摘要：研究LED光源在植物工厂和设施农业上的应用。为了便于研究不同色光对植物生长的影响，提出一种植物生长实验系统，该系统能较好地满足日常实验需求，并且基于ZigBee无线传感器网络可以扩展为植物工厂系统。
关键词：LED；ZigBee；植物工厂
当今社会人们正面临着三大问题：环境、食品和资源。从某种程度上讲，人们在过度追求食品产量和质量的同时，也造成了环境的破坏和资源的不合理利用，甚至盲目地追求高产量，因而直接导致了食品的安全问题。为了增加安全、健康的食品，人们就要扩大耕地，增加资源投入。如何在保护环境、节约资源和可持续发展的前提下生产出高质高量的安全健康的食品，开发出新型的植物生产系统是科研人员的当务之急。
植物工厂作为目前最高水平的设施农业生产方式，是继温室栽培之后发展的一种高度专业化、现代化的设施农业。它采取综合环境控制，植物的光能利用率非常高，是普通露天生产的10倍以上。它的植物生产系统完全可以把肥料和水的使用量降到最低，并且无农药生产，不向外排放废物，可以实现持续周年生产。近年来随着光电技术的发展，发光二极管（LED）的发光效率也得到了显著提升，LED光源在植物工厂中的应用正逐步受到世界各国的关注。随着半导体光源技术的迅速发展以及LED发光品质的提高与价格的降低，LED取代荧光灯作为密闭式植物工厂中的人工光源已经成为社会研究的热点问题之一[1]。目前，我国在此领域的研究还相对滞后，尚属起步阶段，迫切需要在LED的农业应用领域进行研究和探索，缩短与发达国家的技术差距。本文在分析LED光源在农业上的发展和研究LED植物生长应用的基础上，介绍一种基于ZigBee无线传感器网络的LED光照控制系统，该系统具有成本低、功耗低、安全性高等特点。
1LED光源的发展及存在的问题
人工光利用型植物工厂是在闭锁型植物生产系统的基础上发展起来的，于20世纪70年代前期进入使用开发阶段，80年代进入商业化。前期光源主要以高压钠灯为主，但是高压钠灯明显的不足就是灯表面温度过高，超过100℃，极易烧伤叶片，因此必须使灯与栽培床的距离在2m左右，极大地浪费了空间。后来，由于荧光灯的发展，荧光灯的光输出和电光能转换效率得到了改善，荧光灯得到极大应用。荧光灯表面温度较低，在40℃左右，且可以靠近植物照明，这使得多层栽培成为可能并发展成为主流。但它同时也存在光能利用率较低、能耗较高的缺点，在实际生产中难以形成较高投入产出比[2]。
20世纪90年代以来，在植物培育的实验过程中越来越多地采用LED光源。LED具有环保节能、体积较小以及光量光质可调等诸多其他光源所不具备的优点，并且这些优势是荧光灯无法比拟的。到目前为止，LED已经成功地在莴苣、黄瓜和马铃薯等植物的培养系统中得以应用[3]。今后将被更加广泛地应用于组织培养、植物工厂等方面。
在研究植物的栽培光源时，需要尽量多地参考自然光，采用各种波长不同的LED组合的原则，以确保植物能够正常生长。所以，用于植物栽培的LED生长灯并不是单纯的LED灯，它需要采用智能化控制，不同颜色光交叉配比，能够控制不同色光的亮度，由于LED芯片的波长会随着电流的变化而变化，同时也会减少自身寿命。为了保持温度的相对恒定，在光源板中部还装有温度传感器和轴流风扇等散热设备，因此专用于植物栽培的LED灯价格相对较高[4]。目前，国外市场已经开始出售LED的栽培光源，但是所含LED种类较少，还很难完全达到自然光照射的水准，而且对于谷物和果蔬等需要达到较大光照强度的品种，在大型农业实践生产中使用LED还不太现实。但是，相信在不久的将来，在植物工厂和植物组织培养中，LED将逐渐取代其他的光源并发挥重要作用[5]。
2LED在植物生长方面的应用
近年来，我国设施园艺和设施农工业发展迅速，LED植物照明也被引起重视。LED用于植物设施栽培的研究包括以下4个方面：第一，LED作为植物生长的补光光源。在连续阴天或者植物需要长时间或特定波长、特定灯光强度照射的时候，可以用LED灯进行补光，以此来达到植物生长的需求。第二，LED作为植物光周期、光形态建成的诱导照明。植物的开花时间、品质和花期长短都是受特定波长的光影响的，因此可以用特定波长的LED灯进行调节，使其在需要的时间段开花。第三，LED应用于航天生态生保系统。建立受控生态生保系统（CELSS）是解决长期载人航天过程中航天员生命安全保障的根本途径，高等植物的栽培是CELSS的重要基础，光照是其关键因素。第四，LED杀虫灯。市场对无公害农产品的需求越来越大，人们对绿色食品越来越青睐，LED杀虫灯可以减少农药的使用量。由于害虫的趋光性，LED杀虫灯可以引诱害虫扑向LED光源，光源外配置的高压击杀网可以杀死扑向光源的害虫，达到杀虫目的[6]。
研究表明，改变植物生长空间的温湿度、CO2浓度和光照强度可以有助于植物的生长，但是需要一套控制系统对这些因素进行监控和调节。本研究设计了一套包括传感器网络和远程监控网络的实验控制系统，适用于基于LED光源的植物工厂系统。这套系统的创新点在于使用LED光源，因为其功耗低，寿命长，色光配比可调，该系统与其他补光系统相比能更加有效、经济地调节光照强度、频率，使其更加适应植物的生长。该实验系统包括：LED灯板、环境传感器、视频监控系统、控制下位机和营养液调控中心等，其结构框图如图1所示。
LED灯板由红蓝2种颜色的灯组成，其中红蓝配比可调，一般植物生长所需要的红蓝配比在5∶1到10∶1之间。LED灯板设计的依据是：太阳光的能量并没有全部被用来进行光合作用，植物光合作用用到的波长主要集中在400~720nm的范围内，其中对光合作用起主要作用的是400~520nm（蓝色）以及610~720nm（红色）的光线[7-8]。不同波长对植物生长的影响如表1所示。
按照上述原理，LED植物生长灯主要分为红蓝组合、全蓝组合以及全红3种组合。多色LED可控光源原理图如图2所示。
LED可控光源包括LED阵列、LED光板管理ECU、温度与光照传感器以及通信接口等部分组成。在LED阵列中，可以将红光LED与蓝光LED交叉分布，根据植物生长对光的需求设计红光和蓝光的发光强度与数量比例。ECU部分负责对光色传感器、亮度传感器采集的光照信息与温度传感器采集的温度信息进行处理，通过控制单元对系统进行调节。通信接口可以将ECU与计算机连接，对控制系统进行调试。
为了减小外界因素对植物生长的影响，植物生长室被设计成封闭式结构，以尽量减少与外界的不可控的能量与物质交换。营养液调控中心要完成EC值、pH值、溶氧、液温的调节与控制，这种控制通过计算机控制系统完成。
本研究以菊花在不同色光下生根的对比试验为例，取相同数量的生长一致且粗壮的菊花茎段，分两组，除光照条件外，其他条件均相同且理想，将2组样本分别在红光和白光下照30d，实验对比结果如表2所示。
由表2可知，在排除外界条件干扰的情况下，红光LED对植株生长的促进作用显著好于自然光，这也证明了LED光源应用于农业研究的可行性。
3LED照明控制系统
大型植物工厂应该包括控制系统、数据采集网络和I/O设备。植物工厂中的数据采集系统可以采用有线或无线2种网络，既可以单独使用也可混合使用。由于有线传感器网络缺少灵活性，不易安装和扩展，且维护成本高，因而，无线传感器网络得到了极大发展，有效地克服了有线传感器网络的缺点和不足[6]。ZigBee技术是目前备受大家广泛关注与重视的无线通信应用技术之一。
ZigBee技术属于无线连接的一种，在中国被译为“紫蜂”，主要适合于远程控制和自动控制等领域，可嵌入在多种设备中。它依据IEEE802.15.4标准，能协调上千个传感器之间的相互通信。ZigBee工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）、915MHz（美国流行）3个频段上，传输距离范围为10~75m。作为一种无线通信技术，它具有成本低、功耗小、寿命长、网络容量大、时延短与安全性高等特点[9-10]。
本研究针对人工光型植物工厂提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的光照控制系统，该系统包括ZigBee传感器、测光、调光节点和照明系统。LED与调光节点之间通过串口进行通信，各节点之间可以无线通信。系统框图如图3所示。
协调器作为系统的核心控制部分，负责整个系统网络的建立和数据的传输，并可以通过串口通信方式与PC机进行通信；增加路由器可以增大网络通信的距离；终端的传感器节点负责数据的采集和发送；调光节点用来监控LED和通过温度传感器测量灯板温度，测光节点包括ZigBee无线通信模块和光照传感器。LED与调光节点之间通过串口进行通信，各节点之间可以无线通信。
为了满足植物工厂环境可控的要求，该系统可以扩展出温湿度和CO2检测控制系统。传感器节点包括温湿度传感器、CO2传感器、色光传感器和光照强度传感器，各传感器的数据通过ZigBee无线通信模块传输。
为了实现远程监控，系统必须在ZigBee网络和TCP/IP网络之间建立一个网关，负责网络之间的协议转换。网关主要由ZigBee收发器、单片机模块和以太网控制器几部分组成。具体的网关数据转换和网关结构如图4和图5所示。
网关开启后，ZigBee网络与TCP/IP网络之间便可以通过其进行数据转换。同时，其他的终端节点通过与网关的通信，形成一个完整的无线网络系统。这样ZigBee无线网关就可以管理所有节点，最终实现系统的远程监控。
4结束语
本文介绍的植物生长实验系统结合了ZigBee无线通讯技术与LED照明技术，具有能耗低、成本低、可靠性高等优点，并且便于安装与管理，可以满足日常实验研究。本系统还可以结合ZigBee无线传感器网络将其扩展为植物工厂系统，实现植物的批量生产。该系统克服了有线网络不易扩展、维护成本高的缺点，具有广阔的应用前景。