人類目前所面臨的食物、能源、資源、環境和人口等問題的解決都與農業生產密切相關，而光照是影響植物生長發育的首要因素，因此，深入研究農業照明對光的需求特性、規律和光控基準，創新性地開發適宜于農業照明的智能控制補光系統，為農業照明提供高效的光照環境是1項重要工作。隨著大氣污染日益加重，大氣透明系數不斷下降，植物可接收的太陽光能越來越少，直接影響其生長發育。將補光調控技術用于農業栽培，可提高作物光合作用效率，促進生長并減少農藥使用，利于發展高效無污染的現代農業。發展設施農業、觀光農業、無土栽培和精準農業等現代生產經營模式，是現代農業模式的里程標志。
1、特點及優勢
1.1 補光特點
植物利用太陽光進行光合作用，吸收的可見光光譜在380～760 nm，其中吸收峰值區域為波長610～720 nm紅橙光和400～510 nm的藍紫光。而連續的陰雨天氣影響植物生長發育乃致絕收，智能控制補光的研究及發展將解決這一問題，發展不受天氣影響的農業種植技術將成為新的方向。
影響溫室補光的主要因素有光質、光強和光周期等，農作物光合作用以冠層光強補償達到1 000～3 000 lx為宜，各種農作物對紅藍光（R/B）有特定要求，另外對自然界晝夜交替、周而復始的現象形成了光周期的要求，農作物在漫長的進化過程中適應了這種明暗變化。但是，在冬至前后或連陰天時，自然光照無法滿足農作物生長發育需求，則需要通過人工補光來增加光照時間，近年來，溫室補光已經成為農業生產的重要手段。
1.2 高效智能系統
由控制前端(智能手機、平板電腦或控制平臺)、傳感器（Sensor）、現場總線（Fieldbus）和LED燈組成的植物生長調控系統如圖1所示。智能手機、平板電腦（嵌入Android 或iOS 操作系統）通過Wi-Fi無線網絡連接控制平臺對終端進行控制。終端內置專用通信模塊通過ZigBee連接多達100個LED燈組網（可設任意組，燈之間的最大距離15 m）或單點訪問，也可對傳感器、增氧、澆灌及卷簾等裝置進行系統控制。系統利用傳感器監測環境溫度、濕度和營養液pH值等數據，通過軟件匯集到數據庫，并指令施肥灌溉系統對植物進行定時、定量及分區分段的精準施肥灌溉，同時利用傳感器進行系統監控。根據植物生長需求對LED燈的定時、開關、調光和調色等進行遠程集中管理，并通過光配方（Light recipes， LR）對植物的生長和開花周期進行調控。
針對不同應用方案及場所，LED補光照明產品可選品種較多。燈泡、面板燈、投光燈、燈帶和燈條等是植物工廠的典型LED應用產品，結合應用智能控制系統使農業照明系統更高效節能。
1.3 提高密度與節能
LED燈屬于冷光源，其輻射光譜對植物的熱效應小，可實現對植物的近距離補光且避免灼傷。在植物工廠或組培中，可縮短栽培層架之間的距離，提高空間利用率及植物單位空間的栽培密度。溫室中的智能控制補光實驗表明，使用傳統光源（高壓鈉燈和金鹵燈）每平方米需要配備0.5 kW的光源，而LED僅需0.27 kW，其節能量超過50 %。
另外，有效利用自然光照、光環境智能控制、提升空間管理和移動反射利用等現代農業照明的技術創新，將有效提高光能利用效率，滿足批量生產或提前庫存的市場需求。
2、農業照明應用
通過引進新技術種植蔬菜、水果、花卉及育苗組培，拓展到生態餐廳、農業觀光等一系列精準農業模式，采用用以智能控制為基礎，由信息技術支持的整套智能農事操作技術與管理系統，是當今農業發展的風向標。
2.1 畜禽養殖
通過研究紅光、藍光和白光對家禽生產性能的影響，推出系統控制光周期的智能養雞照明產品，實現漸變式禽類養殖控制，并在養雞場投入使用。智能系統按特定指標控制色溫、光強及照明時長，觀察其對畜禽的行為習性、生理特性和生長發育產生影響，并有效促進畜禽的生產性能，因此，養殖業生產中的照明不僅要求低能耗和長壽命，而且還應具備LR的可控性。圖2所示為補光在畜禽養殖業的應用。
研究發現，在肉雞（AA肉雞）生長前期采用綠光或藍光照射，生長后期采用藍光照射，能顯著促進其生長發育并提高生產性能。若再前期選用綠光照明，可不同程度地改善肉雞小腸黏膜結構，提高小腸吸收營養物質的能力。此項研究成果可用于改善畜禽的生理節律、攝食行為、生長發育及繁殖性能的技術指標體系，促進畜禽生長及生產潛力，并提高畜禽免疫力。
2.2 微藻繁殖
隨著全球資源、能源及環境危機加劇，如何開發利用光合自養生物微藻，直接將太陽能及二氧化碳（CO2）轉化為人們生活需要的醫藥、生物基化學品和生物能源，成為世界各國關注的焦點。研究發現光照是影響微藻細胞生長及生化成分變化最重要因子之一，智能補光對微藻類的生長、繁殖、藻體顏色、細胞形態和代謝產物含量有著重要的影響。圖3為微藻繁殖補光的典型應用。
2.3 水產誘捕
使用火或燈光誘捕已成為現代漁業的1個重要特征，研究人員利用不同顏色光對誘捕效果進行試驗，結果表明藍光具有深水體穿透性，使用以藍色為主體的人工光源可獲得更好的誘捕效果，圖4為燈光誘捕的應用。
2.4 溫室補光
目前用于溫室人工補光的光源有鈉燈、金鹵燈和熒光燈等，其紅外和綠光光譜成分較多，而農作物光合作用所需的紅藍光成分相對較少，使其光能利用率低下且運行成本較高。LED燈因其結構緊湊、轉換效率高、節能和壽命長，被認為是植物工廠最理想的光源。利用LED點光源及定向照射的特點，將其設計成燈帶穿插于植株間進行側面照射，并通過LR可控與智能控制技術及自動化手段的結合應用，在戶外溫室利用太陽光和人工光互補，提高光利用率并滿足農作物生長需求，使植物在的最佳模式下生長。圖5為LED補光在溫室的典型應用。
另外，根據植物細胞具有全能性的理論，利用植物離體的器官或細胞原生質體，在無菌、光照及溫度適宜的人工培養條件下進行植物組織培養（即離體培養），通過誘導出愈傷組織、不定芽及不定根最后形成完整植株。試驗表明，應用智能控制系統對黃瓜、番茄、甜椒和油菜等幼苗的生長發育有顯著影響。
3、市場前景預測
2012年日本Mitsubishi公司就開始銷售LED照明植物工廠系統，俄羅斯圣彼得堡市Mir Upakovki公司購買了其首套設備。2014年Philips攜手美國芝加哥農業企業Green Sense Farms（GSF）建立了全球最大室內LED補光應用農場，針對不同植物品種建立LR數據庫，通過LR的應用完善了數據庫，使農場植物在1年中會有20～25次采收。另外，SHARP在迪拜建設并運行的草莓植物工廠實驗樓，引進先進電子技術，使用包括LED補光控制技術以及基于等離子簇技術的空氣管理技術等，針對草莓在沙漠等地方的農業生產進行研究，試驗成功后考慮將業務拓展至中東及其它地區。
我國也在積極策劃建成1座新型植物工廠，并打造成為具有代表性的全國農業生產示范基地。建設無土栽培、墻式栽培、多層水培、空中栽培和魚菜共生等一系列具有特色的園區，集觀光游覽、技術展示、科普教育于一體的現代高科技農業精品主題植物生產教育基地。無論從促進現代化農業發展角度，還是節能環保的角度，大力推廣LED及其智能控制技術在農業照明領域的應用都具有重要意義，而農業地位以及其發展需求也為LED照明業提供了發展機遇。
4、結語
農業生產環境急劇惡化、土壤污染嚴重及耕地大量減少，農業用水受季節影響明顯等需要有相應的系統方案來解決。我國智能控制農業照明技術水平較發達國家低，須增加資金投入，加強研究力度，以提升企業及行業整體競爭力，并形成相應的標準化體系機制，將農業用智能控制照明納入國家農業裝備購置補貼目錄，確保農業生產單位在購置智能控制照明產品時能夠享受到國家政策性支農財政補貼，同時實現傳統照明產業的升級改造，促進智能控制農業照明的健康發展。
