摘要：為提供設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備運用的人工光源，進行了發(fā)光二極管（LED）光源系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，并通過以熒光燈為對照對6 種柔性組合的LED 光源，進行了菠菜生長試驗。研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有光質(zhì)、光強、光周期及占空比柔性可調(diào)，可以作為設(shè)施補光及光生物學研究的理想光系統(tǒng)。在該光系統(tǒng)下的菠菜生長試驗發(fā)現(xiàn)，菠菜在紅藍黃（RBY）光處理下葉柄長、葉面積、葉柄粗及根長都顯著大于其他處理，生長較其他處理健壯，且RBY 光處理菠菜光合色素質(zhì)量分數(shù)顯著高于其他處理，表明在紅藍復合光的基礎(chǔ)上添加黃光有利于光合色素的合成，并顯著地促進菠菜的生長，同時也表明該LED 光源系統(tǒng)對開展植物補光應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實意義和使用價值。
關(guān)鍵詞：光，生長，柔性結(jié)構(gòu)，菠菜，LED 光源
0 引言?
光對植物的形態(tài)建成、生理代謝、生長發(fā)育及產(chǎn)品品質(zhì)有著廣泛的調(diào)節(jié)作用[1-3]。植物通過光受體感測光強、光質(zhì)和光周期的變化影響植物的光形態(tài)變化，影響植物的生長、控制植物的發(fā)育[4]。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人工光源在設(shè)施生產(chǎn)中已成為必要的光調(diào)控手段，目前設(shè)施補光及光生物學研究通常采用熒光燈、白熾燈、鈉燈、鏑燈等，由于光能效的原因限制了其在設(shè)施中的有效使用。發(fā)光二極管（light emitting diodes，LED）是一種柔性的固體人工電光源，具有壽命長、低功耗、波譜窄、光量和光質(zhì)柔性可調(diào)、易于分散或組合控制等許多不同于其他電光源的重要特點[5-7]。由于這些顯著特征，LED適合應(yīng)用于可控環(huán)境中的植物培養(yǎng)或栽培，如植物組培培養(yǎng)、工廠化育苗及航天生態(tài)生保系統(tǒng)。近年來，吸引
了眾多科研人員采用LED 進行植物光響應(yīng)的研究[8-15]，由于LED 性能的提高及經(jīng)濟成本的下降有望替代傳統(tǒng)設(shè)施的補光光源。前人在植物光生物學方面的研究中采用了2～3 種波長組合的LED 光源[16-18]，該試驗裝置只能實現(xiàn)2 種或3 種組合光譜，仍不能滿足光生物學研究對多光譜和多輻射能參數(shù)組合的各種需求。迄今為止，在相關(guān)的科學試驗中，由于無法獲得光譜柔性可調(diào)的光源，研究者仍不能精細地調(diào)控和設(shè)定試驗過程所需要的光譜參數(shù)，這制約著光生物學的精確定量研究和試驗的深入開展，多光譜動態(tài)柔性可調(diào)光源的研制具有十分重要的意義。
基于這一技術(shù)背景和科研需求，本文介紹了1 種光譜柔性可調(diào)的LED 光源系統(tǒng)，該光源系統(tǒng)可以對近紫外、紫、紫藍、藍、綠、黃綠、黃、橙、亮紅、深紅、遠紅和近紅外等光色的任意波長LED 進行精確組合調(diào)制，能夠?qū)Ω鞣N波長的光密度、光周期、工作頻率實施定量調(diào)制，以滿足光生物學的科研和設(shè)施人工補光的需求。
1 LED 光源系統(tǒng)的設(shè)計
1.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計
光譜柔性可調(diào)的LED 光源系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要由LED 基板模塊、單片機系統(tǒng)、溫控模塊、人機接口電路（包括鍵盤和液晶顯示）及通訊模塊組成，其組成框圖如圖1 所示。
1.1.1 LED 基板模塊
LED 基板模塊主要包括LED 陣列和LED 的驅(qū)動單元。該模塊根據(jù)LED 的參數(shù)特性，將交流電變?yōu)?6 V 直流電為LED 陣列供電，LED 采用串聯(lián)和并聯(lián)的混合布局方式（如圖2）；LED 的由MBI5028 芯片驅(qū)動。該芯片有16 路電流控制端，每端可接1 組LED，具有良好的恒流特性，且具有可編程電流輸出調(diào)解功能，每一路都可以通過編程獨立控制通斷，該特性使LED 柔性組合成為可能。16 路LED 分別與MBI5028 的16 個輸出端相連（圖2），另外，在每個LED 基板上，都留有級聯(lián)端，便于LED 基板的級聯(lián)，構(gòu)建大規(guī)模LED 光源。
1.1.2 單片機系統(tǒng)
采用CC2530 Zigbee 無線單片機，其內(nèi)部內(nèi)嵌32 kB的flash 程序存儲器，8kB 的SRAM，A/D 和Zigbee 無線通訊模塊。本光源系統(tǒng)采用CC2530 單片機減少了外圍電路，增加了可靠性，降低了成本。該單片機具有多路脈寬調(diào)制（pulse width modulation）輸出，特別適合本光源
系統(tǒng)的頻率和占空比的調(diào)控。
1.1.3 溫控模塊
LED 基板由于LED 數(shù)量較多，在工作中會產(chǎn)生熱量的積累，熱量的積累會降低LED 的發(fā)光性能，引起嚴重的光衰現(xiàn)象。為了保證LED 的發(fā)光性能，在增加LED 散熱鋁基板的同時，LED 基板上還設(shè)計了溫控單元，對LED基板溫度進行實時監(jiān)控。溫度傳感器采用美國Dallas 半導體公司生產(chǎn)的DS18B20，該溫度傳感器，溫度精度±0.5°C，采用單總線控制，在1 條總線上可掛接127 個該溫度傳感器，減少了線路的連接，控制方便，體積小，價格低，便于實現(xiàn)高效的測溫網(wǎng)絡(luò)。當溫度高于設(shè)定溫度時，由單片機控制繼電器接通安裝在基板上的風扇工作，實施對LED 基板降溫，使系統(tǒng)工作在安全的溫度范圍內(nèi)。此外，為了防止由于風扇由于故障而影響降溫措施，本系統(tǒng)還設(shè)置了上限溫度，當超過上限溫度時，采用蜂鳴器報警，以便工作人員人工調(diào)控。
1.1.4 人機接口模塊
人機接口模塊包括鍵盤和液晶顯示LCD（liquidcrystal display），LED 光源系統(tǒng)的工作頻率、占空比、可編程電流參數(shù)可通過鍵盤進行設(shè)置，并且利用LCD 液晶實時顯示系統(tǒng)的設(shè)定頻率、占空比、可編程電流值、LED 基板實時溫度。
1.1.5 通訊模塊
本系統(tǒng)除可利用鍵盤進行參數(shù)的設(shè)定，也可與電腦進行實時通訊，單片機與PC 通訊采用Zigbee 無線通訊模式，光源系統(tǒng)工作參數(shù)也可通過PC 機實時設(shè)定和監(jiān)控單片機系統(tǒng)的工作，同時便于實現(xiàn)系統(tǒng)自動化管理和大規(guī)模的LED 光源的調(diào)控。同時，為實現(xiàn)遠程化監(jiān)控和管理，預(yù)留了通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radioservice）接口。
1.2 軟件設(shè)計
1.2.1 單片機軟件設(shè)計
軟件的源程序在IAR 軟件開發(fā)環(huán)境下設(shè)計，運用單片機C 語言編寫。軟件采用模塊化設(shè)計思想，整個系統(tǒng)由以下子模塊組成：主程序模塊、時基調(diào)控模塊、LED基板驅(qū)動模塊、溫控模塊、存儲模塊、鍵盤控制模塊、顯示模塊、通訊模塊。軟件流程圖如圖3 所示。
系統(tǒng)首先完成各模塊的初始化，并進行系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)的讀取和顯示，然后掃描鍵盤，若有鍵按下則進行相應(yīng)功能設(shè)置，若無則直接進行LED 基板控制和溫度的實時監(jiān)測，并把個參數(shù)顯示在液晶屏上。其中時基模塊是整個系統(tǒng)的核心，通過該模塊完成各項參數(shù)的實時調(diào)整，該模塊采用定時器控制。
在利用PC 機進行光源系統(tǒng)控制時，軟件采用無線中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并根據(jù)PC 機的控制要求進行功能函數(shù)的調(diào)用。
1.2.2 PC 機通信軟件設(shè)計
PC 機軟件通信軟件采用VC#語言編寫，界面友好，易于操作。使用MSCOMM（microsoft communicationscontrol）控件通過RS232 接口Zigbee 模塊連接，實現(xiàn)與與光源系統(tǒng)無線連接。在發(fā)送數(shù)據(jù)格式上采用了先發(fā)送指令，再發(fā)送數(shù)據(jù)的編排方式，通過給光源不同系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置編碼作為指令碼，數(shù)據(jù)發(fā)送到光源系統(tǒng)后，由單片機串口中斷程序進行處理，然后根據(jù)指令碼來調(diào)用調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)。光源系統(tǒng)實時參數(shù)的上傳也采用此模式。
2 柔性可控LED 光源下的菠菜生長試驗
2.1 試驗材料與光處理
試驗材料為尖葉菠菜，品種為“荷蘭3 號”。試驗于2008 年11 月1 日進行，分別將剛出苗的各30 株幼苗置于熒光燈（對照，CK）和由不同光色LED 組合的6個光處理下照射30 d，LED 光處理分別為：紅藍黃綠紫（Z）、紅藍黃紫（RBYP）、紅藍綠（RBG）、紅藍黃（RBY）、紅藍紫（RBP）、紅藍（RB），重復2 次。LED 光源光通量密度均設(shè)為50 μmol/(m2·s)，光周期為晝14 h，夜10 h，晝/夜溫度設(shè)置為25℃/15℃，相對濕度為60%～80%。生長光源為前述的LED 系統(tǒng)光源，分別按陣列方式排列紅（660 nm）、藍（470 nm）、黃（590 nm）、綠（525 nm）、紫色（390 nm）LED，光色配比為每36 個為1 單元，各色LED 分布如圖4 所示，開閉單獨控制，生長系統(tǒng)按空間大小組合后置于頂部和側(cè)面，LED 燈板位置可隨植物生長高度柔性調(diào)節(jié)。光源占空比設(shè)置為100%。
2.2 指標的測定方法
光處理30 d 后，用直尺測量葉柄長、根長，用油標卡尺測量葉柄粗，用葉面積儀測量倒3 葉單葉葉面積，用丙酮法提取光合色素，用分光度計測量并計算各色素含量。
3 結(jié)果與分析
3.1 不同LED 光源對菠菜生長和形態(tài)影響
如圖5 與表1 所示，與對照相比，Z、RBG、RBP、RBYP 及RB 處理菠菜幼苗的葉柄長、葉面積、葉柄粗、根長及外觀形態(tài)無顯著變化，而RBY 處理的葉柄長、葉面積、葉柄粗、根長顯著增大，而外在形態(tài)顯著不同于其他處理。與RB 處理相比，Z、RBG、RBP、RBYP 處理上述指標無顯著差異，但添加其他光色的光后上述指標都有增大的趨勢。
3.2 不同LED 光源對菠菜幼苗光合色素的影響
不同LED 光處理下，菠菜幼苗葉片中光合色素的含量顯著不同。與CK 處理相比，RBY 處理葉綠素a、葉綠素總量、類胡蘿卜素顯著增大，葉綠素b 也增大，但與CK 處理的差異不顯著；RBYP 處理的光合色素質(zhì)量分數(shù)顯著低于CK 處理，而RBG 處理的光合色素質(zhì)量分數(shù)大于CK 處理，但差異不顯著；Z、RBP 和RB 處理合色素的含量低于CK 處理，與其差異也不顯著。葉綠素a/b 在各處理間無顯著差異。與RB 處理相比，Z、RBG、RBP、
RBYP 處理光合色素質(zhì)量分數(shù)無顯著差異，但添加其他光色的光后光合色素有增大的趨勢（表2）。
LED 柔性組合光源對菠菜進行光處理研究發(fā)現(xiàn)，在紅藍光的基礎(chǔ)上添加紫光、綠光、黃光+紫光復合光及黃光+紫光+綠光復合光可以略增大菠菜的葉柄長、葉面積、葉柄粗及根長，但不能根本改變這些性狀，而添加單色的黃光卻可以顯著提升菠菜的生長，這些表現(xiàn)與劉曉英[15]在櫻桃番茄上的研究結(jié)果相同，說明紅藍組合光添加其他光色的光會促進菠菜的生長，尤其是添加單色的黃光后其促進效應(yīng)更加明顯，從復合光和單色光的表現(xiàn)不同可發(fā)現(xiàn)在紅藍光的基礎(chǔ)上添加單色光和添加單色光的復合對菠菜生長的效應(yīng)并不是單色光效應(yīng)的簡單疊加，而是相互制約的關(guān)系。光合色素能夠吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換光能，為植物進行光合作用的提供能量基礎(chǔ)，光合色素質(zhì)量分數(shù)與組成直接影響葉片的光合速率[19]，進一步影響植物的生長。RBY 處理光合色素質(zhì)量分數(shù)顯著大于其他處理，也許使其生長較其他處理旺盛的原因，這與劉曉英對櫻桃番茄研究的結(jié)果不同[20]，各處理下光合色素RBYP 處理要高，這是因為櫻桃番茄為茄果類蔬菜，而菠菜是葉菜類植物，它們對光照強度的需求不同，櫻桃番茄在光照強度為50 μmol/(m2·s)時造成了弱光脅迫，而菠菜卻沒有產(chǎn)生弱光脅迫或者脅迫較弱。
4 結(jié)論
本光源系統(tǒng)采用先進的發(fā)光二極管驅(qū)動技術(shù)設(shè)計硬件、采用單片機C 語言設(shè)計軟件，通過菠菜的光質(zhì)柔性組合生長試驗驗證：
1）該光源系統(tǒng)能夠按照各種光實驗的設(shè)計方案對光質(zhì)、光強、光周期等光參數(shù)進行柔性精確調(diào)控，該光源系統(tǒng)能有效地為設(shè)施補光服務(wù)，并可以為發(fā)光二極管光源對植物生長發(fā)育的影響的研究及設(shè)施補光提供良好的保障。
2）通過菠菜用柔性組合發(fā)光二極管光源的試驗研究發(fā)現(xiàn)，在紅藍光的基礎(chǔ)上添加黃光可以顯著地提高光合色素的含量并促進菠菜的生長。