基于TracePro的LED植物生長光源燈珠布局的優(yōu)化設計與驗證.pdf

第33卷第1期 2020年3月 仲愷農業(yè)工程學院學報 Journal of Zhongkai University of Agriculture and Engineering Vol 33 No 1 March 2020 DOI 10 3969 j issn 1674 5663 2020 01 009 收稿日期 2019 07 10 基金項目 廣東省重點領域研發(fā)計劃 2019B0202222003 廣州市科技計劃 201607010018 和廣東省設施農業(yè)共性技術研發(fā)創(chuàng)新團隊 2019 資助項目 作者簡介 溫志鵬 1990 男 廣東揭西人 助理實驗師 在讀碩士研究生 通信作者 E mail mazhiyu2002 Hotmail com 基于TracePro的LED植物生長光源燈珠 布局的優(yōu)化設計與驗證 溫志鵬1 2 駱少明1 2 朱立學1 2 韋鴻鈺1 2 蔡世杰1 李明爵1 馬稚昱1 2 1 仲愷農業(yè)工程學院機電工程學院 廣東廣州510225 2 廣東省特色農業(yè)現代化 精準農業(yè)智能化裝備 產業(yè)發(fā)展重點實驗室 廣東廣州510225 摘要 為了提高LED植物生長光源的光照均勻性 提高光照強度 利用Tracepro光學仿真軟件設計了紅藍白 LED植物生長光源燈珠3種排布方式模型 對各排布方式分別設置了等間距排列和等差數列排列的組合方案 比較其均勻性及光照強度 仿真結果表明 不同排布方式和各排列組合方案對輻射照度和均勻性有一定的影響 雙線排布在SA40處理下的光源均勻性高于其他處理方式 為了驗證仿真設計的可靠性 基于仿真最優(yōu)結果 SA40雙線 制作LED植物生長光源作為試驗組 CK30單線排布光源及傳統(tǒng)LED白燈作為對照組 搭建6條光 源組合照明平臺 在150 mm受光距離下測量3組光源均勻性 結果表明 SA40處理下的紅藍白雙線排布光源 光照均勻性最好 88 93 與仿真結果相符 說明其排布參數設計合理 關鍵詞 Tracepro仿真 LED植物光源 排布方式 光照均勻性 中圖分類號 S123 TN29 文獻標志碼 A 文章編號 1674 5663 2020 01 0044 06 Optimization and verification of the arrangement of lamp beads for LED light source for plant growth based on TracePro WEN Zhipeng1 2 LUO Shaoming1 2 ZHU Lixue1 2 WEI Hongyu1 2 CAI Shijie1 LI Mingjue1 MA Zhiyu1 2 1 College of Electrical and Mechanical Engineering Zhongkai University of Agriculture and Engineering Guangzhou 510225 China 2 Key Laboratory of Agricultural Modernization Precision Agriculture Intelligent Equipment of Guangdong Province Guangzhou 510225 China Abstract In order to improve the illumination uniformity and intensity of the LED light source for plant growth in this study the three kinds of arrangement patterns of LED light source beads were designed by Tracepro optical simulation software And the arrangement schemes of equal spacing and arithmetic pro gression were constructed and the best lamp bead arrangements were presented by comparing with the u niformity and the light intensity of every scheme The simulation results showed that the arrangement and combination schemes had a certain influence on the irradiance and uniformity and the uniformity of the light source of the double line arrangement with the SA40 was higher than other methods In order to ver ify the reliability of the arrangement a real experiment was setup based on the simulation optimal result SA40 double line the light source of the single line arrangement CK30 and the traditional LED white light was used as the control group to build illumination platforms combined with 6 light sources The uniformity of the three sets of light sources was measured at a distance of 150 mm The experimental results showed that the illumination uniformity of the double line arrangement of SA40 had a good per formance with 88 93 uniformity that the arrangement parameters were reasonable Key words Tracepro simulation LED light source for plant arrangement light uniformity 光是植物光合作用的直接能量來源 也是調節(jié) 植物生長發(fā)育和形態(tài)建成的關鍵信息源 近年來隨 著設施農業(yè)的快速發(fā)展 人工光源在現代農業(yè)中發(fā) 揮著越來越重要的作用 1 3 LED作為第四代新型 半導體光源 具有高光效 長壽命 體積小 響應 快 環(huán)保及冷光源的特點 并且能根據植物生長需 求 有針對性地調節(jié)LED光質比 實現精準補光 較傳統(tǒng)人工光源有較大的優(yōu)勢 4 5 LED將是替代 傳統(tǒng)熒光燈植物光源的新一代環(huán)保型光源 并成為 現代農業(yè)生產植物光源的發(fā)展方向 6 9 適宜的光 環(huán)境是植物生長發(fā)育的關鍵 不同光質具有明顯不 同的生物學效應 包括植物的形態(tài)建成 生理效應 等的影響也是不同的 研究表明植物進行光合作用 主要吸收光譜為640 660 nm的紅光和430 450 nm 的藍紫光 10 Shinomura 11 發(fā)現類胡蘿卜素主要吸 收藍光 光敏色素受紅光和遠紅光比率的調控 符民 12 研究發(fā)現LED紅光可以促進蘆薈葉片的伸 長 LED藍光可以促進蘆薈葉片厚度的增長 在 LED紅藍復合光 R B 7 1 處理下的蘆薈生長各 項參數為最佳 徐文棟等 13 研究發(fā)現75 紅光與 25 藍光的復合光處理下的植物干質量 葉綠素含 量及光合速率均顯著增加 Li等 14 的試驗結果顯 示紅藍復合光R B 3 1 處理下油菜籽組培苗干質 量及鮮質量最大 有研究表明白光和綠光可以有效 保持蘆薈外觀品質 15 在紅藍復合光R B 3 1 中添加一定比例黃光能有效促進小白菜幼苗株高和 莖的生長 但卻抑制了小白菜葉片生長 12 現有 LED植物光源多為簡單的紅藍兩種LED燈珠的陣 列型結構 近距離受光面內會出現光斑 導致受光 面出現局部過亮或過暗現象 很難實現均勻復合光 混合效果 造成植物受光面內光譜及光照強度分布 不均 導致植物生長的均一性 整齊性受到很大影 響 16 17 本文提出一種新型的LED植物光源設計 方案 在基于白色LED可見光范圍內的連續(xù)光譜 增加紅光和藍光波段的光譜組成 進一步促進植物 光合作用效率 采用Tracepro對設計的組合光源的 紅藍白LED燈珠排布參數對光源均勻性的影響進 行仿真和試驗分析 希望能為開發(fā)性能優(yōu)良的植物 照明光源提供參考 1 光源設計 植物光源長度1 200 mm 采用紅光 藍光和 白光 各13顆LED燈珠混合排列制成 3種燈珠 排布方式 單線 雙線 錯位 圖1 單線 紅藍 白三色燈珠沿光源中間軸按等差數列等間距均勻相 間排列 作為對照組 CK 圖1a 雙線 光源中 心燈珠為白光燈珠 白光燈珠與紅藍兩色光燈珠分 別沿兩條線排列 白光燈珠等間距均勻排列 紅藍 兩色光燈珠按等差數列排列 圖1b 錯位 光源 中心燈珠為白光燈珠 紅藍光燈珠相間分布于光源 中間軸線上 按等差數列排列 白光燈珠分布于紅 藍燈珠兩側等間距排列 圖1c 圖1 3種排布方式示意圖 Fig 1 Schematic diagram of three arrangements 根據光源長度 燈珠數量以及排布方式 設計 每種排列的參數設置 表1 其中對照組CK均為 等間距均勻排列 試驗組為對稱雙重等差數列排列 Symmetric dual arithmetic progression SA 54 第1期 溫志鵬 等 基于TracePro的LED植物生長光源燈珠布局的優(yōu)化設計與驗證 表1 LED光源燈珠排列組合方案 Table 1 The arrangement combination scheme of LED light source lamp bead 排布形式 Arrange ment 對照組 Control group CK 對稱雙重等差數列排列 Symmetric dual arithmetic progression SA20 SA25 SA30 SA35 SA40 錯位Dislocation 43 mm首項First term a1 30 mm 公差 Common difference d 169 78 首項First term a1 35 mm 公差 Common difference d 104 78 首項First term a1 40 mm 公差 Common difference d 0 5 雙線Double line 43 mm首項First term a1 30 mm 公差 Common difference d 169 78 首項First term a1 35 mm 公差 Common difference d 104 78 首項First term a1 40 mm 公差 Common difference d 0 5 單線Single line 30 mm首項First term a1 20 mm 公差 Common difference d 10 9 首項First term a1 25 mm 公差 Common difference d 5 9 2 TracePro建模與仿真 2 1 植物光源模型構建 利用TracePro軟件 根據各種排布和排列組合 方案進行光源模型構建 光源模型長度為1 200 mm 基板寬度30 mm 側板寬度30 mm 外傾角30 各組合方案的第一個LED和最后一個LED的距離 均為1 118 mm 紅藍白燈珠各13顆共39顆 燈 珠類型為1 W透鏡大功率型LED燈珠 受光面與 光源距離為150 mm 18 19 受光面長寬為1 200 210 mm 對各組方案進行光照仿真 2 2 測定指標與數據處理 植物光源為復合光源 混色均勻與否直接影響 植物光源光譜分布是否均勻 因此混光均勻度是植 物光源的重要指標 本研究中選擇的仿真模型為輻 射照度E的平均值 最大值和均勻度為測定指標 采用Excel和SPSS軟件對數據進行統(tǒng)計分析 2 3 仿真結果與分析 仿真采用光合有效輻射照度E W m2 來衡量光 強 19 20 采用Tracepro軟件對光源模型進行光線追 跡后得到受光目標面的輻射照度分布三維圖 圖2 取受光目標平面中心范圍1 200 100 mm內的總輻射 照度E的平均值M 最大值Emax和均勻度U 其中 均勻度為平均值M與最大值Emax的比值 19 21 U ME max 100 表2 由圖2表2可以發(fā)現 3種不同排布下受光面 內輻射照度的變化是不同的 單線和雙線排布下的 輻射照度均勻度隨首項值的增大而增大 而錯位排 布下的均勻度則呈現先增大后減小的趨勢 不同排 布方式和各排列組合方案對輻射照度和均勻性有一 定的影響 圖2b雙線排布仿真輻射照度分布圖中 SA40的輻射照度中央分布趨于平坦寬闊 輻射照 度值波動不大 可見該處理較其他處理下燈珠排列 較合理 雙線排布光源的整體均勻度優(yōu)于其他排布 形式且SA40處理下的均勻度最高 79 4 單線 排布在CK30處理下均勻度最好 77 8 而錯位 排布的均勻度整體較差 3 驗證試驗設計 3 1 照明平臺的搭建 為驗證上述仿真結果的可靠性 基于仿真設計 和結果 制作成紅 藍 白三色光LED植物生長 光源燈條 光源長1 2 m 電壓24 V 共39顆燈 珠 每個燈珠1 W 以均勻度最高的SA40雙線 排布為試驗組 CK30單線排布和傳統(tǒng)LED白燈 64 仲愷農業(yè)工程學院學報第33卷 圖2 3種排布輻射照度分布圖 Fig 2 Radiant illuminance distribution of three arrangements 220 V 36顆燈珠 每個燈珠1 W 為對照組 每 種光源6條燈條分別搭建植物培養(yǎng)照明平臺 1 2 0 5 m 燈條間間距分別為70 103 108 103和 70 mm 非均勻居中分布在0 6 m2的受光面積 3 2 測量儀器及方法 將受光面區(qū)域等分為12 5的60個網格 使 用光合有效輻射計 浙江托普 GLZ B 對60個網 格的光合有效光量子通量密度 PPFD 值進行測 量 重復測量3次 通過調節(jié)目標受光面與光源 的距離使各光源平臺受光面光強平均值保持一致 190 mol m 2 s 1 經實際測量 單線 雙 線和錯位排布的目標受光面距離分別為150 150 和367 mm 光源的光照強度采用受光面內60個測 量點的PPFD最大值Emax以及PPFD平均值M來評 價 16 光照均勻度為平均值M與最大值Emax的比 值 均勻度 U M Emax 100 74 第1期 溫志鵬 等 基于TracePro的LED植物生長光源燈珠布局的優(yōu)化設計與驗證 表2 各排列組合方案輻射照度分析 Table 2 Radiation illumination analysis of each arrangement 排布形式 Arrangement 排列參數 Arrangement parameters 平均值 The average value M W m2 最大值 The maximum value Emax W m2 均勻度 Uniformity U 單線Single line SA20 157 01 0 59 203 50 77 15 SA25 155 60 0 61 200 64 77 55 CK30 156 91 0 74 201 74 77 78 雙線Double line SA30 153 52 0 65 206 79 74 24 SA35 156 05 0 66 201 48 77 45 SA40 161 64 0 72 203 67 79 36 CK43 158 04 0 76 210 57 75 05 錯位Dislocation SA30 156 80 0 70 208 46 75 21 SA35 157 50 0 70 205 73 76 56 SA40 158 07 0 72 207 69 76 11 CK43 158 38 0 75 225 87 70 12 3 3 結果分析 在相同光強平均值下 SA40雙線排布光源的 光強分布顏色梯度變化小 均勻性好 圖3b CK30單線排布光源次之 圖3a 而傳統(tǒng)LED白 燈光源光強分布顏色梯度變化很大 說明其均勻性 較差 圖3c SA40雙線排布光源均勻度 88 93 高于CK30單線排布光源均勻度 84 80 并明顯 優(yōu)于傳統(tǒng)LED白燈光源均勻度 78 44 圖4 此結果與TracePro仿真相符 說明對稱雙重等差數 列的非均勻排列方式優(yōu)于等間距排列方式 其中 SA40雙線排布設計較為合理 有助于提高光照的 均勻性和光照效果 4 結論 利用Tracepro光學仿真軟件設計了紅藍白LED 植物生長光源燈珠的3種排布方式模型 對各種排 布方式設置了等間距排列和等差數列排列組合方 案 并比較其均勻性及光照強度 仿真表明 不同 排布方式和各排列組合方案對輻射照度和均勻性有 一定的影響 紅藍白SA40雙線排布處理下光源均 勻性高于其他排布方式 且驗證試驗結果與仿真結 果相符 說明其排布參數設計合理 提高了植物生 長光源光照的均一性 這與呂慧敏等 22 研究發(fā)現 LED燈珠間的距離對光強和均勻性有影響的結果 相似 唐浩洲等 23 采用粒子群算法對陣列光源進 行優(yōu)化設計 鄧一凡等 24 發(fā)現方形陣列排布方式 相比環(huán)形 三角形陣列更適合植物照明 但針對的 圖3 3種光源目標受光面區(qū)域60點光強分布圖 Fig 3 The 60 point light intensity distribution of the target light receiving area of the three light sources 84 仲愷農業(yè)工程學院學報第33卷 圖4 3種光源光強值和均勻度 Fig 4 Light intensity and uniformity of three light sources 是面光源 對于混色光源低光照均勻性會導致近距 離受照面出現光斑 使同一批次的植物的生長光環(huán) 境不一 靳肖林等 25 通過在LED芯片上加裝導光 管和光纖透鏡 張帥等 26 采用一種棱錐狀的光學 元件提出一種高均勻度光源設計方案 解決了光源 混光均勻度差的問題 而本文則從紅 藍 白混合 光質光源燈珠的排布方面來研究非均勻排布方式對 光照均勻性的影響 不同植物的各個生長階段對光 質和光強的需求是不一樣的 且不同光質配比將影 響光照均勻性 因此 在植物所需的光質配比下光 源燈珠排布對光照均勻性和光照效果的影響還有待 做更進一步地研究 參考文獻 1 何蔚 楊振超 蔡華 等 光質調控蔬菜作物生長和形態(tài)研 究進展 J 中國農業(yè)科技導報 2016 18 2 9 18 2 李艷艷 自適應LED補光照明系統(tǒng)的設計與實現 D 天津 天津工業(yè)大學 2016 3 楊其長 LED在農業(yè)領域的應用現狀與發(fā)展戰(zhàn)略 J 中國科 技財富 2011 1 112 117 4 楊其長 LED在農業(yè)與生物產業(yè)的應用與前景展望 J 中國 農業(yè)科技導報 2008 10 6 42 47 5 蘇政曉 牛萍娟 張文彬 等 基于LabVIEW的光質可控 LED植物照明系統(tǒng)設計 C 全國信號和智能信息處理與應 用學術會議會刊 2014 50 S1 525 528 6 朱雪菘 劉木清 光對植物生長影響機理的初步探討 J 燈 與照明 2016 40 1 1 4 7 張海華 基于LED的智能照明系統(tǒng)的設計與實現 D 廣州 華南理工大學 2013 8 宋鵬程 文尚勝 尚俊 等 基于PWM的三基色LED的調光 調色方法 J 光學學報 2015 35 2 285 292 9 苗成 胡冰 LED特定光譜照明在植物生長中的應用 J 現 代顯示 2012 23 9 196 203 10 朱舟 應盛盛 胡洪鈞 等 LED植物光源陣列光照分布及 均勻性研究 J 浙江農業(yè)學報 2015 27 8 1489 11 SHINOMURA T Elementary processes of photoperception by phy tochrome a for high Irradiance response of hypocotyl elongation in arabidopsis J PLANT PHYSIOLOGY 2000 122 1 147 156 12 符民 LED植物光源陣列設計與光環(huán)境研究 D 廣州 華 南理工大學 2018 13 徐文棟 劉曉英 焦學磊 等 不同紅藍配比的LED光調控 黃瓜幼苗的生長 J 植物生理學報 2015 51 8 1273 1279 14 LI H TANG C XU Z The effects of different light qualities on rapeseed Brassica napus L plantlet growth and morphogenesis in vitro J Scientia Horticulturae 2013 150 2 117 124 15 閻瑞香 思希軍 劉然然 低溫條件下不同LED光源對蘆筍 顏色變化的影響 C 中國冷凍冷藏新技術 新設備研討會 北京 2013 194 198 16 梁依倩 文尚勝 馬丙戌 等 LED陣列型植物光源的均勻 性研究 J 光學技術 2017 43 4 343 347 17 許巧云 LED植物照明技術及產業(yè)狀況分析 J 光源與照 明 2016 2 33 35 18 王加文 蘇宙平 袁志軍 等 LED陣列模組化中的照度均 勻性問題 J 光子學報 2014 43 8 22 28 19 牛萍娟 唐曉新 張文彬 等 植物生長用LED光源模組設 計 J 天津工業(yè)大學學報 2015 34 3 47 51 20 牛萍娟 李艷艷 田會娟 等 基于LabVIEW的智能LED植 物補光照明系統(tǒng)設計 J 江蘇農業(yè)科學 2016 44 10 394 398 21 溫志鵬 馬稚昱 韋鴻鈺 等 組合光譜LED植物生長光源 的優(yōu)化設計 J 照明工程學報 2018 29 4 25 30 22 呂慧敏 崔世鋼 吳興利 等 LED藻類植物光源的照度均 勻性研究 J 天津職業(yè)技術師范大學學報 2018 28 4 22 26 23 唐浩洲 文尚勝 符民 等 光量子體系下基于粒子群算法 的LED植物照明光源設計 J 發(fā)光學報 2019 40 3 340 348 24 鄧一凡 徐曉輝 蘇彥莽 等 LED植物組培陣列的設計與 均勻性研究 J 江蘇農業(yè)科學 2017 45 24 225 228 25 靳肖林 文尚勝 馬丙戌 等 高均勻度LED植物光源的設 計 J 發(fā)光學報 2018 39 10 140 151 26 張帥 文尚勝 馬丙戌 等 適用于植物照明的高均勻度LED 面光源設計 J 發(fā)光學報 2018 39 3 403 413 責任編輯 林江嬌 94 第1期 溫志鵬 等 基于TracePro的LED植物生長光源燈珠布局的優(yōu)化設計與驗證