1應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1智能控制照明在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的必要性

1.1.1光照是植物生長要素

目前人類面臨食物、能源、資源、環(huán)境和人口五大問題，這些問題的解決都與植物生產(chǎn)有密切關(guān)系，而光照是影響植物生長發(fā)育的首要因素。因此，深入研究植物生長發(fā)育對光的需求特性、規(guī)律和光控基準(zhǔn)，研發(fā)適宜于植物的智能控制高效LED補(bǔ)光系統(tǒng)，為植物生長提供高效的光環(huán)境，是一項(xiàng)有意義的創(chuàng)新性工作。

土地資源的緊缺和人口的增長性決定了植物栽培土地的稀缺性。同時(shí)，隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，對綠色、安全和健康食用植物的需求越來越迫切。用于農(nóng)業(yè)植物工廠化、生產(chǎn)精細(xì)化及設(shè)施智能化的栽培裝置系統(tǒng)，包括智能控制光照技術(shù)的需求與日俱增。

此外，采用智能控制LED照明促進(jìn)植物生長可滿足偏遠(yuǎn)哨所、極地、地下防空洞及小島駐防人員的蔬菜需求，以及可實(shí)現(xiàn)新鮮蔬菜的周年供應(yīng)，節(jié)省大量的運(yùn)輸成本。這在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中開辟了一條新的途徑。

1.1.2 應(yīng)用智能控制照明是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式的里程標(biāo)志

近年來，隨著大氣污染日益加重，大氣透明系數(shù)不斷下降，致使達(dá)到地表的太陽輻射日趨減少，植物可接收的太陽光能越來越少，難以滿足植物正常生長發(fā)育的需求。此外，全球天氣變暖導(dǎo)致天氣異常，植物遭遇連續(xù)陰雨霧霾天氣的頻度增加，農(nóng)田作物穩(wěn)定收成已變得不可靠。

所以，要提高農(nóng)作物的光合作用效率，促進(jìn)農(nóng)作物生長，減少農(nóng)作物種植過程中農(nóng)藥和激素的大量使用，發(fā)展高效無污染的綠色農(nóng)業(yè)，則應(yīng)將光環(huán)境調(diào)控技術(shù)用于蔬菜設(shè)施栽培中。它是一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效且簡便易行的物理新方法，具有突出技術(shù)優(yōu)勢。因此，采用智能控制光照植物工廠高產(chǎn)栽培是農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式經(jīng)歷了從露地栽培向設(shè)施栽培模式和無土栽培的重大變革，同時(shí)正向工廠化栽培模式發(fā)展。植物工廠化栽培模式是基于無土栽培的最新發(fā)展，基于智能控制照明的植物工廠化栽培模式能徹底擺脫自然條件的束縛，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段。可實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃的周期穩(wěn)定生產(chǎn)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式的里程標(biāo)志。

1.1.3 促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向綠色環(huán)保轉(zhuǎn)變

自然界中，太陽的光照度隨地理緯度、季節(jié)和天氣狀況的不同而變化。溫室內(nèi)的光照度除與上述因素有關(guān)外，還與溫室結(jié)構(gòu)、管理措施及材料的透光性能等密切相關(guān)。由于溫室覆蓋材料、灰塵以及結(jié)構(gòu)遮光等因素的影響，溫室內(nèi)的光照質(zhì)量也要比露地差很多，一般僅為露地的30%～70%，尤其是在冬季和早春季節(jié)，太陽高度角低，日照時(shí)間短，溫室內(nèi)光照度往往不能滿足農(nóng)作物生長的需求。光照不足嚴(yán)重抑制溫室的果蔬發(fā)育、植株生長遲緩及病害更嚴(yán)重導(dǎo)致大幅減產(chǎn)及品質(zhì)下降。農(nóng)作物主要依賴激素和農(nóng)藥來抵御由于光照不足引起的種種問題，導(dǎo)致化學(xué)品的過量使用和殘留危害人類健康。采用智能控制來調(diào)節(jié)植物的補(bǔ)光，增加光照時(shí)數(shù)、改善室內(nèi)光譜分布及促進(jìn)植物生長，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向綠色環(huán)保轉(zhuǎn)變。

1.2 農(nóng)業(yè)智能控制照明倍受各國重視

植物工廠通過智能控制LED照明的技術(shù)革命來改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)觀念，提高抵御自然災(zāi)害的能力。智能控制燈具在植物栽培領(lǐng)域的應(yīng)用與研究也越來越受到世界各國的廣泛重視，在美國、日本、德國、北歐及加拿大等國家，已開發(fā)出各種各樣的植物工廠，為未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開辟新的道路。

1.2.1 日本三菱——集裝箱植物工廠

智能控制照明在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要包括植物生產(chǎn)、養(yǎng)殖業(yè)、微藻培養(yǎng)、食用菌培育等。2010年4月，日本三菱化學(xué)公司用大型集裝箱改造成“植物工廠”，這種“植物工廠”以LED為光源進(jìn)行農(nóng)作物的光合作用。為適應(yīng)新生的植物工廠的需求，日本昭和電工專門為“植物工廠”開發(fā)了智能控制LED照明產(chǎn)品，可以發(fā)射促使農(nóng)作物生長的特定波長光，目前已被日本10多家植物工廠采用。

1.2.2 韓國經(jīng)濟(jì)部——栽培基地

2010年6月，韓國知識(shí)經(jīng)濟(jì)部也宣布將投入30億韓元(約合人民幣1650萬元)用于IT—LED栽培核心配件和核心技術(shù)的研發(fā)，2010年底已完成芯片開發(fā)，并建造495㎡規(guī)模化智能控制LED照明的栽培基地。

1.2.3 中國研究所與企業(yè)同步開創(chuàng)

早在2009年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已成功研制出了國內(nèi)第一例智能型植物工廠，采用智能控制LED和熒光燈為人工光源進(jìn)行蔬菜種植和種苗繁育，并在長春投入運(yùn)行。2010年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院承擔(dān)的863計(jì)劃項(xiàng)目“半導(dǎo)體照明光源在植物組培中的應(yīng)用研究”課題。2014年北京照明展，國內(nèi)首個(gè)開辟“農(nóng)業(yè)照明主題區(qū)”，迎合產(chǎn)業(yè)及市場發(fā)展求，特邀 LED 業(yè)者與植物工廠方案業(yè)者及農(nóng)業(yè)相關(guān)部門參與。十二五規(guī)劃的“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究” 項(xiàng)目于 2013 年的上半年在北京正式啟動(dòng)，植物工廠節(jié)能光源應(yīng)用及光環(huán)境智能控制技術(shù)課題成為熱點(diǎn)。智能控制技術(shù)已成功應(yīng)用于植物的栽培，并在植物補(bǔ)光、組培、植物工廠領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。

在各國爭相發(fā)展之際，以農(nóng)業(yè)大國自稱的中國，也順應(yīng)這一發(fā)展趨勢，積極加入到智能控制農(nóng)業(yè)照明這一領(lǐng)域，并攜手國際LED大廠成立LED植物工廠研發(fā)戰(zhàn)略聯(lián)盟。目前，我國設(shè)施園藝面積已達(dá)337 hm2，其中日光溫室占25%左右，成為效益最大的重要種植產(chǎn)業(yè)。我國農(nóng)業(yè)照明用燈數(shù)量在 1-5 億支以上，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展及用燈數(shù)量的增多，在今后幾年估計(jì)會(huì)增至 5-10 億只以上。因此農(nóng)業(yè)照明的需求十分迫切，農(nóng)業(yè)照明及其智能調(diào)控裝備產(chǎn)業(yè)的前景誘人。中國植物工廠的建置仍以國家政策為主導(dǎo)，地方政府的積極腳步也讓業(yè)者嗅到補(bǔ)助商機(jī)。國內(nèi)進(jìn)軍農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用領(lǐng)域的廠家很多，主要分布在華南地區(qū)。

1.3 智能控制在農(nóng)業(yè)照明的應(yīng)用范圍

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，日常生活中的肉蛋奶、蔬菜、花卉、瓜果、食用菌等農(nóng)副產(chǎn)品的很大一部分都是在設(shè)施條件下生產(chǎn)出來的，智能控制補(bǔ)光與照明是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最重要的應(yīng)用方式，根據(jù)動(dòng)植物發(fā)育的不同需求，采用不同波長的單色光組合起來形成農(nóng)用照明系統(tǒng)，并通過對光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與高效生產(chǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要應(yīng)用方向。目前，智能控制在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到植物培育、畜禽養(yǎng)殖、食用菌生產(chǎn)、微藻繁殖、害蟲誘捕、誘魚等眾多領(lǐng)域。

1.3.1 植物培育

植物整個(gè)生長過程中，涉及到光合作用、光周期調(diào)節(jié)、光生態(tài)形成等幾個(gè)方面,植物對光的吸收不是全波段的,而是根據(jù)生長周期具有選擇性。光調(diào)節(jié)植物整個(gè)生長發(fā)育，以便更好地適應(yīng)外界環(huán)境。這種依賴光控制細(xì)胞的分化、結(jié)構(gòu)和功能的改變，最終會(huì)繼承組織和器官的建成，就成為光形態(tài)建成光控制發(fā)育的過程。光在光形態(tài)發(fā)生中起的是信號作用，與在光合作用中起能源作用不同。

研究表明，植物光合作用在可見光光譜(380～760nm)范圍內(nèi)所吸收的光能約占其生理輻射光能的60%～65%，其中主要以波長610～720nm(波峰為660nm)的紅光、橙光(約占生理輻射的55%左右)以及波長400～510nm(波峰為450nm)的藍(lán)光、紫光(約占生理輻射的8%左右)為吸收峰值區(qū)域。因此，開發(fā)出以這兩個(gè)波段(特別是波峰)為主體的植物人工光源將會(huì)大大提高其光能利用效率。

智能控制照明系統(tǒng)能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光(如波峰為450nm的藍(lán)光、波峰為660nm的紅光等)，光譜域?qū)拑H為±20nm，而且紅光和藍(lán)光LED組合后，還能形成與植物光合作用與形態(tài)建成基本吻合的光譜，光能利用率達(dá)80%～90%，其節(jié)能效果極為顯著。智能照明可控的獨(dú)特性能為其在植物生產(chǎn)系統(tǒng)如溫室大棚、植物組培、遺傳育種及植物工廠等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用空間。

1.3.2 畜禽養(yǎng)殖

通過對紅色、藍(lán)色和白色LED光源對家禽生產(chǎn)性能影響的研究，推出智能化養(yǎng)雞LED照明系統(tǒng)，并在養(yǎng)雞場投入使用。ONCE公司推出漸變式禽類養(yǎng)殖智能控制照明產(chǎn)品，采用定時(shí)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對光周期的控制。現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)普遍采用人工智能照明促進(jìn)生產(chǎn)，尤其在規(guī)模化設(shè)施養(yǎng)殖場這種需求更加明顯。由于人工智能控制照明的色溫、光強(qiáng)、時(shí)長及間斷控制等都會(huì)對畜禽的行為習(xí)性、生理特性、生長發(fā)育等產(chǎn)生影響，最終會(huì)促進(jìn)畜禽的生產(chǎn)性能。因此，養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中的照明不僅要低能耗和長壽命，而且還應(yīng)具備光環(huán)境參數(shù)的可控性。

1.3.3 微藻繁殖

隨著全球資源、能源及環(huán)境危機(jī)的加劇，開發(fā)利用光合自養(yǎng)生物微藻，直接將太陽能及CO2轉(zhuǎn)化成人們生活需要的醫(yī)藥、生物基化學(xué)品(如天然色素、異戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇、生物柴油等)，已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。光照是影響微藻細(xì)胞生長及生化成分變化最重要的因子之一，對微藻的生長、繁殖、藻體顏色、細(xì)胞形態(tài)及代謝產(chǎn)物含量均有重要的影響，智能控制光源逐漸在微藻繁殖中得到廣泛的應(yīng)用。

1.3.4 水產(chǎn)誘捕

世界各地一直存在使用火或其他形式的燈光捕魚的方法，如今這些捕魚方法已經(jīng)成為許多國家現(xiàn)代漁業(yè)的一個(gè)重要特征。一些研究人員還對不同顏色光源的誘魚效果進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，藍(lán)光具有更深的水體穿透性，使用以藍(lán)色為主體的人工光源可以取得更好的誘捕效果。

1.4 局限智能控制農(nóng)業(yè)照明發(fā)展因素

1.4.1 成本偏高

成本是產(chǎn)品具有市場競爭力的關(guān)鍵因素，決定產(chǎn)品能否得到用戶認(rèn)可，能否占據(jù)一定市場份額。對于智能控制LED照明產(chǎn)品來說，價(jià)格高是限制其發(fā)展的主要因素之一。與高壓鈉燈相比，一只200W的高壓鈉燈成本為200～300元，而一臺(tái)100W的LED燈的成本則需要1000～1500元。雖然LED的價(jià)格在以每年20%～30%的速度直線下降，但與傳統(tǒng)光源相比仍然存在價(jià)格差距，這在很大程度上限制了智能控制LED照明在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣。近年來，國內(nèi)部分地區(qū)新投入了LED封裝線，目前正處于建設(shè)期內(nèi)，預(yù)計(jì)兩年后，這些產(chǎn)能的釋放，將會(huì)大大降低LED價(jià)格，高成本問題有望得到化解。

1.4.2 技術(shù)不成熟

雖然智能控制照明技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于照明、顯示屏、背光及交通訊號等眾多領(lǐng)域并取得成功。但在我國農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，仍缺乏有效的技術(shù)支持，這主要是因國家在智能控制農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域應(yīng)用研究方面的投入嚴(yán)重不足，相關(guān)的基礎(chǔ)研究以及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)缺乏有效的經(jīng)費(fèi)支持，農(nóng)業(yè)用智能控制LED照明技術(shù)指標(biāo)體系構(gòu)建及其相應(yīng)的軟硬件開發(fā)缺乏有效的理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1.4.3 產(chǎn)業(yè)化與標(biāo)準(zhǔn)化程度低

農(nóng)業(yè)用智能控制LED照明目前仍處于試驗(yàn)及研究階段，還沒有形成成熟的專業(yè)化產(chǎn)品，開發(fā)和試用僅僅限于科研院所，缺乏能夠?qū)⒀芯砍晒�轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的專業(yè)性智能控制照明企業(yè)，其生產(chǎn)的專業(yè)化和智能化程度仍然較低，不利于農(nóng)業(yè)智能照明的健康、合理及有序發(fā)展。

2 技術(shù)研究

2.1 研究內(nèi)容

2.1.1 溫室補(bǔ)光

溫室是農(nóng)業(yè)設(shè)施中功能最為完善的類型，可進(jìn)行冬季生產(chǎn)，因此世界各國都很重視溫室的建造和發(fā)展。然而溫室栽培時(shí)，由于受覆蓋物透光率的影響(如普通玻璃的透光率為90%～92%，塑料薄膜的透光率只有85%～90%，溫室內(nèi)的自然光照條件要比露地差。在冬季和早春，日照時(shí)間短，溫室光照度較弱。光照不足會(huì)影響農(nóng)作物光合作用使其生長受抑，從而導(dǎo)致產(chǎn)量及品質(zhì)下降。為保證溫室的農(nóng)作物茁壯成長，需要給植物進(jìn)行人工補(bǔ)光。

目前，溫室的人工補(bǔ)光主要有高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈和熒光燈等光源，這些光源的紅外和綠光等光譜成分較大，農(nóng)作物光合作用所需的紅光及藍(lán)光譜成分相對較少，其光能利用率低、耗能及運(yùn)行成本較高。近年來，隨著智能控制及LED光源技術(shù)的快速發(fā)展，為溫室補(bǔ)光提供了新的技術(shù)應(yīng)用。常用的LED溫室補(bǔ)光光源主要有兩種，一種是垂直照射的LED點(diǎn)光源，燈具采用類似于高壓鈉燈的圓頭結(jié)構(gòu)。另一種是穿插于植株之間進(jìn)行側(cè)面照射的柔性LED燈帶。智能控制LED光源用于溫室人工補(bǔ)光仍處于小規(guī)模示范階段。

2.1.2 植物工廠

植物工廠通過采用科學(xué)及標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)措施的智能控制，運(yùn)用機(jī)械化及自動(dòng)化手段，使植物在最佳模式下進(jìn)行培育。一種是以溫室為主體，以太陽光和人工光并用型植物工廠。另一種是完全封閉的，以人工光源為主體的植物工廠。兩者相比，閉鎖式植物工廠在光環(huán)境控制方面具有明顯優(yōu)勢。LED具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊和壽命長等優(yōu)勢以及能調(diào)控發(fā)光強(qiáng)度和光質(zhì)，被認(rèn)為是植物工廠應(yīng)用較理想的光源。

1994年以來，日本開始采用LED作為植物工廠的照明光源，使用波長為660nm的紅色LED加上5%的藍(lán)色LED通過智能控制組合光源進(jìn)行人工植物工廠栽培生菜和水稻作物的應(yīng)用獲得成功。2009年9月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所成功研制出了國內(nèi)第一例智能型LED植物工廠，采用LED智能控制照明進(jìn)行人工光育苗生產(chǎn)，并取得了良好的運(yùn)行效果。

2.1.3 植物組培育苗

植物組織培養(yǎng)即植物無菌培養(yǎng)技術(shù)，是根據(jù)植物細(xì)胞具有全能性的理論，利用植物體離體的器官或細(xì)胞以及原生質(zhì)體，在無菌、光照及溫度適宜的人工培養(yǎng)條件下，通過誘導(dǎo)出愈傷組織、不定芽及不定根最后形成完整植株的技術(shù)。組培室所用的人工光源一般為多層架安裝熒光燈，由于熒光燈的發(fā)熱量較高離植物不能太近以免造成灼傷，這樣不僅增加了電能損耗，還增加了組培室內(nèi)的相應(yīng)熱量，促使研究人員以高效率的LED冷光源代替原來的熒光燈。

育苗是果蔬生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，由于幼苗的形態(tài)建成是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過程，培育成的幼苗健壯程度將直接影響植株的生長發(fā)育，并與農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)。通過利用光調(diào)控技術(shù)來培育壯苗是一項(xiàng)即節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效且簡便易行的新方法，光環(huán)境調(diào)控對黃瓜、番茄、甜椒、油菜等幼苗的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著影響。此外，瓜類的性別表現(xiàn)易受環(huán)境因素和化學(xué)調(diào)控等因子的影響，由于瓜類的性別分化發(fā)生在苗期，所以育苗期間可以通過對光周期的控制來人為調(diào)控瓜類的性別表現(xiàn)。智能控制LED照明在應(yīng)用于蔬菜育苗期的光環(huán)境調(diào)控中具有無可比擬的優(yōu)越性，必將在蔬菜工廠化育苗中發(fā)揮重要作用。

2.1.4 光照調(diào)節(jié)畜禽生長

隨著可控LED單色光源的出現(xiàn)，研究人員圍繞畜禽對色度、光強(qiáng)及光周期等光環(huán)境指標(biāo)與生長性的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，探明畜禽對光環(huán)境需求的相關(guān)參數(shù)。發(fā)現(xiàn)AA肉雞生長前期采用綠光LED或藍(lán)光LED照射，生長后期采用藍(lán)光LED照射，能顯著促進(jìn)肉雞的生長發(fā)育，提高生產(chǎn)性能，肉雞生長早期(0-7d)選用綠光LED照明，可不同程度地改善肉雞小腸黏膜結(jié)構(gòu)，提高小腸對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，從而促進(jìn)肉雞生長發(fā)育。

通過智能控制LED照明系統(tǒng)對種雞適應(yīng)的色度、光強(qiáng)與光周期優(yōu)化指標(biāo)的系統(tǒng)研究，確定了調(diào)控色度、光強(qiáng)和光周期來改善雞的生理節(jié)律、攝食行為、生長發(fā)育及繁殖性能的技術(shù)指標(biāo)體系，消減了諸如禽產(chǎn)品“污染”(如藥物殘留、激素殘留等)的負(fù)面影響，能夠顯著促進(jìn)畜禽生長及提高免疫力，大大提升了畜禽的生產(chǎn)潛力。

2.2 特點(diǎn)突出

2.2.1 光照優(yōu)質(zhì)

光是植物生長發(fā)育的重要因子之一，地球上植物所需要的光照主要來自于太陽，太陽光是由無線電波、紅外線、可見光、紫外光、X射線及極短的宇宙射線等組成一個(gè)連續(xù)的光譜。植物利用太陽光主要是進(jìn)行光合作用，而光合作用吸收光譜在可見光光譜 380～760 nm范圍內(nèi),其中主要以波長在610～720 nm的紅橙波段光、以及波長400～510nm的藍(lán)紫波段光為吸收峰值區(qū)域。由于連續(xù)陰雨氣候因素影響植物生長發(fā)育乃致絕收。設(shè)施及農(nóng)業(yè)種植改變不受天氣影響而成為發(fā)展的方向，智能控制LED照明的研究及發(fā)展解決了這一問題。

2.2.2 補(bǔ)光可控

傳統(tǒng)光源產(chǎn)生較高熱量，LED將電能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У墓廨椛洹Ｍ瑫r(shí)溫室人工補(bǔ)光主要有三個(gè)要素：光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期。其中光強(qiáng)即光照度的要求，以主要作物光補(bǔ)償點(diǎn)為依據(jù)，番茄、黃瓜、辣椒的光補(bǔ)償點(diǎn)分別為3000lx、2000lx和1500lx，光飽和點(diǎn)為70000lx、55000lx和30000lx，因此，溫室補(bǔ)光光照度一般要求在作物冠層達(dá)到1000lx～3000lx。二是農(nóng)作物的光合作用主要利用400nm～510nm的藍(lán)紫光、600nm～700nm的紅橙光，溫室補(bǔ)光一般根據(jù)作物不同，對R/B(紅/藍(lán))有特定要求。其次是對光周期的要求，自然界晝夜交替、周而復(fù)始的現(xiàn)象形成了光周期，農(nóng)作物在漫長的進(jìn)化過程中適應(yīng)了這種明暗變化。但是，在冬至前后或連陰天時(shí)，光照時(shí)間往往不能滿足農(nóng)作物生長發(fā)育需求，需要通過人工補(bǔ)光來增加光照時(shí)間。近年來，溫室人工補(bǔ)光已經(jīng)成為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段，各種智能控制照明也得到了快速發(fā)展及應(yīng)用。

2.2.3 系統(tǒng)智能

特定波長的光可以影響植物的開花時(shí)間、品質(zhì)和花期持續(xù)時(shí)間。特定波長的光能夠提高植物的花芽數(shù)和開花數(shù)量;某些波長的光能夠降低成花反應(yīng)，調(diào)控了花梗長度和花期，有利于可控切花生產(chǎn)和上市時(shí)間。由此可見，通過智能調(diào)控系統(tǒng)對植物的開花和隨后的生長周期進(jìn)行調(diào)控。

該系統(tǒng)包括LED光源、生長控制軟件、信號調(diào)節(jié)器和數(shù)據(jù)收集軟件的植物生長調(diào)控系統(tǒng)。可以通過生長控制軟件控制LED照明，將傳感器測出來的生長環(huán)境信息通過數(shù)據(jù)收集軟件匯集到數(shù)據(jù)庫能實(shí)現(xiàn)不同光質(zhì)的自動(dòng)控制。

2.3 明顯優(yōu)勢

2.3.1 生物能效高

植物光合作用主要是利用波長為610~720nm(波峰為660nm)的紅橙光，吸收的光能約占其生理輻射的55%左右;其次是波長為400~510nm(波峰為450nm)的藍(lán)紫光，吸收的光能約占其生理輻射的8%左右。而傳統(tǒng)光源的輻射光譜中除了紅藍(lán)光之外，往往還存在著大量的綠光及紅外光成分，這些光譜成分對植物光合作用的效益不大。另一方面，傳統(tǒng)光源的輻射光譜對植物需求而言往往不平衡，譬如熒光燈就存在著藍(lán)光成分過多降低了植物對傳統(tǒng)光源輻射能量的利用率。相比之下，利用LED作為光源，則可以控制其輻射光譜全部為紅藍(lán)光波段，而且可以根據(jù)植物的不同需求精確調(diào)整其紅藍(lán)光質(zhì)比，使其輻射能量可完全被植物吸收，大大提高了其生物能效。

2.3.2 提高植物栽培密度

由于智能控制的LED產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，比傳統(tǒng)光源體積大大減小。另一方面，由于傳統(tǒng)光源會(huì)輻射大量的熱量到植物表面，因此在使用其作為植物補(bǔ)光時(shí)，其必須保持與植物有一定的間距，而LED屬于冷光源，其輻射光譜對植物的熱效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)光源，即使近距離照射也不會(huì)造成植物灼傷，因此可實(shí)現(xiàn)對植物的近距離照射，這樣，在植物工廠或組培中，就可以大大縮短栽培層架之間的距離，提高空間利用率，大大提高植物的單位空間栽培密度。

2.3.3 節(jié)能效果顯著

在采用熒光燈組培生產(chǎn)中，照明能耗占運(yùn)行能耗的30%~40%，而在熒光燈植物工廠這一份額更是高達(dá)82%。采用智能控制LED照明替代傳統(tǒng)的照明光源可以大大減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的照明能耗。如荷蘭在溫室中利用智能控制LED照明實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的高壓鈉燈和金屬鹵素?zé)舻认啾龋琇ED節(jié)能量達(dá)50%~80%。在植物工廠里，使用傳統(tǒng)光源每平方米需要配備0.5千瓦的光源，而LED僅需0.27千瓦，可使耗電量下降約一半。

3 市場分析與前景預(yù)測

3.1 “利基型”市場

在業(yè)內(nèi)人士看來，近二年智能控制LED照明技術(shù)發(fā)展這兩年已經(jīng)更為成熟，而且也開始逐步導(dǎo)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。利用LED光源與環(huán)境控制特性的植物工廠，成為近年來各大廠商迫切想要切入的“利基型”市場。在這樣的市場中，企業(yè)選定一個(gè)很小的產(chǎn)品或服務(wù)領(lǐng)域，集中力量進(jìn)入并成為領(lǐng)先者，同時(shí)建立各種壁壘，有望形成競爭優(yōu)勢。

智能控制LED照明在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的市場潛力巨大。事實(shí)上，LED照明與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的結(jié)合可以帶來多重利好，它可以讓農(nóng)作物、植物或花卉的收成期縮短，加上適當(dāng)?shù)沫h(huán)境控制可以預(yù)防蟲害，并且免于使用農(nóng)藥或減少農(nóng)藥使用，為食品安全把關(guān)，也提高農(nóng)產(chǎn)品的附加價(jià)值。LED光源相比傳統(tǒng)光源具有明顯優(yōu)勢。

過去LED照明成本居高不下，農(nóng)業(yè)照明因而多采用熒光燈管或高壓鈉燈，隨著智能控制及LED技術(shù)成熟度的不斷提高和應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，再考慮到政府在研發(fā)和銷售方面扶持和補(bǔ)貼的逐步加碼，其成本會(huì)越來越趨近于傳統(tǒng)光源。每流明約合新臺(tái)幣0.38元，僅為2010年1.8元的五分之一， Philips、Osram、Mitsubishi和Panasonic等國際品牌紛紛投入智能控制農(nóng)業(yè)照明創(chuàng)新應(yīng)用。隨著LED 價(jià)格下滑與技術(shù)提升，促使農(nóng)業(yè)智能控制照明應(yīng)用出現(xiàn)新一波進(jìn)展。目前中國從事農(nóng)業(yè)智能控制照明的廠家并不多，而且由于LED光源相比傳統(tǒng)光源具有的明顯優(yōu)勢，在國內(nèi)仍然是非常具有前瞻性的技術(shù)，應(yīng)用推廣的增長空間巨大，是符合未來產(chǎn)業(yè)走向的投資。

3.2 前景廣闊

在日韓早已應(yīng)用成熟的智能控制農(nóng)業(yè)照明近日在中國開始受到關(guān)注。智能控制植物燈的銷售市場都集中在日本、韓國、中美、歐洲等從事農(nóng)業(yè)人員較少的國家和地區(qū)。但隨著農(nóng)業(yè)智能控制照明滲透率的提升，中國市場也將進(jìn)入爆發(fā)期。據(jù)調(diào)查，全球農(nóng)業(yè)智能控制照明產(chǎn)值在2013年起開始呈現(xiàn)高速成長，產(chǎn)值雖僅千萬美元規(guī)模，但預(yù)估2014年將逾3500萬美元，2017年更可望挑戰(zhàn)3億美元。

而我國年產(chǎn)大于1000萬株種苗的組培企業(yè)就有300多家，小型組培車間和實(shí)驗(yàn)室有5000余家，植物組培的總面積在2000萬平方米以上，年產(chǎn)值200億元左右。LED智能控制照明在組培領(lǐng)域應(yīng)用的研究起步較早，技術(shù)較為成熟，隨著智能控制照明成本的進(jìn)一步降低，全面普及智能控制照明逐漸成為可能。

國內(nèi)龐大的農(nóng)業(yè)照明需求是智能控制發(fā)展的外部動(dòng)力。以溫室補(bǔ)光為例，補(bǔ)光設(shè)施是現(xiàn)代玻璃溫室的基本必備組成，中國有玻璃溫室0.35萬公頃，而整個(gè)世界的玻璃溫室總面積則達(dá)到了4.9萬公頃，若考慮到世界上總面積達(dá)到283萬公頃的塑料溫室大棚，則溫室補(bǔ)光的市場需求將更龐大。電光源也是組培育苗的必需品和易耗品，所以，智能控制照明及組培專用LED光源具有廣闊的市場。同時(shí)，我國是全球工廠化植物組培育苗的生產(chǎn)基地和出口基地，也是全球最大的組培育苗市場。國外市場的潛力也是不容小覷的，商業(yè)化的植物工廠主要分布于日本，其總數(shù)達(dá)到了50家，其中35家是完全采用人工光照明，隨著植物工廠技術(shù)的日益成熟，植物工廠應(yīng)用也必將是智能控制照明應(yīng)用的一個(gè)重要市場。

除了光合作用照明之外，智能控制照明在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域其它方面也存在很大的應(yīng)用空間，如對于農(nóng)業(yè)害蟲的物理防治來說，可以采用特定波長的LED光源，引誘并滅殺害蟲，減少農(nóng)藥施用量，做到安全綠色生產(chǎn)。對于動(dòng)物養(yǎng)殖來說，可以根據(jù)不同的養(yǎng)殖目的，采用特定波長的LED實(shí)施光照促進(jìn)動(dòng)物生產(chǎn)率，減少飼料添加劑及激素的使用，實(shí)現(xiàn)高效綠色生產(chǎn)。對于海洋捕撈來說，可以應(yīng)用特定波長的LED光源，進(jìn)行海產(chǎn)品的誘導(dǎo)，提高捕撈量。對于微生物來說，可以采用促進(jìn)有益微生物繁殖增殖的特定波長的LED實(shí)施光照，實(shí)現(xiàn)高效率、密集產(chǎn)量的微生物反應(yīng)過程。

相比起來，傳統(tǒng)的光源很難或者不能勝任這些特殊應(yīng)用的要求，因此充分開拓智能控制LED照明在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，也將給智能控制照明的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用帶來相當(dāng)大的市場需求。

4 產(chǎn)業(yè)推廣戰(zhàn)略

4.1 加大研發(fā)力度

農(nóng)業(yè)專用的660nm、730nm波長的LED芯片的技術(shù)主要由國外公司控制，不利于我國LED智能控制照明在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)和推廣進(jìn)程，國家應(yīng)加大對農(nóng)業(yè)專用LED芯片及燈具的研發(fā)和生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)照明燈具外觀上的要求并不嚴(yán)格，可減少在此方面的設(shè)計(jì)及投入。此外，由于農(nóng)業(yè)照明環(huán)境及其對照明質(zhì)量需求的特殊性，須結(jié)合農(nóng)業(yè)照明特殊的環(huán)境以及內(nèi)在光學(xué)指標(biāo)要求進(jìn)行研發(fā)，如溫室的高溫高濕環(huán)境， LED光源必須密封良好，防水防腐蝕。

智能控制LED照明在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究還處于起步階段，缺乏系統(tǒng)完善的研究，技術(shù)水平相對較低，必須加大研究的力度及加大研發(fā)資金投入，提高行業(yè)的自主創(chuàng)新能力，全方位提升企業(yè)和行業(yè)整體競爭力。

4.2 加快標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

標(biāo)準(zhǔn)化是產(chǎn)品能夠健康有序發(fā)展的關(guān)鍵因素，對于農(nóng)業(yè)智能控制照明也是如此，只有標(biāo)準(zhǔn)化的約束，才能促使LED農(nóng)業(yè)照明更好更快地發(fā)展。但是標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立，應(yīng)從LED光源的研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用方面進(jìn)行更多的調(diào)查研究，從而制定出有利于行業(yè)發(fā)展的農(nóng)業(yè)智能控制照明標(biāo)準(zhǔn)。因此，國家應(yīng)重視加強(qiáng)農(nóng)用智能控制照明標(biāo)準(zhǔn)化體系的構(gòu)建，形成一批標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)產(chǎn)品，推進(jìn)農(nóng)用智能控制照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

4.3 扶持企業(yè)發(fā)展

農(nóng)業(yè)用智能控制照明技術(shù)還比較落后，不僅需要科研院所和企事業(yè)單位的共同努力，而且還需要國家的相關(guān)利好政策的扶持。我國各級政府對農(nóng)業(yè)用智能控制照明產(chǎn)業(yè)的關(guān)注度還甚少，在一定程度上不利于農(nóng)業(yè)用智能控制照明技術(shù)的發(fā)展。可考慮培育一批有核心競爭力的科研院所和龍頭骨干企業(yè)，形成一批具有國際先進(jìn)水平的特色優(yōu)勢產(chǎn)品，創(chuàng)建有持續(xù)創(chuàng)新能力的重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新中心，以產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵技術(shù)突破為目標(biāo)，搶占產(chǎn)業(yè)鏈高端環(huán)節(jié)，爭取重點(diǎn)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)做大做強(qiáng)、做專做精的戰(zhàn)略目標(biāo)。

4.4 開展規(guī)模性示范

由于農(nóng)業(yè)投入的特殊性，靠企業(yè)本身來完成智能控制照明生產(chǎn)的投入困難重重。建議重點(diǎn)建設(shè)應(yīng)用示范推廣工程：集中規(guī)劃建設(shè)若干個(gè)蔬菜、花卉、組培、中藥以及禽類養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)的智能控制照明應(yīng)用示范基地，形成政府主導(dǎo)、企業(yè)主體及市場配置“三力合一”。通過示范工程的建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地的創(chuàng)新意識(shí)，打造農(nóng)用智能控制照明的大規(guī)模應(yīng)用平臺(tái)和展示平臺(tái)，以示范應(yīng)用促進(jìn)農(nóng)用智能控制照明應(yīng)用的發(fā)展。

4.5 制定補(bǔ)貼政策

由于農(nóng)業(yè)用智能控制照明產(chǎn)品價(jià)格相對較高，但是卻具有節(jié)能高效的生產(chǎn)潛力，為了使其能夠更好地發(fā)揮節(jié)能高效的作用，在一定程度上需要政策性補(bǔ)貼，包括科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持、重大裝備購買資金補(bǔ)貼、產(chǎn)品應(yīng)用補(bǔ)貼等。建議將農(nóng)用智能控制照明納入國家農(nóng)業(yè)裝備購置補(bǔ)貼目錄，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位在購置智能控制時(shí)能夠享受到國家政策性支農(nóng)財(cái)政補(bǔ)貼。這將有助于建立農(nóng)業(yè)智能控制照明的節(jié)能高效生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)的升級改造，促進(jìn)農(nóng)業(yè)智能控制照明產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。