关键词：光，生长，柔性结构，菠菜，LED 光源

0 引言?
       光对植物的形态建成、生理代谢、生长发育及产品品质有着广泛的调节作用[1-3]。植物通过光受体感测光强、光质和光周期的变化影响植物的光形态变化，影响植物的生长、控制植物的发育[4]。随着设施农业的发展，人工光源在设施生产中已成为必要的光调控手段，目前设施补光及光生物学研究通常采用荧光灯、白炽灯、钠灯、镝灯等，由于光能效的原因限制了其在设施中的有效使用。发光二极管（light emitting diodes，LED）是一种柔性的固体人工电光源，具有寿命长、低功耗、波谱窄、光量和光质柔性可调、易于分散或组合控制等许多不同于其他电光源的重要特点[5-7]。由于这些显著特征，LED适合应用于可控环境中的植物培养或栽培，如植物组培培养、工厂化育苗及航天生态生保系统。近年来，吸引
了众多科研人员采用LED 进行植物光响应的研究[8-15]，由于LED 性能的提高及经济成本的下降有望替代传统设施的补光光源。前人在植物光生物学方面的研究中采用了2～3 种波长组合的LED 光源[16-18]，该试验装置只能实现2 种或3 种组合光谱，仍不能满足光生物学研究对多光谱和多辐射能参数组合的各种需求。迄今为止，在相关的科学试验中，由于无法获得光谱柔性可调的光源，研究者仍不能精细地调控和设定试验过程所需要的光谱参数，这制约着光生物学的精确定量研究和试验的深入开展，多光谱动态柔性可调光源的研制具有十分重要的意义。
      基于这一技术背景和科研需求，本文介绍了1 种光谱柔性可调的LED 光源系统，该光源系统可以对近紫外、紫、紫蓝、蓝、绿、黄绿、黄、橙、亮红、深红、远红和近红外等光色的任意波长LED 进行精确组合调制，能够对各种波长的光密度、光周期、工作频率实施定量调制，以满足光生物学的科研和设施人工补光的需求。

1 LED 光源系统的设计
1.1 系统硬件的设计
      光谱柔性可调的LED 光源系统采用模块化设计，主要由LED 基板模块、单片机系统、温控模块、人机接口电路（包括键盘和液晶显示）及通讯模块组成，其组成框图如图1 所示。
1.1.1 LED 基板模块
      LED 基板模块主要包括LED 阵列和LED 的驱动单元。该模块根据LED 的参数特性，将交流电变为16 V 直流电为LED 阵列供电，LED 采用串联和并联的混合布局方式（如图2）；LED 的由MBI5028 芯片驱动。该芯片有16 路电流控制端，每端可接1 组LED，具有良好的恒流特性，且具有可编程电流输出调解功能，每一路都可以通过编程独立控制通断，该特性使LED 柔性组合成为可能。16 路LED 分别与MBI5028 的16 个输出端相连（图2），另外，在每个LED 基板上，都留有级联端，便于LED 基板的级联，构建大规模LED 光源。
1.1.2 单片机系统
       采用CC2530 Zigbee 无线单片机，其内部内嵌32 kB的flash 程序存储器，8kB 的SRAM，A/D 和Zigbee 无线通讯模块。本光源系统采用CC2530 单片机减少了外围电路，增加了可靠性，降低了成本。该单片机具有多路脉宽调制（pulse width modulation）输出，特别适合本光源
系统的频率和占空比的调控。
1.1.3 温控模块
      LED 基板由于LED 数量较多，在工作中会产生热量的积累，热量的积累会降低LED 的发光性能，引起严重的光衰现象。为了保证LED 的发光性能，在增加LED 散热铝基板的同时，LED 基板上还设计了温控单元，对LED基板温度进行实时监控。温度传感器采用美国Dallas 半导体公司生产的DS18B20，该温度传感器，温度精度±0.5°C，采用单总线控制，在1 条总线上可挂接127 个该温度传感器，减少了线路的连接，控制方便，体积小，价格低，便于实现高效的测温网络。当温度高于设定温度时，由单片机控制继电器接通安装在基板上的风扇工作，实施对LED 基板降温，使系统工作在安全的温度范围内。此外，为了防止由于风扇由于故障而影响降温措施，本系统还设置了上限温度，当超过上限温度时，采用蜂鸣器报警，以便工作人员人工调控。
1.1.4 人机接口模块
      人机接口模块包括键盘和液晶显示LCD（liquidcrystal display），LED 光源系统的工作频率、占空比、可编程电流参数可通过键盘进行设置，并且利用LCD 液晶实时显示系统的设定频率、占空比、可编程电流值、LED 基板实时温度。
1.1.5 通讯模块
      本系统除可利用键盘进行参数的设定，也可与电脑进行实时通讯，单片机与PC 通讯采用Zigbee 无线通讯模式，光源系统工作参数也可通过PC 机实时设定和监控单片机系统的工作，同时便于实现系统自动化管理和大规模的LED 光源的调控。同时，为实现远程化监控和管理，预留了通用分组无线业务（general packet radioservice）接口。
1.2 软件设计
1.2.1 单片机软件设计

      软件的源程序在IAR 软件开发环境下设计，运用单片机C 语言编写。软件采用模块化设计思想，整个系统由以下子模块组成：主程序模块、时基调控模块、LED基板驱动模块、温控模块、存储模块、键盘控制模块、显示模块、通讯模块。软件流程图如图3 所示。
     系统首先完成各模块的初始化，并进行系统设置参数的读取和显示，然后扫描键盘，若有键按下则进行相应功能设置，若无则直接进行LED 基板控制和温度的实时监测，并把个参数显示在液晶屏上。其中时基模块是整个系统的核心，通过该模块完成各项参数的实时调整，该模块采用定时器控制。
      在利用PC 机进行光源系统控制时，软件采用无线中断方式接收和发送数据，并根据PC 机的控制要求进行功能函数的调用。
1.2.2 PC 机通信软件设计
      PC 机软件通信软件采用VC#语言编写，界面友好，易于操作。使用MSCOMM（microsoft communicationscontrol）控件通过RS232 接口Zigbee 模块连接，实现与与光源系统无线连接。在发送数据格式上采用了先发送指令，再发送数据的编排方式，通过给光源不同系统参数设置编码作为指令码，数据发送到光源系统后，由单片机串口中断程序进行处理，然后根据指令码来调用调整系统参数的函数。光源系统实时参数的上传也采用此模式。
2 柔性可控LED 光源下的菠菜生长试验

2.1 试验材料与光处理
      试验材料为尖叶菠菜，品种为“荷兰3 号”。试验于2008 年11 月1 日进行，分别将刚出苗的各30 株幼苗置于荧光灯（对照，CK）和由不同光色LED 组合的6个光处理下照射30 d，LED 光处理分别为：红蓝黄绿紫（Z）、红蓝黄紫（RBYP）、红蓝绿（RBG）、红蓝黄（RBY）、红蓝紫（RBP）、红蓝（RB），重复2 次。LED 光源光通量密度均设为50 μmol/(m2·s)，光周期为昼14 h，夜10 h，昼/夜温度设置为25℃/15℃，相对湿度为60%～80%。生长光源为前述的LED 系统光源，分别按阵列方式排列红（660 nm）、蓝（470 nm）、黄（590 nm）、绿（525 nm）、紫色（390 nm）LED，光色配比为每36 个为1 单元，各色LED 分布如图4 所示，开闭单独控制，生长系统按空间大小组合后置于顶部和侧面，LED 灯板位置可随植物生长高度柔性调节。光源占空比设置为100%。

2.2 指标的测定方法
       光处理30 d 后，用直尺测量叶柄长、根长，用油标卡尺测量叶柄粗，用叶面积仪测量倒3 叶单叶叶面积，用丙酮法提取光合色素，用分光度计测量并计算各色素含量。
3 结果与分析
3.1 不同LED 光源对菠菜生长和形态影响
      如图5 与表1 所示，与对照相比，Z、RBG、RBP、RBYP 及RB 处理菠菜幼苗的叶柄长、叶面积、叶柄粗、根长及外观形态无显著变化，而RBY 处理的叶柄长、叶面积、叶柄粗、根长显著增大，而外在形态显著不同于其他处理。与RB 处理相比，Z、RBG、RBP、RBYP 处理上述指标无显著差异，但添加其他光色的光后上述指标都有增大的趋势。
3.2 不同LED 光源对菠菜幼苗光合色素的影响
      不同LED 光处理下，菠菜幼苗叶片中光合色素的含量显著不同。与CK 处理相比，RBY 处理叶绿素a、叶绿素总量、类胡萝卜素显著增大，叶绿素b 也增大，但与CK 处理的差异不显著；RBYP 处理的光合色素质量分数显著低于CK 处理，而RBG 处理的光合色素质量分数大于CK 处理，但差异不显著；Z、RBP 和RB 处理合色素的含量低于CK 处理，与其差异也不显著。叶绿素a/b 在各处理间无显著差异。与RB 处理相比，Z、RBG、RBP、
RBYP 处理光合色素质量分数无显著差异，但添加其他光色的光后光合色素有增大的趋势（表2）。
       LED 柔性组合光源对菠菜进行光处理研究发现，在红蓝光的基础上添加紫光、绿光、黄光+紫光复合光及黄光+紫光+绿光复合光可以略增大菠菜的叶柄长、叶面积、叶柄粗及根长，但不能根本改变这些性状，而添加单色的黄光却可以显著提升菠菜的生长，这些表现与刘晓英[15]在樱桃番茄上的研究结果相同，说明红蓝组合光添加其他光色的光会促进菠菜的生长，尤其是添加单色的黄光后其促进效应更加明显，从复合光和单色光的表现不同可发现在红蓝光的基础上添加单色光和添加单色光的复合对菠菜生长的效应并不是单色光效应的简单叠加，而是相互制约的关系。光合色素能够吸收、传递和转换光能，为植物进行光合作用的提供能量基础，光合色素质量分数与组成直接影响叶片的光合速率[19]，进一步影响植物的生长。RBY 处理光合色素质量分数显著大于其他处理，也许使其生长较其他处理旺盛的原因，这与刘晓英对樱桃番茄研究的结果不同[20]，各处理下光合色素RBYP 处理要高，这是因为樱桃番茄为茄果类蔬菜，而菠菜是叶菜类植物，它们对光照强度的需求不同，樱桃番茄在光照强度为50 μmol/(m2·s)时造成了弱光胁迫，而菠菜却没有产生弱光胁迫或者胁迫较弱。

4 结论
      本光源系统采用先进的发光二极管驱动技术设计硬件、采用单片机C 语言设计软件，通过菠菜的光质柔性组合生长试验验证：
      1）该光源系统能够按照各种光实验的设计方案对光质、光强、光周期等光参数进行柔性精确调控，该光源系统能有效地为设施补光服务，并可以为发光二极管光源对植物生长发育的影响的研究及设施补光提供良好的保障。
      2）通过菠菜用柔性组合发光二极管光源的试验研究发现，在红蓝光的基础上添加黄光可以显著地提高光合色素的含量并促进菠菜的生长。