基于TracePro的LED植物生长光源灯珠布局的优化设计与验证.pdf

第33卷第1期 2020年3月 仲恺农业工程学院学报 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 基金项目 广东省重点领域研发计划 2019B0202222003 广州市科技计划 201607010018 和广东省设施农业共性技术研发创新团队 2019 资助项目 作者简介 温志鹏 1990 男 广东揭西人 助理实验师 在读硕士研究生 通信作者 E mail mazhiyu2002 Hotmail com 基于TracePro的LED植物生长光源灯珠 布局的优化设计与验证 温志鹏1 2 骆少明1 2 朱立学1 2 韦鸿钰1 2 蔡世杰1 李明爵1 马稚昱1 2 1 仲恺农业工程学院机电工程学院 广东广州510225 2 广东省特色农业现代化 精准农业智能化装备 产业发展重点实验室 广东广州510225 摘要 为了提高LED植物生长光源的光照均匀性 提高光照强度 利用Tracepro光学仿真软件设计了红蓝白 LED植物生长光源灯珠3种排布方式模型 对各排布方式分别设置了等间距排列和等差数列排列的组合方案 比较其均匀性及光照强度 仿真结果表明 不同排布方式和各排列组合方案对辐射照度和均匀性有一定的影响 双线排布在SA40处理下的光源均匀性高于其他处理方式 为了验证仿真设计的可靠性 基于仿真最优结果 SA40双线 制作LED植物生长光源作为试验组 CK30单线排布光源及传统LED白灯作为对照组 搭建6条光 源组合照明平台 在150 mm受光距离下测量3组光源均匀性 结果表明 SA40处理下的红蓝白双线排布光源 光照均匀性最好 88 93 与仿真结果相符 说明其排布参数设计合理 关键词 Tracepro仿真 LED植物光源 排布方式 光照均匀性 中图分类号 S123 TN29 文献标志码 A 文章编号 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来源 也是调节 植物生长发育和形态建成的关键信息源 近年来随 着设施农业的快速发展 人工光源在现代农业中发 挥着越来越重要的作用 1 3 LED作为第四代新型 半导体光源 具有高光效 长寿命 体积小 响应 快 环保及冷光源的特点 并且能根据植物生长需 求 有针对性地调节LED光质比 实现精准补光 较传统人工光源有较大的优势 4 5 LED将是替代 传统荧光灯植物光源的新一代环保型光源 并成为 现代农业生产植物光源的发展方向 6 9 适宜的光 环境是植物生长发育的关键 不同光质具有明显不 同的生物学效应 包括植物的形态建成 生理效应 等的影响也是不同的 研究表明植物进行光合作用 主要吸收光谱为640 660 nm的红光和430 450 nm 的蓝紫光 10 Shinomura 11 发现类胡萝卜素主要吸 收蓝光 光敏色素受红光和远红光比率的调控 符民 12 研究发现LED红光可以促进芦荟叶片的伸 长 LED蓝光可以促进芦荟叶片厚度的增长 在 LED红蓝复合光 R B 7 1 处理下的芦荟生长各 项参数为最佳 徐文栋等 13 研究发现75 红光与 25 蓝光的复合光处理下的植物干质量 叶绿素含 量及光合速率均显著增加 Li等 14 的试验结果显 示红蓝复合光R B 3 1 处理下油菜籽组培苗干质 量及鲜质量最大 有研究表明白光和绿光可以有效 保持芦荟外观品质 15 在红蓝复合光R B 3 1 中添加一定比例黄光能有效促进小白菜幼苗株高和 茎的生长 但却抑制了小白菜叶片生长 12 现有 LED植物光源多为简单的红蓝两种LED灯珠的阵 列型结构 近距离受光面内会出现光斑 导致受光 面出现局部过亮或过暗现象 很难实现均匀复合光 混合效果 造成植物受光面内光谱及光照强度分布 不均 导致植物生长的均一性 整齐性受到很大影 响 16 17 本文提出一种新型的LED植物光源设计 方案 在基于白色LED可见光范围内的连续光谱 增加红光和蓝光波段的光谱组成 进一步促进植物 光合作用效率 采用Tracepro对设计的组合光源的 红蓝白LED灯珠排布参数对光源均匀性的影响进 行仿真和试验分析 希望能为开发性能优良的植物 照明光源提供参考 1 光源设计 植物光源长度1 200 mm 采用红光 蓝光和 白光 各13颗LED灯珠混合排列制成 3种灯珠 排布方式 单线 双线 错位 图1 单线 红蓝 白三色灯珠沿光源中间轴按等差数列等间距均匀相 间排列 作为对照组 CK 图1a 双线 光源中 心灯珠为白光灯珠 白光灯珠与红蓝两色光灯珠分 别沿两条线排列 白光灯珠等间距均匀排列 红蓝 两色光灯珠按等差数列排列 图1b 错位 光源 中心灯珠为白光灯珠 红蓝光灯珠相间分布于光源 中间轴线上 按等差数列排列 白光灯珠分布于红 蓝灯珠两侧等间距排列 图1c 图1 3种排布方式示意图 Fig 1 Schematic diagram of three arrangements 根据光源长度 灯珠数量以及排布方式 设计 每种排列的参数设置 表1 其中对照组CK均为 等间距均匀排列 试验组为对称双重等差数列排列 Symmetric dual arithmetic progression SA 54 第1期 温志鹏 等 基于TracePro的LED植物生长光源灯珠布局的优化设计与验证 表1 LED光源灯珠排列组合方案 Table 1 The arrangement combination scheme of LED light source lamp bead 排布形式 Arrange ment 对照组 Control group CK 对称双重等差数列排列 Symmetric dual arithmetic progression SA20 SA25 SA30 SA35 SA40 错位Dislocation 43 mm首项First term a1 30 mm 公差 Common difference d 169 78 首项First term a1 35 mm 公差 Common difference d 104 78 首项First term a1 40 mm 公差 Common difference d 0 5 双线Double line 43 mm首项First term a1 30 mm 公差 Common difference d 169 78 首项First term a1 35 mm 公差 Common difference d 104 78 首项First term a1 40 mm 公差 Common difference d 0 5 单线Single line 30 mm首项First term a1 20 mm 公差 Common difference d 10 9 首项First term a1 25 mm 公差 Common difference d 5 9 2 TracePro建模与仿真 2 1 植物光源模型构建 利用TracePro软件 根据各种排布和排列组合 方案进行光源模型构建 光源模型长度为1 200 mm 基板宽度30 mm 侧板宽度30 mm 外倾角30 各组合方案的第一个LED和最后一个LED的距离 均为1 118 mm 红蓝白灯珠各13颗共39颗 灯 珠类型为1 W透镜大功率型LED灯珠 受光面与 光源距离为150 mm 18 19 受光面长宽为1 200 210 mm 对各组方案进行光照仿真 2 2 测定指标与数据处理 植物光源为复合光源 混色均匀与否直接影响 植物光源光谱分布是否均匀 因此混光均匀度是植 物光源的重要指标 本研究中选择的仿真模型为辐 射照度E的平均值 最大值和均匀度为测定指标 采用Excel和SPSS软件对数据进行统计分析 2 3 仿真结果与分析 仿真采用光合有效辐射照度E W m2 来衡量光 强 19 20 采用Tracepro软件对光源模型进行光线追 迹后得到受光目标面的辐射照度分布三维图 图2 取受光目标平面中心范围1 200 100 mm内的总辐射 照度E的平均值M 最大值Emax和均匀度U 其中 均匀度为平均值M与最大值Emax的比值 19 21 U ME max 100 表2 由图2表2可以发现 3种不同排布下受光面 内辐射照度的变化是不同的 单线和双线排布下的 辐射照度均匀度随首项值的增大而增大 而错位排 布下的均匀度则呈现先增大后减小的趋势 不同排 布方式和各排列组合方案对辐射照度和均匀性有一 定的影响 图2b双线排布仿真辐射照度分布图中 SA40的辐射照度中央分布趋于平坦宽阔 辐射照 度值波动不大 可见该处理较其他处理下灯珠排列 较合理 双线排布光源的整体均匀度优于其他排布 形式且SA40处理下的均匀度最高 79 4 单线 排布在CK30处理下均匀度最好 77 8 而错位 排布的均匀度整体较差 3 验证试验设计 3 1 照明平台的搭建 为验证上述仿真结果的可靠性 基于仿真设计 和结果 制作成红 蓝 白三色光LED植物生长 光源灯条 光源长1 2 m 电压24 V 共39颗灯 珠 每个灯珠1 W 以均匀度最高的SA40双线 排布为试验组 CK30单线排布和传统LED白灯 64 仲恺农业工程学院学报第33卷 图2 3种排布辐射照度分布图 Fig 2 Radiant illuminance distribution of three arrangements 220 V 36颗灯珠 每个灯珠1 W 为对照组 每 种光源6条灯条分别搭建植物培养照明平台 1 2 0 5 m 灯条间间距分别为70 103 108 103和 70 mm 非均匀居中分布在0 6 m2的受光面积 3 2 测量仪器及方法 将受光面区域等分为12 5的60个网格 使 用光合有效辐射计 浙江托普 GLZ B 对60个网 格的光合有效光量子通量密度 PPFD 值进行测 量 重复测量3次 通过调节目标受光面与光源 的距离使各光源平台受光面光强平均值保持一致 190 mol m 2 s 1 经实际测量 单线 双 线和错位排布的目标受光面距离分别为150 150 和367 mm 光源的光照强度采用受光面内60个测 量点的PPFD最大值Emax以及PPFD平均值M来评 价 16 光照均匀度为平均值M与最大值Emax的比 值 均匀度 U M Emax 100 74 第1期 温志鹏 等 基于TracePro的LED植物生长光源灯珠布局的优化设计与验证 表2 各排列组合方案辐射照度分析 Table 2 Radiation illumination analysis of each arrangement 排布形式 Arrangement 排列参数 Arrangement parameters 平均值 The average value M W m2 最大值 The maximum value Emax W m2 均匀度 Uniformity U 单线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 双线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 错位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 结果分析 在相同光强平均值下 SA40双线排布光源的 光强分布颜色梯度变化小 均匀性好 图3b CK30单线排布光源次之 图3a 而传统LED白 灯光源光强分布颜色梯度变化很大 说明其均匀性 较差 图3c SA40双线排布光源均匀度 88 93 高于CK30单线排布光源均匀度 84 80 并明显 优于传统LED白灯光源均匀度 78 44 图4 此结果与TracePro仿真相符 说明对称双重等差数 列的非均匀排列方式优于等间距排列方式 其中 SA40双线排布设计较为合理 有助于提高光照的 均匀性和光照效果 4 结论 利用Tracepro光学仿真软件设计了红蓝白LED 植物生长光源灯珠的3种排布方式模型 对各种排 布方式设置了等间距排列和等差数列排列组合方 案 并比较其均匀性及光照强度 仿真表明 不同 排布方式和各排列组合方案对辐射照度和均匀性有 一定的影响 红蓝白SA40双线排布处理下光源均 匀性高于其他排布方式 且验证试验结果与仿真结 果相符 说明其排布参数设计合理 提高了植物生 长光源光照的均一性 这与吕慧敏等 22 研究发现 LED灯珠间的距离对光强和均匀性有影响的结果 相似 唐浩洲等 23 采用粒子群算法对阵列光源进 行优化设计 邓一凡等 24 发现方形阵列排布方式 相比环形 三角形阵列更适合植物照明 但针对的 图3 3种光源目标受光面区域60点光强分布图 Fig 3 The 60 point light intensity distribution of the target light receiving area of the three light sources 84 仲恺农业工程学院学报第33卷 图4 3种光源光强值和均匀度 Fig 4 Light intensity and uniformity of three light sources 是面光源 对于混色光源低光照均匀性会导致近距 离受照面出现光斑 使同一批次的植物的生长光环 境不一 靳肖林等 25 通过在LED芯片上加装导光 管和光纤透镜 张帅等 26 采用一种棱锥状的光学 元件提出一种高均匀度光源设计方案 解决了光源 混光均匀度差的问题 而本文则从红 蓝 白混合 光质光源灯珠的排布方面来研究非均匀排布方式对 光照均匀性的影响 不同植物的各个生长阶段对光 质和光强的需求是不一样的 且不同光质配比将影 响光照均匀性 因此 在植物所需的光质配比下光 源灯珠排布对光照均匀性和光照效果的影响还有待 做更进一步地研究 参考文献 1 何蔚 杨振超 蔡华 等 光质调控蔬菜作物生长和形态研 究进展 J 中国农业科技导报 2016 18 2 9 18 2 李艳艳 自适应LED补光照明系统的设计与实现 D 天津 天津工业大学 2016 3 杨其长 LED在农业领域的应用现状与发展战略 J 中国科 技财富 2011 1 112 117 4 杨其长 LED在农业与生物产业的应用与前景展望 J 中国 农业科技导报 2008 10 6 42 47 5 苏政晓 牛萍娟 张文彬 等 基于LabVIEW的光质可控 LED植物照明系统设计 C 全国信号和智能信息处理与应 用学术会议会刊 2014 50 S1 525 528 6 朱雪菘 刘木清 光对植物生长影响机理的初步探讨 J 灯 与照明 2016 40 1 1 4 7 张海华 基于LED的智能照明系统的设计与实现 D 广州 华南理工大学 2013 8 宋鹏程 文尚胜 尚俊 等 基于PWM的三基色LED的调光 调色方法 J 光学学报 2015 35 2 285 292 9 苗成 胡冰 LED特定光谱照明在植物生长中的应用 J 现 代显示 2012 23 9 196 203 10 朱舟 应盛盛 胡洪钧 等 LED植物光源阵列光照分布及 均匀性研究 J 浙江农业学报 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植物光源阵列设计与光环境研究 D 广州 华 南理工大学 2018 13 徐文栋 刘晓英 焦学磊 等 不同红蓝配比的LED光调控 黄瓜幼苗的生长 J 植物生理学报 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 阎瑞香 思希军 刘然然 低温条件下不同LED光源对芦笋 颜色变化的影响 C 中国冷冻冷藏新技术 新设备研讨会 北京 2013 194 198 16 梁依倩 文尚胜 马丙戌 等 LED阵列型植物光源的均匀 性研究 J 光学技术 2017 43 4 343 347 17 许巧云 LED植物照明技术及产业状况分析 J 光源与照 明 2016 2 33 35 18 王加文 苏宙平 袁志军 等 LED阵列模组化中的照度均 匀性问题 J 光子学报 2014 43 8 22 28 19 牛萍娟 唐晓新 张文彬 等 植物生长用LED光源模组设 计 J 天津工业大学学报 2015 34 3 47 51 20 牛萍娟 李艳艳 田会娟 等 基于LabVIEW的智能LED植 物补光照明系统设计 J 江苏农业科学 2016 44 10 394 398 21 温志鹏 马稚昱 韦鸿钰 等 组合光谱LED植物生长光源 的优化设计 J 照明工程学报 2018 29 4 25 30 22 吕慧敏 崔世钢 吴兴利 等 LED藻类植物光源的照度均 匀性研究 J 天津职业技术师范大学学报 2018 28 4 22 26 23 唐浩洲 文尚胜 符民 等 光量子体系下基于粒子群算法 的LED植物照明光源设计 J 发光学报 2019 40 3 340 348 24 邓一凡 徐晓辉 苏彦莽 等 LED植物组培阵列的设计与 均匀性研究 J 江苏农业科学 2017 45 24 225 228 25 靳肖林 文尚胜 马丙戌 等 高均匀度LED植物光源的设 计 J 发光学报 2018 39 10 140 151 26 张帅 文尚胜 马丙戌 等 适用于植物照明的高均匀度LED 面光源设计 J 发光学报 2018 39 3 403 413 责任编辑 林江娇 94 第1期 温志鹏 等 基于TracePro的LED植物生长光源灯珠布局的优化设计与验证