一、引言

 植物組織培養技術已有近百年歷史，通過組織培養技術實現重要經濟植物工廠化生產的研究方興未艾[1]。光作為植物生長發育過程中的重要環境因子,也是植物生長的主要能量來源之一。組培室采用人工光源直接給植物補光是促進植物生長的有效途徑，而高效節能地對植物補光的理論依據主要是植物對光的選擇性吸收。近年來，人們一直在努力模擬植物的吸收光譜，以求研制出某種光源，使其發射光譜最大限度地接近植物的吸收光譜以產生共振吸收，促使光合作用高效進行。

 有關植物組織培養人工光源改進工作主要集中在研發較低散熱與較高效率的人工光源以降低成本，并且符合植物生長所需。目前，植物組培所采用的人工光源主要是白熾燈、日光燈、鈉燈、高壓汞燈等，但這些人工光源的發射光譜不能很好地滿足植物生長對光的選擇性需求，補光效率低，燈管的壽命與發光效率均不夠理想，燈管發熱需大量耗電，以致整體耗電成本頗高,能耗費用占全部運行成本的50%～60%。與傳統人工光源相比，LED具有可調整光強及光譜、冷卻負荷低、電光轉換效率高、體積小、壽命長、使用直流電及可設定特定波長、波長固定等特點，且環保性能佳，對于植物組培是一種非常適合的人工光源[2,3]。

 使用紅光與藍光高亮度LED建立可調整光量、光譜、給光頻率與工作比的人工光源，需要提供連續無閃爍的光或高頻閃爍的光。國外和國內利用LED光源的初步研究已證實利用LED光源作為溫室人工光源能夠有效提高植物的生長量和品質[4,5,6,7,8]。本文以LED為基礎，設計和開發了植物組培光源系統，并且以珍稀藥用植物鐵皮石斛為試驗材料，對基于LED的植物組培系統的實現進行了驗證，取得了令人滿意的結果。

二、光源系統設計

1.LED光源系統的特點

 隨著LED的技術進步，其在各種領域的研究逐漸開展起來。發達國家在這方面的研究工作起步較早，美國、日本、荷蘭、俄羅斯等發達國家走在了該領域的前列。美國Bula于1991年首先使用高亮度LED在太空農業的應用研究，開創了LED等在農業方面的應用[4];1993年日本Nichia公司發明了藍光LED后，Okamoto于1996年使用高亮度紅光LED與藍光LED，在藍、紅光量子數的比例(B/R)為1：2時可培育正常的萵苣[5]。從以上研究結果看，與傳統光源相比[9,10]，無論從發光效率，還是光的利用率以及光的可調控性來說，LED燈在溫室人造光源的應用中顯示出無可比擬的優勢。LED光源系統的特點主要包括以下幾個方面：

 (1)發光效率高 日光燈為低壓水銀熒光燈，它是典型的熱陰極弧光放電型低壓汞燈。日光燈的發光效率理論值是20.15%，是白熾燈的2倍多。高壓鈉燈是利用高壓鈉蒸氣放電，放電時大部分輻射能量集中在共振線上，即589.0nm和589.6nm。選擇適當的放電條件可以獲得很高的共振輻射效率。從高壓鈉燈的相對光譜能量分布可知，其發射光譜峰值集中在黃光區，藍紫光很少，有較多的紅光。LED目前的發光效率可達50%左右。

 (2)光被植物的利用率高 一般白熾燈所發出的光幅射中，可見光不到10%，而90%以上是紅外線。所以，用此光源對溫室大棚作物進行補光，效率低，能源浪費大。從植物照明角度來看，黃光與紅光搭配不合理，也不是理想的人工光源。高壓汞燈在紫外、可見光和紅外區域都有輻射，可見光中黃綠光成分占相當大的比例。但這部分光對植物照明來講效果不大，所以它也不是理想的人工光源。根據研究，不同綠色植物對光的吸收譜基本相同，在可見區主要集中在400～460nm的藍紫區和 600～700nm的紅橙區，采用紅光與藍光組合的LED光源，可實現植物的最大光利用率。

 (3)光的可調控性好 采用白熾燈、日光燈、鈉燈、高壓汞燈等對生物生長性進行研究，無法準備定量控制，也無法按需任意設定定量參數的組合。而采用不同波長的LED，通過組態可調節的驅動控制電路，可以根據不同植物特征選擇不同的光譜和光色組合，獲得植物所需的光源，并且能耗和成本比傳統電光源低。

 (4)燈具耐頻繁啟動 日光燈壽命一般不少于3000小時，其條件是每啟動一次連續點燃3小時。若啟動一次只點燃1小時，燈管的壽命縮短到70%以下，因此，使用日光燈時要盡量避免不合理的頻繁啟動。LED 產品穩定性極高，不易損壞, 減少購買新產品費用，連續進行幾百萬次的開關操作都不會損壞光源;而節能燈在5000次的開關操作就會損壞。

 從以上的比較可以看出，LED燈在植物培養的人造光源的應用中顯了示很好的性能特點。

2. 光源系統設計

 對于植物組培中的人工光源系統的研究正是該領域當前的研究熱點，開展本研究，對于降低設施工廠的照明能耗，提升植物的生長速度和質量具有十分重要的意義。但是目前對于LED用在植物生長上的研究還是集中于單燈的概念，沒有以系統的思路來開發LED光源產品，不能滿足不同植物的光需求特性，也不能滿足植物不同階段的光質、光強和光周期的要求。鑒于此，本文研究團隊在2008年底首次提出“智能化LED植物生長光照系統”的概念，并開發了組態化植物生長LED光源控制系統，可滿足不同植物及其各生長階段的光質、光強、光周期的光照需求。

 控制系統結構框圖如圖1所示。以植物組織培養室的組培架為一控制系統單元，每單元由1個主控模塊與多個控制終端構成，多層配置1個控制終端，主控模塊與控制終端采用RS485通訊。通過主控模塊，可分別對每控制終端進行紅光與藍光光強、光譜與光周期參數設置，并將這些參數存儲到各終端中。終端在日常工作時，通過掃描這些參數要求，構成自己的控制模式，進行相應的驅動輸出。

圖1  系統框架圖

 主控模塊的結構框圖如圖2所示。主控模塊采用微處理器MEGA8L為MCU，并采用鍵盤與點陣式液晶作為人機交互界面，主控模塊還具有兩路串行接口，一路是RS485接口與各終端進行通訊，另一路是作為擴展數據輸出接口。在后期進行實驗數據統計時，還可以通過該接口將終端實驗數據傳輸到PC機上。

圖2   主控模塊框架圖

 控制終端框圖如圖3所示。控制終端采用微處理器MEGA8L為MCU，通過RS485接口與主控模塊進行通訊，每一終端都有唯一的組ID號。終端輸出兩路PWM波形，分別對應紅光驅動與藍光驅動，PWM的占空比根據設定的光強參數可進行調節。由于微處理器的I/O端口的驅動電流不夠，故需在每路PWM輸出電路后級增加大功率驅動電路。終端還具有實時時鐘(RTC)，可記錄當前實驗時間，并將實驗起始時間與終止時間記錄到片內 E2PROM中，該實驗記錄在需要的情況下，可通過RS485傳回到主控模塊，并通過主控模塊的RS232擴展接口輸出到后續處理PC機中。

圖3   控制終端框架圖

 LED 性能穩定，光色分布可選擇，耗電量小等優勢明顯。但在實際應用中，單顆LED直接使用是不能滿足植物生長需求的，即使是使用更大功率的LED也達不到。傳統光源的反光罩配光方式一是不適合LED光源的發光方式，二是反光罩做成的燈具的效率只能達到70%，光損失太大。為了達到植物生長要求的光合作用，我們將選用以反光罩和透鏡兩種方式，或兩者結合使用的方式來完成。并且對光波進行嚴格測試，反復配比論證，以此達到項目要求。

 為解決以上問題，設計出與LED封裝相結合的反光罩和透鏡，減少二次光學處理過程中的光損失，同時控制出射角度，一次光學設計以完成透光效率的提高和對整燈配光作用的提高。選用更高折射率的光學材料，采用透鏡鍍膜技術，可以使光的損失降低到4%以下，這也是本項目采用LED光源結合配光模塊作為光源的原因。采用集成的 LED光源，可以使整燈的使用壽命加大，能源消耗減少，植物生長加快，具有多重意義。

三、光源系統的實現與應用

 以鐵皮石斛為試驗材料，以此LED的植物組培光源系統為基礎，研究了不同光質對鐵皮石斛生長特征的影響(如圖4和表1)。全部試驗均在植物組織培養室中進行，環境溫度設為25±2℃。LED光源系統的光譜分紅光、藍光及其組合Ⅰ(紅：藍=8：2)、組合Ⅱ(紅：藍=8：3)共4個水平，光強為 45±5μmol·m-2·s-1，光照時間為每天14小時;以普通日光燈作對照，光強為45μmol·m-2·s-1。實驗用苗基本一致，初始苗高1.2cm左右，每種光譜處理30株，培養時間為2009年9月6日至11月15日，測定指標主要包括苗高、莖粗、葉數、平均葉長、平均葉寬、根數、平均根長、干物質含量等。研究結果表明，紅光、紅藍混光Ⅰ和Ⅱ條件下鐵皮石組培苗株高較高，其苗高數值分別是日光燈條件下的 2.59、2.55和1.71倍;藍光條件下鐵皮石斛組培苗莖粗表現最大，為0.53cm;從葉片性狀看，紅光、紅藍混光Ⅰ條件下鐵皮石斛組培苗葉片數差異不大且明顯多于其它光譜條件，而不同光譜條件下葉長、葉寬數值差異未達顯著水平;不同光譜條件下根數也未達顯著差異，但紅藍混光Ⅱ條件下的根長數值最大，明顯大于紅藍混光Ⅰ、藍光和日光燈條件的相應數值。

 另外，對于干物質含量，紅光條件下鐵皮石斛組培苗表現最小，僅63.36g/kg，其他4種光譜條件下的數值差異未達顯著水平。總體來說，相比日光燈，4種LED光譜條件下鐵皮石斛組培苗均在某些性狀上表現出明顯的優勢，能夠明顯促進鐵皮石斛的生長和根系的發育，縮短鐵皮石斛的生長周期。因此，LED植物組培光源系統能夠作為植物組培苗培育的理想光源。

圖4   不同光譜條件下生長的鐵皮石斛組培苗

表1 光譜對鐵皮石斛組培苗生長的影響

四、結語

 本文提出了面向植物生長的組態化LED光源系統，可滿足鐵皮石斛、大花蕙蘭等重要蘭科植物的不同生長時期(包括原球莖誘導、增殖、生長生根以及成花等不同階段)的光強與光周期需求，光強與光周期參數存入到E2PROM中，系統可自行判別植物生長時間，讀取E2PROM中的參數，進行自動調光。從而提高生長效率，降低植物生長光照能耗和生長成本。

 本文受科技部科技型中小企業技術創新基金項目資助(項目編號:07C26223301401)與浙江省重大科技專項基于LED的重要蘭科植物組培光源系統的研究與產業化(編號：2011C11085)資助。（本文選自《半導體照明》雜志 第40期）