰组培苗栽培之研究，具体实验数据见表2：表2 超高亮度LED对蝴蝶兰组培苗的影响干重(g)叶片数叶长(cm)叶宽(cm)LED组合光源1.300.603.350.614.450.551.970.30日光灯1.280.463.560.703.

36、670.401.890.24由以上实验可知：不同波长的辐射对于植物的影响不同。蓝光及红光相结合补光效率最高,促进光形态形成效果最好, 一般(R/B)以5:1至10:1为好。那么我们可以确定设施农业专用LED组合光源的主光谱辐射区为450nm左右的蓝光及630nm左右的红光相结合。2.2.2 确定LED组合光源的强度实验光照强度对植物的生长发育有着重要的影响，考虑到引入大功率LED旨在提高组合光源的光照强度，我们采用其他人工光源模拟大功率LED的效用，其原理与LED光源基本相同。浙江大学的张云英曾以高卤钠灯为光源，对“不同光照强度对结球莴苣幼苗生长、光合特性及营养成分含量的影响”进行了探究；低亮

37、度光源照射下莴苣苗的营养含量明显低于高亮度光源照射下的莴苣幼苗。具体实验结果如下：表3 不同光强对结球莴苣叶片鲜、干重的影响地上部鲜重（g/plant）根系鲜重（g/plant）总鲜重（g/plant）地上部干重（g/plant）根系干重（g/plant）总干重（g/plant）自然光照102.33.4811.610.96105.911.804.030.410.580.0564.610.32补光处理112.44.5513.660.69126.063.125.020.210.970.0625.990.23实验分析可知：较高的光照下更利于结球莴苣的生长和干物质的累积，这说明适量地提高光强有利于果实

38、的成熟，对植物产量的形成和品质的提高也有良好作用。因此，对于绝大多数植物来说，其光照强度应保持在1300molm-2s-11500molm-2s-1。 2.2.3 LED组合光源的可行性实验研究中国农科院的刘水丽在“人工光源在闭锁式植物工厂中的应用研究”中以温室自然光条件为对照，与闭锁式植物工厂内LED光源、荧光光源条件下进行试验对比，具体试验结果如下：表4 闭锁式植物工厂内人工光源与温室自然光条件下黄瓜苗生理指标对比处理光合速率(molCO2m-2s-1)气孔导度(molH2O m-2s-1)胞间CO2浓度(molCO2m-1)蒸腾速率(molH2Om-2s-1)PPFD(molm-2s-1

39、)LED5.02b0.143a898.9a3.73a220.0LF152.81c0.037c815.6b1.22c150.0LF202.49c0.062c886.1a1.97b110.0LF301.38c0.074b921.1a2.26b80.0温室7.38a0.120a283.7c3.21a500.0注：LED光源采用红（660nm）、蓝（450nm）混合，红蓝光PPFD比例为9：1，光照距离为10cm；LF表示荧光灯，15、20、30(单位：cm)表示光照距离通过对实验结果的分析，初步得到结论：LED光源条件下黄瓜苗的生长状况是最佳的，且LED处理的植株生长速率高于其他处理。复旦大学的曲溪

40、、叶方铭等人也曾对LED灯在植物补光领域的效用进行了探究，他们采用番茄苗作为实验材料，具体结果如下：表5 植物平均干重、叶绿素含量对比组别植物干重(g)叶绿素a的浓度Ca(mg/L)叶绿素b的浓度Cb(mg/L)总叶绿素的浓度(mg/L)叶绿素的浓度/样品鲜重(mg/L)LED125.0311.676153.80084215.47699462.9255LED230.8712.177563.61956915.79713421.6278自然光120.79.7467743.64327213.39005417.3564自然光225.710.262453.21539413.47785410.497实验结

41、果显示植物补光照明对植物生长有促进植株干重增长15%20%的效果,其中LED补光的番茄叶绿素含量较高,自然光次之。综上所述，在植物组培、植物工厂等方面，LED组合光源的应用是可行的，且优于荧光光源和自然光光源；只要对LED组合光源的光质比（R/B）、光照强度以及光照时间进行合理的调节就可以达到促进植物生长的目的。三 设施农业专用LED组合光源的设计设施农业专用LED组合光源主要包括LED组合灯具、LED驱动器和电路控制系统三大部分。灯具采用模块化概念设计,可达到快速安装、更换和拓展之目的；LED驱动器实现对光质、光强的调节；电路控制系统实现了植物照明时间的控制。3.1 LED组合灯具设计3.1

42、.1 LED 的选择LED组合灯具是由单只LED组合而成，我们首先对各种类型的LED的光色电性能参数进行了对比测试，特别关注LED的亮度、光强的空间分布、半宽度参数，为组合光具的设计中LED的选取提供了理论指导。选取原则是：大小功率兼顾，超高亮度，半值角为520，光谱宽度小于30 nm。在本课题中，小功率LED选择的是最小/ 一般亮度为20000/ 25000 mcd、视角为13、5 mm、波长639 nm的超高亮度红光LED,最小/ 一般亮度为4000/ 6000 mcd、视角为13、5 mm、波长462 nm的超高亮度蓝光LED,其中光谱宽度小于30 nm，和最小/ 一般亮度为20000/

43、 24000 mcd、视角为13、5 mm的超高亮度白光LED；大功率的LED选择的是最小/最大光通量为2.8/3.5Lm、视角为120、波长635nm、2cm的红光LED，最小/最大光通量为0.9/1.2Lm、视角为120、波长465nm、2cm的蓝光LED，和最小/最大光通量为9.8/13.0Lm、视角为80、2cm的白光LED。3.1.2 确定组合灯具的主光谱区根据作物的生长、发育、开花、结果对光的选择性，针对植物的光合作用、光形态建成反应、光周期调节对光谱的选择性，确定设施农业专用LED组合光源的主光谱辐射区。LED发射的窄单色红光光谱(620625nm)、蓝光光谱(470475 nm

44、)，与光合色素，尤其是叶绿素a,b的吸收波长相匹配。白光 LED发射的光谱在420490 nm和510710nm范围内最强，也与植物光合色素吸收光谱吻合。因此，LED组合光源采用红色(66020nm)、蓝(45020nm)、远红(75020nm)和暖白四色LED搭配而成，其发射光谱见图2：图2-b LED混色谱图图2-a 单色LED谱图3.1.3 光强的确定对于大部分植物来讲，温室内阴性植物需要5002500lx 的光照射，中性植物需要250030000 lx 的光照射，只有在较高的光强下植物才能高效率的生长。光照强度与LED本身特性、数量、排列以及照射距离等有关，设计原则既要满足植物的光补偿

45、点，又要保证光照均匀。我们所设计的LED组合光源是由一定比例的红、蓝、远红和白色LED组成一般(R/B)以5:1至10:1为好，光源下某点光强是不同颜色发光管所发出的光的叠加，水平面上任一点与LED的连线与垂直方向所成的角度小于LED的视角时，可由角度-强度回归式计算此角度对应的光强度（角度-强度回归式可由厂家提供的型号参数资料中求得）。其次，距离LED一定距离的水平面上每一点光照强度值还需依据点光源之倒平方法则。一般强度为25000mcd的红光LED，其正下方10cm处的光照度为2350lx；一般强度为7000 mcd的蓝光LED，正下方10cm处的光照度为600lx。而一般植物2000lx

46、下没有净光合作用，同时要求到达植物栽培面的光通量分布尽可能均匀，因此，选择10cm的照射距离较合适。并且通过多颗LED组装设计就能满足温室植物的光需求。 3.1.4 设计系列组合灯具模块考虑到应用对象的不同，我们设计了3种LED组合光源： 小功率、高亮度LED组件光源的设计本款组合光源采用的是小功率、高亮度LED，我们分别设计了方形和圆形两种组件光源，由于LED发光管体积很小，所以单开任何一种发光管都能到均匀稳定的光。方形组件（见图3）选用的是3cmx3cm正方形电板，草帽型白、红、蓝（直径5mm）发光管在电板上的分布如图一，组件由八只红色、四只蓝色和一只白色LED组成，相同颜色发光管接线脚中

47、心间距为1cm。圆形组件（见图4）选用的是直径为7.5cm的圆形电板，食人鱼型白、红、蓝发光管在电板上的分布如图二，十只红色LED和五只蓝色LED均匀分布在半径为6cm和3cm的圆上，一只白色LED分布在电板的中心。3 cm3 cm0.5 cm图3 小功率LED组件图4 小功率LED组件 大功率LED组件光源的设计图5 大功率LED组件大功率LED可以有效地提高组合光源的光照强度，但结温高成为制约其发光效率的瓶颈。我们采用常规的风扇吹风加强空气对流的方法，及时散发一部分热量；同时我们在铝基板上涂上一层高辐射材料物质二氧化钛，它能有效地把产生的热量辐射出去，从而保证大功率LED的正常工作。如图5

48、所示，大功率LED组件选用的是直径为7.5cm的圆形铝基板，正六面体的六个顶点上安装四只红光LED和两只蓝色LED，并在正六面体的中心安装一个白光LED。由发光二极管经由连接器全部连接至LED驱动器上。这样既能达到节约能源的目的，又能给植物的生长提供足够的光能。 大小功率LED混合组件光源的设计该组件是由大功率LED发射区和小功率LED发射区组成。9只大功率LED均匀分布在十字型散热铝基板上，每两个大功率的发光管接线脚中心间距1.5cm，并在大功率LED中间加装4只远红色LED；小功率LED发射区是由4块小功率、高亮度LED组件光源组成，LED分布如图6所示蓝色大功率红色小功率蓝色大功率红色大

49、功率白色大功率红外小功率白色小功率图6 大、小功率LED组件3.2 LED组件光源的驱动器的设计我们设计了模拟控制和单片机数字控制的两种LED驱动器。模拟控制LED驱动器由电源、驱动电路（见图7）、光强调节旋钮组成。电源部分通过变压器分压、整流滤波，由集成稳压模块输出稳定直流电压，使LED稳定工作。调节滑动变阻器改变通过LED的驱动电流，从而调节各阵列LED的发光强度，进而实现组合光源的光质和光强的调整。图7 LED驱动电路图单片机键盘显示LED驱动电路LED阵列LED驱动控制系统软件调控方法图8 LED光源系统结构示意图单片机控制的LED驱动系统，包括系统硬件、光谱组合与调控方法以及系统软件

50、（见图8）。系统硬件主要由控制器、LED驱动电路组成。驱动电路通过数据线和电源线与控制器连接，控制器与电源连接；控制器用于控制LED恒流驱动电路，主要由单片机电路、按键电路、显示接口电路组成；光谱组合与调控方法用来设定LED组合光源的光质、光强和光周期。系统软件固化在单片机的芯片中，采用模块化程序设计，用C语言编写，并与硬件融合，得到所需的选择性光谱。（单片机电路原理图，系统软件参见附件）四 LED组合光源的适用范围及发展前景设施农业LED专用组合光源是根据作物对光色的选择性吸收而设计的，具有以下特点：其发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于作物照明，针对性强，光效高；LED组合光源采用大小功

51、率红、蓝、远红和暖白四色LED搭配而成，光束不产生热量，属于绝对冷光源，可以实现“零”距离照射；突破传统的点、线光源局限，LED组件光源是集成阵列式设计，具有平面化、可设计性强的优势，可以实现均匀覆盖；可以方便的实现四色光分布比例自由组合搭配，是科研工作者研究植物光反应、光合作用的专业光源；此外，本光源还具有响应时间快、光强集中、体积小、节能、绿色环保等优点，预计本光源将会在以下领域得到广泛应用。4.1 光照培养箱目前市场上培养箱种类繁多，大多采用荧光灯管作为光源，因其波长和光通量分布是固定的，且波长范围很宽，不能满足实验和科学研究需要特定波段的光谱的需要。因LED专用组合光源具有波宽窄、波长

52、类型丰富、光色光质可调，可控性强特点，适用于各种培养箱，极大地提高了应用性能和光的利用效率。4.2 组培光源20世纪90年代以来，世界各国都在积极研究利用LED作为组培光源的可行性。组培苗的光合作用完全依赖于人工光源。组培苗生长在透光容器中，并置于多层架上，呈立体栽培模式，由此引起的层间遮光、同层容器间遮光和容器自身对苗的遮光现象，致使组培苗的受光特性完全不同于温室作物。并且组配苗的生长对光质的要求很高，但组培苗对光强的需求相对较低。LED组合光源的体积小、几乎不发热、高效、节能、光质可控性好的特点，对倡导工厂化、自动化、节能、高效的组培育苗产业来说必将具有更广阔的应用前景。4.3 温室种植业

53、人工补光光源温室产业为解决城乡居民菜篮子工程，为推进农业产业化调整发挥了重要作用，在现代化生产中占据了重要地位。光环境是温室气候环境的主导因子，光不仅是植物进行光合作用的能量源，也是光形态形成的信号源。LED组合光源解决了单颗LED光照度有限、光质不丰富的瓶颈，具备了很多适于温室植物生产应用方面的优点，例如：体积小，近距离照射，可用于多层栽培立体组合系统；亮度高，能耗低，光利用率大。未来的LED组合光源还将有许多新的应用方式，例如给使LED组合光源移动，可大大降低运行成本；实现脉冲式间歇式照射，使作物又足够的暗期合成有机物，从而促进植物生长，预计在不久的将来，随着半导体光源性能的不断完善，价格

54、进一步降低，以LED组合光源为核心的人工补光技术必将在可控环境农业领域发挥重要作用。4.4 构建植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段的植物工厂，被认为是 21世纪农业取得革命性突破的重要技术手段之一。节能降耗已经成为人工光完全控制型植物工厂的重要课题。LED组合光源高效节能，绿色环保的优势，可使作物栽培层的间距和空间利用率成倍提高，进而促进植物工厂的普及与应用。参考文献：1 复旦大学电光源实验室电光源原理上海科学技术出版社，1979（第一版），69-932 沈允钢，王天铎光合作用上海科学技术出版社，1978 （第一版），50-633 童哲光形态建成，植物生理生化进展1987，13（5）；984

55、 张蕾光质在植物生长过程中的调控作用河北大学，硕士论文，2000，6，4-95 杨其长，张成波植物工厂系列谈（十）高新技术在植物工厂中的应用温室园艺，2005，10：20-216 方炜使用LED调整光量及光质与二者对组培苗生长之影响种苗科技成果发表会，2003， 23-407 徐志刚组培微环境与规模化育苗设施环境调控的研究博士论文，2002年5月：19-248 郭双生，艾为党受控生态生保系统中植物生长光源的选择航天医学与医学工程，2003，第16卷，增刊：3-49 K.C.史密斯编，沈恂等译光生物学北京：科学出版社，1984，401-40210 Barta, D.J., T.W. Tibbit

56、ts, R.J. Bula and R.C. MorrowEvaluation of light emitting diode characteristics for a space-based plant irradiation sourceAdvances in Space Research ，1992，12：141-14911 刘建组培箱微环境中光及CO_2调控的研究硕士论文，2007年10月：17-1812 张云英不同光强下结球莴苣光保护机制和营养成分形成关系的研究硕士论文，2006年5月：273013 刘水丽人工光源在闭锁式植物工厂中的应用研究硕士论文，2007年9月：464714 曲 溪，叶方铭等LED灯在植物补光领域的效用探究灯与照明，2008年02期：44G1省级评审委员会预审意见粘贴处G2省级评审委员会终审意见粘贴处