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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于光合作用機(jī)理的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能補(bǔ)光系統(tǒng)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 針對設(shè)施農(nóng)業(yè)中定光強(qiáng)、定光質(zhì)補(bǔ)光方法的不足，基于光合作用機(jī)理分析，提出實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測、特定波段補(bǔ)光與定量決策相結(jié)合的精確補(bǔ)光方法，設(shè)計(jì)了與作物生長過程相適應(yīng)的智能補(bǔ)光系統(tǒng)。作品考慮溫度、二氧化碳對補(bǔ)光效果的影響，根據(jù)作物各階段特征動態(tài)調(diào)整目標(biāo)光強(qiáng)，采用實(shí)時(shí)紅藍(lán)光光強(qiáng)與目標(biāo)光強(qiáng)的差值計(jì)算補(bǔ)光量，通過PWM調(diào)整LED輸出光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)精確按需補(bǔ)光。實(shí)際應(yīng)用表明，作品實(shí)現(xiàn)了智能化、精確化、低能耗補(bǔ)光。
- 詳細(xì)介紹：
- 1、光合作用機(jī)理與補(bǔ)光方法分析 太陽輻射光譜中大部分光譜能量不能被植物所吸收，植物對太陽光能的利用率不超過5%。光合作用效率與光的吸收效率、當(dāng)前環(huán)境溫度、二氧化碳濃度等因素密切相關(guān)。吸收效率取決于色素對光能吸收能力，根據(jù)光合作用吸收光譜可發(fā)現(xiàn)植物光能吸收的三種主要色素Chla(葉綠素a)，Chlb（葉綠素b）和Car(類胡蘿卜素)的吸收峰集中在400-500nm和600-700nm這兩個(gè)波段，太陽光譜中其余波段的光能量幾乎很難被植物色素細(xì)胞捕獲利用，如果采用傳統(tǒng)全波段光照檢測或檢測400-700nm區(qū)域輻射波段信號，其測試結(jié)果并不能精確表征植物實(shí)際可利用的光能。同時(shí)，環(huán)境溫度、二氧化碳濃度對光合作用影響很大，其中植物在冷害溫度和高溫條件均會導(dǎo)致葉綠體的活性降低、酶鈍化、部分氣孔關(guān)閉等現(xiàn)象，造成光合速率降低幅度竟可達(dá)90％，而且即使在中、低光強(qiáng)條件下也存在光抑制，甚至光破壞現(xiàn)象，造成不可逆的損害；同時(shí)CO2是光合作用的原料，CO2濃度過低時(shí)，光合效率顯著降低甚至完全停止。因此，本作品提出了一種與光合作用機(jī)理相適應(yīng)的補(bǔ)光方法和特定波段補(bǔ)光陣列與定量決策技術(shù)，包括光合作用中特定波段光強(qiáng)、環(huán)境溫度、二氧化碳監(jiān)測，以及根據(jù)不同作物不同階段進(jìn)行智能補(bǔ)光。 1）多環(huán)境因子的精準(zhǔn)檢測方法。實(shí)時(shí)環(huán)境信息獲取是定量補(bǔ)光的基礎(chǔ)條件，根據(jù)光合作用敏感的有效光波波長范圍，提出選擇400-500nm和600-700nm的ISL29010芯片，設(shè)計(jì)獨(dú)立監(jiān)測這兩個(gè)波段光強(qiáng)的光照傳感器，實(shí)現(xiàn)分波段實(shí)時(shí)監(jiān)測；同時(shí)加入溫度和二氧化碳監(jiān)測模塊，根據(jù)實(shí)時(shí)溫度及二氧化碳濃度判斷是否進(jìn)行補(bǔ)光。本方法不僅能提高光能利用率，同時(shí)更可避免由于溫度脅迫條件下過度補(bǔ)光造成光損害以及二氧化碳濃度過低對光合作用的影響。 2）特定波段補(bǔ)光陣列。光合作用中，光系統(tǒng)I、光系統(tǒng)Ⅱ中對應(yīng)完成能量積累并產(chǎn)生葡萄糖過程的光子波長為680nm和700nm；而葉綠素的形成、氣孔的開啟以及光合節(jié)律等生理過程，其反應(yīng)對應(yīng)的光子波長在440－480nm之間。光合作用各反應(yīng)可直接捕獲對應(yīng)能級光子，也可捕獲高能級的光子完成光反應(yīng)，其中高能級光子通過非輻射復(fù)合以熒光等形式完成能量衰減，正向偏差越大衰減的能量越多，光利用率明顯降低。綜上，考慮色素對光能吸收率影響以及能量有效利用率，本系統(tǒng)提出采用中心波長為660nm、半波帶寬度為40nm的LED作為紅光補(bǔ)光燈，以及中心波長為450nm、半波帶寬度為40nm的LED作為藍(lán)光補(bǔ)光燈。 3）定量決策方法。光合作用中存在光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)，前者是指光合作用速率與呼吸作用速率相同時(shí)的光照強(qiáng)度，在此情況下不會進(jìn)行物質(zhì)積累，后者是指當(dāng)達(dá)到某一光強(qiáng)時(shí)，光合速率就不再隨光強(qiáng)的增高而增加。因此，補(bǔ)光系統(tǒng)的目標(biāo)光強(qiáng)應(yīng)處于兩者之間，以此提高補(bǔ)光效率，避免補(bǔ)光不足或補(bǔ)光過度。本作品可根據(jù)作物需求設(shè)定目標(biāo)光強(qiáng)，并通過目標(biāo)值與當(dāng)前值計(jì)算下一周期補(bǔ)光量，以此控制補(bǔ)光陣列輸出相應(yīng)光強(qiáng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)光光強(qiáng)按需輸出的工作模式。在決策過程，同時(shí)判斷溫度和二氧化碳濃度是否滿足光合作用條件，滿足時(shí)才補(bǔ)光。 4）作物分階段目標(biāo)參數(shù)管理模式。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)不同植物的光合作用需光量和紅藍(lán)光比例在不同生長階段差異明顯。作品采用分階段的補(bǔ)光參數(shù)管理，根據(jù)生長過程全程監(jiān)測，自動進(jìn)行階段轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了溫度、CO2濃度、需光量等目標(biāo)參數(shù)的智能調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程補(bǔ)光系統(tǒng)的自動控制。 2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基于光合作用機(jī)理分析本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)劃分為專用的檢測模塊、控制模塊、補(bǔ)光模塊、電源模塊和用戶交互模塊。其中，檢測模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)二氧化碳濃度、溫度采集和分波段檢測紅、藍(lán)光光強(qiáng)信息；控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)光強(qiáng)與實(shí)時(shí)光強(qiáng)的差值計(jì)算補(bǔ)光量，由此控制產(chǎn)生PWM信號的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出光強(qiáng)的動態(tài)調(diào)整；同時(shí)系統(tǒng)采用分階段補(bǔ)光參數(shù)管理，實(shí)現(xiàn)對植物整個(gè)生長過程的智能控制；補(bǔ)光模塊基于PWM控制信號，完成紅、藍(lán)光LED補(bǔ)光燈組亮度的按需調(diào)控；電源模塊利用太陽能和220V市電兩種供電模式，分別實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控設(shè)備和補(bǔ)光陣列供電；用戶交互模塊包括液晶屏和4*4鍵盤，完成檢測結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)設(shè)定，不同植物不同周期的溫度與光強(qiáng)閾值設(shè)定。 2.1 分波段光照、二氧化碳濃度、溫度檢測技術(shù)與檢測模塊開發(fā) 基于光合作用機(jī)理的分析，采用二氧化碳傳感器、溫度傳感器和分波段光照傳感器，對周圍二氧化碳濃度、溫度和光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，確保植物在合適溫度、二氧化碳濃度和光強(qiáng)下進(jìn)行光合作用，提高光合作用的效率，具體方案如下： 1）根據(jù)植物光合作用吸收特性，光照檢測時(shí)采用透光波段為400-500nm、600-700nm，透光率為90%的濾光片進(jìn)行光照檢測的預(yù)處理；而后應(yīng)用ISL29010光照傳感器對已完成預(yù)處理的紅、藍(lán)光進(jìn)行檢測。 2）光照檢測采用I2C總線方式傳輸，應(yīng)用分時(shí)復(fù)用機(jī)制有效減少了總線占用空間、電路板的空間和芯片引腳的數(shù)量，其數(shù)據(jù)線接入單片機(jī)的P1.6，時(shí)鐘線接入P1.7口，從而實(shí)現(xiàn)分波段光強(qiáng)檢測。 3）溫度檢測采用18B20溫度傳感器及其外部電路實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集信號與單片機(jī)P1.5口相接，實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測。 4）二氧化碳檢測采用B530二氧化碳傳感器，數(shù)據(jù)采集信號與單片機(jī)P1.1口相接，實(shí)現(xiàn)對二氧化碳濃度的監(jiān)測。 2．2 系統(tǒng)補(bǔ)光量精確計(jì)算與控制模塊設(shè)計(jì) 通過對光合作用機(jī)理的分析，系統(tǒng)根據(jù)不同植物對應(yīng)的光合作用有效溫度范圍和需光量（即用戶所設(shè)閾值），判斷是否需要補(bǔ)光，并由系統(tǒng)光照閾值與監(jiān)測結(jié)果之差精確計(jì)算補(bǔ)光量，通過信號占空比的變化實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)光。 1）控制模塊采用STC12C5A60S2作為核心處理器，其具有2路PWM輸出口、4個(gè)16位定時(shí)器、8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換、Flash存儲空間56K、1280字節(jié)RAM，可完成系統(tǒng)相關(guān)軟件的運(yùn)行，支持在系統(tǒng)硬件條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、閾值調(diào)整、智能控制等工作，為系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)和保障。 2）P1口與采樣控制信號連接，其中P1.0輸出雙路固態(tài)繼電器信號，P1.5接入溫度檢測信號、P1.1口接入二氧化碳檢測信號、P1.6、P1.7接入紅藍(lán)光光強(qiáng)檢測信號，從而完成對傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和繼電器控制。 3）P0口與液晶屏的8路數(shù)據(jù)口連接，P2口與4*4矩陣鍵盤連接，P3.0、P3.1負(fù)責(zé)單片機(jī)與串口之間的數(shù)據(jù)讀寫，完成程序的燒寫；P3.2-P3.7與液晶控制端連接。 4）可根據(jù)植物的實(shí)際補(bǔ)光量計(jì)算出對應(yīng)的PWM信號占空比，P4.2、P4.3為單片機(jī)2路PWM信號輸出口，輸出PWM信號控制LED燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)光。 2.3 LED輸出光強(qiáng)可控技術(shù)與補(bǔ)光實(shí)施方案 基于光合作用機(jī)理分析，選擇中心波長對應(yīng)光合效率最高的光源，并采用PWM技術(shù)解決系統(tǒng)補(bǔ)光量隨環(huán)境變化的問題，有效控制LED燈組輸出光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對植物按需補(bǔ)光。 1）補(bǔ)光模塊包括LED陣列和外部驅(qū)動電路，LED燈組由繼電器和PWM信號控制，利用220V市電供電，驅(qū)動電路采用PT4107驅(qū)動模塊電路。 2）其中每個(gè)LED燈可包括多組含30個(gè)額定功率1W，中心波長為660nm的窄帶紅光LED陣列；以及20個(gè)額定功率1W，中心波長為450nm的窄帶藍(lán)光LED陣列，同時(shí)紅光LED和藍(lán)光LED分別獨(dú)立工作，LED陣列的數(shù)目由最大需光量確定。 3）植物實(shí)施補(bǔ)光時(shí)單片機(jī)兩路PWM信號分別控制與紅、藍(lán)光相連的PT4107驅(qū)動電路，通過PWM信號的占空比，控制紅藍(lán)光驅(qū)動芯片輸出電流，從而采用恒流供電模式對LED燈組的光強(qiáng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能、精確補(bǔ)光功能。 2.4 雙路供電模式與電源模塊開發(fā)系統(tǒng)電源模塊采用220V、太陽能電池雙路供電模式。 1）LED燈組采用由220V市電供電，其控制電路通過繼電器控制220V電源工作狀態(tài)，當(dāng)溫度、二氧化碳濃度或采集到兩路光強(qiáng)值均超出閾值，單片機(jī)控制端輸出高電平，關(guān)斷電源，反之接通。 2）其他模塊電源均采用太陽能電池板供電，其輸入端與太陽能蓄電池連接，利用MIC29302穩(wěn)壓變壓模塊將蓄電池輸出12V進(jìn)行降壓產(chǎn)生5V穩(wěn)壓電源信號，再通過TPS79530及其外圍標(biāo)準(zhǔn)電路產(chǎn)生3V穩(wěn)壓電源信號。二氧化碳傳感器采用12V電源，單片機(jī)、溫度檢測以及用戶交互模塊均使用5V電源，光照檢測采用3V電源。 3、定量補(bǔ)光決策軟件設(shè)計(jì) 定量決策模塊根據(jù)作物當(dāng)前階段的溫度、二氧化碳濃度、分波段光強(qiáng)參數(shù)，動態(tài)采集三類環(huán)境因子實(shí)時(shí)信息，通過計(jì)算當(dāng)前值與目標(biāo)值之間的差值，反饋控制補(bǔ)光燈輸出亮度，實(shí)現(xiàn)定量補(bǔ)光。系統(tǒng)通過累計(jì)本階段有效時(shí)間自動決策是否進(jìn)入下一個(gè)階段，以此完成階段參數(shù)的動態(tài)調(diào)整。 系統(tǒng)軟件應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)思路，減少了各模塊間的相互影響和主流程的復(fù)雜度，主要包括包含傳感器解析函數(shù)、用戶配置管理函數(shù)、定量決策函數(shù)、PWM信號控制函數(shù)、鍵盤中斷程序等五部分。定量決策過程如下： 1）根據(jù)作物當(dāng)前生長階段，提取相應(yīng)的溫度、CO2濃度，以及紅藍(lán)光目標(biāo)光強(qiáng)等階段參數(shù)； 2）檢測實(shí)時(shí)環(huán)境溫度、CO2濃度，以及紅、藍(lán)光光強(qiáng)，根據(jù)本系統(tǒng)濾光片濾光率90%的特性，進(jìn)而對紅藍(lán)光實(shí)際光強(qiáng)進(jìn)行修正處理； 3）根據(jù)階段參數(shù)與實(shí)時(shí)值進(jìn)行決策，當(dāng)溫度和CO2濃度不適宜，或外界光照充足時(shí)不進(jìn)行補(bǔ)光，否則根據(jù)紅藍(lán)光差值計(jì)算補(bǔ)光量。 4）當(dāng)不需補(bǔ)光時(shí)切斷補(bǔ)光燈組220V電源開關(guān)，置于非工作狀態(tài)；否則根據(jù)補(bǔ)光量，計(jì)算紅藍(lán)光對應(yīng)占空比的PWM信號，將其輸入到PT4107的驅(qū)動電路控制LED輸入電流，繼而控制紅藍(lán)光補(bǔ)光量。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一設(shè)計(jì)目的 光合作用對作物產(chǎn)量與品質(zhì)具有重要作用，人工補(bǔ)光成為研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有補(bǔ)光系統(tǒng)采用定光強(qiáng)定光質(zhì)的補(bǔ)光方式，未考慮實(shí)時(shí)環(huán)境與植物各生長階段各波段需光量的差異性，造成補(bǔ)光不足或過度并存。本作品提出基于光合作用機(jī)理的植物智能補(bǔ)光新方法，并研制相應(yīng)設(shè)備，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的同時(shí)降低能量消耗 二基本思路 系統(tǒng)包括5個(gè)模塊：檢測模塊對溫度、CO2濃度和紅藍(lán)光強(qiáng)分波段檢測；控制模塊根據(jù)目標(biāo)值與實(shí)時(shí)值的差值計(jì)算補(bǔ)光量，并實(shí)現(xiàn)對植物不同階段智能補(bǔ)光控制；補(bǔ)光模塊基于PWM技術(shù)完成紅、藍(lán)光補(bǔ)光燈組亮度的按需調(diào)控;電源模塊實(shí)現(xiàn)雙路供電；用戶交互模塊包括按鍵及液晶屏 三創(chuàng)新點(diǎn) 1設(shè)計(jì)基于400-500nm和600-700nm集中吸收區(qū)檢測的分波段光強(qiáng)檢測方法與設(shè)備 2將溫度及CO2檢測加入補(bǔ)光系統(tǒng)，最大程度避免盲目補(bǔ)光造成能源浪費(fèi)和光破壞 3提出基于反饋控制的定量決策方法，根據(jù)紅藍(lán)光目標(biāo)光強(qiáng)與實(shí)時(shí)光強(qiáng)的差值精確計(jì)算補(bǔ)光量，實(shí)現(xiàn)通過PWM控制LED輸出光強(qiáng) 4根據(jù)不同植物各階段需光量差異，作品提出對植物分階段智能補(bǔ)光，可在植物生長過程中動態(tài)調(diào)整目標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)光 四關(guān)鍵技術(shù) 1多環(huán)境因子的精準(zhǔn)檢測技術(shù) 2基于反饋控制的定量決策技術(shù) 3特定波段補(bǔ)光陣列光強(qiáng)可控技術(shù) 4植物多階段管理技術(shù) 五主要技術(shù)指標(biāo) 1光照傳感器0—128Klux 2溫度傳感器-55—125℃ 3CO2傳感器0—10000ppm 4紅光LED30LM/個(gè) 5藍(lán)光LED20LM/個(gè)
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 一科學(xué)性 1植物吸收光能的主要色素吸收峰集中在400-500nm和600-700nm，現(xiàn)有全波段檢測方法不能表征植物實(shí)際利用的光能。本系統(tǒng)研發(fā)專用光強(qiáng)監(jiān)測設(shè)備對上述兩波段實(shí)行分波段檢測 2在溫度脅迫條件下造成光合作用的嚴(yán)重抑制；CO2濃度過低時(shí)，光合效率顯著降低甚至停止。系統(tǒng)加入溫度及CO2檢測，有效提高了光能利用率 3根據(jù)色素對各波段光能吸收率的影響，系統(tǒng)選擇與光合作用吸收峰范圍對應(yīng)的中心波長為660nm半波帶寬度為40nm和中心波長為450nm半波帶寬度為40nm的LED分別作為紅、藍(lán)光補(bǔ)光燈 4根據(jù)植物不同生長階段的相關(guān)目標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)針對各階段智能按需補(bǔ)光 二先進(jìn)性 1作品采用LED作為光源應(yīng)用閉環(huán)智能補(bǔ)光模式，突破了傳統(tǒng)補(bǔ)光系統(tǒng)定光強(qiáng)定光質(zhì)的缺陷，采用定量補(bǔ)光決策算法，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的按需定量補(bǔ)光 2作品充分考慮溫度及CO2環(huán)境因素對光合作用的影響，有效提高了光合作用效率 3作品針對植物各生長階段適宜溫度、CO2、光強(qiáng)和光質(zhì)的差異，動態(tài)調(diào)整植物生長過程中各階段目標(biāo)參數(shù)
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獲得我校第五屆挑戰(zhàn)杯一等獎 獲得陜西省大學(xué)生第八屆挑戰(zhàn)杯一等獎 論文4篇 《Automatic Light Complementing System in General Agricultural Environment Based on LED Array》（2011 4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology. EI index） 《基于LED的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能補(bǔ)光系統(tǒng)》 （農(nóng)機(jī)化研究2012年第1期） 《基于PWM可控的LED亮度自適應(yīng)精準(zhǔn)補(bǔ)光系統(tǒng)》 （農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)終審） 《基于光合作用的定量補(bǔ)光方法與智能裝備研究》（農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)已投）
作品所處階段
- 中試階段，現(xiàn)已在楊凌深綠農(nóng)業(yè)科技有限公司溫室內(nèi)試用，證明本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分波段定量補(bǔ)光，使用效果良好
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 普通許可
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 一使用說明 見附錄 二技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢 1光源光效高：測試得到LED陣列相對其他常用植物補(bǔ)光光源在至節(jié)能在50%以上 2按需定量精確補(bǔ)光：LED陣列輸出光強(qiáng)正比于PWM占空比，可針對植物需補(bǔ)光量，通過PWM信號控制LED補(bǔ)光陣列亮度的方法，實(shí)現(xiàn)按需定量補(bǔ)光，避免補(bǔ)光不足或過量并存的問題 3補(bǔ)光方法更節(jié)能：系統(tǒng)能耗與PWM信號占空比成正比，因此相對現(xiàn)有LED補(bǔ)光系統(tǒng)開啟只以100％占空比輸出，可最大程度的節(jié)能 4根據(jù)植物不同生長階段動態(tài)調(diào)整目標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)植物生長過程的智能化補(bǔ)光 三適用范圍 適用于溫室大棚等設(shè)施作物栽培 四市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測 由于光合作用在植物生理方面的突出作用，研究發(fā)現(xiàn)對溫室植物實(shí)施補(bǔ)光可促進(jìn)作物生長發(fā)育、提高抗病力。以我國擁有大約250萬公頃的溫室大棚計(jì)算，若加入補(bǔ)光設(shè)備每畝減少化肥使用量10%，平均提高產(chǎn)量15%，LED補(bǔ)光技術(shù)耗電量只需傳統(tǒng)植物生長燈的1/8，而本系統(tǒng)更節(jié)能。因此系統(tǒng)符合綠色高產(chǎn)農(nóng)業(yè)思想，具有良好的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 在國內(nèi)，采用傳統(tǒng)補(bǔ)光方式的設(shè)備通常未考慮植物光合作用有效波段范圍，例如專利號為200810122999.1中的設(shè)計(jì)，采用了80-150W的熒光燈作為光源，燈管包裹藍(lán)色薄膜產(chǎn)生藍(lán)光，部分解決了普通光源對植物有效生理輻射比率低的問題，但相對于新型LED光源而言還是沒有徹底解決，且耗能量仍然很大。北京華夏九州農(nóng)業(yè)科技研究院承擔(dān)“智能化立體補(bǔ)光系統(tǒng)項(xiàng)目”，依據(jù)植物光合作用只對特定波段光的吸收特性，采用同光合作用吸收譜相匹配的紅橙綠藍(lán)紫光LED的集成作為光照系統(tǒng)，但該項(xiàng)目未考慮溫度因素，并在動態(tài)調(diào)整輸出光強(qiáng)方面存在不足。寧波永豐園林綠化建設(shè)有限公司研發(fā)的補(bǔ)光系統(tǒng)利用LED固體光源，使補(bǔ)光燈發(fā)出與植物生長發(fā)育所需光合作用曲線基本一致的光譜和光強(qiáng)，對植物進(jìn)行補(bǔ)光，從而提高植物的產(chǎn)量和品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對植物成熟期的調(diào)控，證實(shí)通過特定波長LED燈可增強(qiáng)植物抗病蟲害能力。LED植物補(bǔ)光燈不僅在光源上具有優(yōu)勢，與傳統(tǒng)補(bǔ)光燈相比可節(jié)電70%，理論上每個(gè)燈管使用時(shí)間長達(dá)3萬多小時(shí)。例如專利號為200910181821.9中采用將LED通過彎曲角度改變光強(qiáng)，而為改變輸出光強(qiáng)不，但其方法沒有從實(shí)質(zhì)上解決定光強(qiáng)定光段的問題，且操作麻煩。在國外，德國歐司朗光電半導(dǎo)體公司開發(fā)LED溫室補(bǔ)光光源發(fā)光波長達(dá)到660nm，滿足植物光合作用需求。此外，這種LED光源能將37%的輸入電能轉(zhuǎn)換為光能輸出，紅光加藍(lán)光LED系統(tǒng)的發(fā)光效率比傳統(tǒng)高壓鈉燈高60%，發(fā)光效率與傳統(tǒng)溫室補(bǔ)光源相比更為節(jié)能。試驗(yàn)使用大約5萬個(gè)這種LED光源為幾千平方米的種植面積補(bǔ)光，使溫室能耗比過去降低40%。LED光源不僅能提高溫室光能利用率，還能在作物不同的生長階段有的放矢地促進(jìn)作物生長，同時(shí)在10%和30%范圍內(nèi)有針對性地調(diào)整藍(lán)光在總光照中的比例還可節(jié)約化肥。已有研發(fā)的LED補(bǔ)光系統(tǒng)未考慮不同植物不同階段的光飽和點(diǎn)、所需光質(zhì)和適宜溫度不同的問題，仍存在補(bǔ)光光質(zhì)比例不均衡、補(bǔ)光不足和過量現(xiàn)象并存，未能針對每一種農(nóng)作物定向、定量補(bǔ)光，從而最大程度的提高補(bǔ)光效果同時(shí)節(jié)能。以上研究為本作品設(shè)計(jì)提供了啟發(fā)，并為作品前期研究提供了很好的基礎(chǔ)理論和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。本作品在已有基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析光合作用機(jī)理，強(qiáng)調(diào)按需定量補(bǔ)光方法，以此實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)中補(bǔ)光過程的精準(zhǔn)化、智能化和數(shù)字化。
