蘭花組培LED照明特種光源及其精準(zhǔn)調(diào)控方法

李金玉， 龔愛(ài)平， 周永明

（1. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程系， 廣東 廣州 510300； 2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518172；3. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信工程系，廣東 廣州 510300）

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蘭花組培LED照明特種光源及其精準(zhǔn)調(diào)控方法

李金玉1， 龔愛(ài)平2， 周永明3

（1. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程系， 廣東 廣州 510300； 2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，
廣東 深圳 518172；3. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信工程系，廣東 廣州 510300）

摘 要：組織培養(yǎng)是一種快速高效的蘭花繁殖手段和重要途徑，新型人造LED照明特種光源的光質(zhì)比和光密度可以根據(jù)蘭花組培苗生長(zhǎng)的實(shí)際需要及時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，LED照明調(diào)控系統(tǒng)具有易于混合配光、便于數(shù)字化精準(zhǔn)調(diào)控、高效節(jié)能、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠提供蘭花組培最適宜的特定光照，推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、市場(chǎng)前景好。

關(guān)鍵詞：蘭花組培；LED光源；光配方；精準(zhǔn)調(diào)控

1　蘭花組培

蘭花（Cymbidium ）是蘭科植物的統(tǒng)稱，具有很高的觀賞價(jià)值、藥用價(jià)值、科研價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，一般以種子繁殖或分株的方法進(jìn)行繁殖，常規(guī)繁殖比較困難且周期較長(zhǎng)。

蘭花組培（tissue culture，組織培養(yǎng)），是指通過(guò)無(wú)菌操作分離蘭花（卡特蘭、蝴蝶蘭、文心蘭、大花蕙蘭等）的一部分（外植體explant），接種到人為提供的培養(yǎng)基質(zhì)上，在人工控制的小氣候環(huán)境（一定的光照、溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)、激素等）條件下進(jìn)行培養(yǎng)生長(zhǎng)，使其成為完整的幼小無(wú)病毒蘭花植株，實(shí)現(xiàn)蘭花的經(jīng)濟(jì)有效快速繁育（rapidpropagation）。通過(guò)組培獲得的蘭花苗生長(zhǎng)、開(kāi)花比較整齊一致，可完全保存母株的花色性狀。蘭花組培，可以進(jìn)行規(guī)?；⑴炕?、集約化、自動(dòng)化工廠生產(chǎn)，在成活率、抗病蟲(chóng)害性、出花率等方面也都有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得大量同源母本基因幼苗，具有很好的工程應(yīng)用推廣價(jià)值，有著巨大的市場(chǎng)前景。

2　組培架與LED照明光源

2.1組培架

組培架用來(lái)放置接種后的組培苗，用于提供組培所需光照的光源燈具一般固定在組培架上，組培車間（人造密閉式光照生產(chǎn)系統(tǒng)）是組培苗生長(zhǎng)的場(chǎng)所［1］。

2.2人工光源

圖1　植物光譜響應(yīng)曲線Fig.1 The plant response of light

圖2　各類色素的吸收光譜Fig.2 The light spectrum absorbed by different pigment

組培苗需要光照進(jìn)行光合作用，為了保證組培生產(chǎn)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，必須應(yīng)用人工光源。光照條件的好壞直接影響蘭花組培苗的生根及形態(tài)建成、色素含量、莖的生長(zhǎng)、葉綠體的合成、葉片酶活，最終影響組培苗的品質(zhì)：株高、莖節(jié)間距、莖粗、根數(shù)、最長(zhǎng)根長(zhǎng)、根系活力、葉片數(shù)、葉片氣孔數(shù)、葉色、葉片面積和厚度、葉片質(zhì)量、鮮重、干重、葉綠素含量、類胡蘿卜含量、蛋白質(zhì)含量、游離氨基酸含量、可溶性糖和淀粉及碳水化合物含量、過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶活性。

目前普遍采用的是傳統(tǒng)T8或T5熒光燈［2］。熒光燈作為組培光照光源，光效不高、光譜不佳、光生物能效低，用電量大（占整個(gè)電費(fèi)的65%）、成本高（占到組培苗總成本的30-40%），且光質(zhì)（光譜分布）、光強(qiáng)（光照強(qiáng)度）不可調(diào)，發(fā)熱大、空調(diào)降溫能耗高、不能近距離照射，光衰大、壽命短，其結(jié)果是增加組培生產(chǎn)成本，影響組培苗品質(zhì)。

圖3　熒光燈光譜Fig.3 The light spectrum of fluorescent lamp

圖4　熒光燈光照組培車間Fig.4 The tissue culture shop of fluorescent lamp

發(fā)光二極管（Light-Emitting Diodes，簡(jiǎn)稱LED）是將電能直接轉(zhuǎn)化成光能的半導(dǎo)體光電子器件，光色純、種類多，可靈活地配制任何不同比例的組合光譜，LED具有無(wú)限的光譜調(diào)配可能性。

圖5　LED光譜Fig.5 The light spectrum of LED

LED照明特種光源是一種以LED為發(fā)光體，光質(zhì)比（光色及其配比）和光密度（光合光量子通量密度PPFD:photosynthetic photon flux Density）可根據(jù)蘭花組培實(shí)際需要及時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，滿足其所需特定光照的新型人造光源。

選擇合適的光源（紅光、藍(lán)光、綠光、暖白光、遠(yuǎn)紅等顏色混合組成，單顆LED燈珠功率為0.2 W 或1 W ），確定光源的數(shù)量（LED燈的總功率4.8 W 、18 W 、 36 W 、 48 W 、 72 W ）及排布，根據(jù)植物對(duì)光的合理需求為光源研制應(yīng)用提供適宜的方案。

圖6　LED組培光源及應(yīng)用Fig.6 The LED lamp and its application in tissue culture

2.3蘭花組培LED光源的優(yōu)點(diǎn)

LED應(yīng)用于蘭花組培，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）單色性好，LED的波長(zhǎng)與發(fā)光材料的禁帶寬度對(duì)應(yīng)，光譜性能好、半峰寬窄、顏色純，便于集中提供特定波段的光照。人們研發(fā)并制備了多種LED，覆蓋可見(jiàn)光、紅外及紫外，紅光（Red）、藍(lán)光（Blue）、綠光（Green）、黃光（Yellow）、紅外（FR）、紫外（UV）可以分別單獨(dú)控制。紅藍(lán)光有利于組培苗的光合成和光形態(tài)建成，根據(jù)葉綠素的吸收光譜針對(duì)性地調(diào)節(jié)LED不同光質(zhì)比，提高光合效率。按照蘭花組培特定的光需求，設(shè)計(jì)紅、藍(lán)、綠、黃、紅外、紫外等不同混配比例（組合調(diào)節(jié)光質(zhì)）、調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、占空比，進(jìn)行“光配方”。

（2）光效高：LED具有較高的電光轉(zhuǎn)化效率，總光效可達(dá)150lm/W以上，而熒光燈一般不會(huì)超過(guò)90lm/W，使用LED替代熒光燈可以減少用電。

（3）響應(yīng)快：即開(kāi)即亮，LED可以被快速地開(kāi)關(guān)（達(dá)到ns級(jí)），可以實(shí)現(xiàn)各種要求的波形。

（4）壽命長(zhǎng)：LED理論壽命為100000小時(shí)，做成燈具使用壽命也能夠到達(dá)40000小時(shí)，使用過(guò)程中光通維持率正常不會(huì)低于90%。

（5）冷光源：LED屬于冷光源，發(fā)熱量少、向組培苗輻射的熱量也小，這樣可減小光源燈具與組培苗之間的距離以實(shí)現(xiàn)近距離光照。LED體積小，適用于多層立體組培架，可提高組培車間的空間利用效率。

（6）精準(zhǔn)調(diào)控，LED可以與智能控制系統(tǒng)結(jié)合，對(duì)光質(zhì)比、光密度、光照時(shí)間等進(jìn)行智能精準(zhǔn)調(diào)控，使光能被組培苗更有效地吸收利用［3，4］。對(duì)不同品種及不同生長(zhǎng)期提供不同的光質(zhì)比、光密度、光周期的可控光，能夠調(diào)控蘭花組培的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成，提高組培苗的品質(zhì)。紅光、藍(lán)光是必需光質(zhì)，紅光促進(jìn)葉綠素A和葉綠素B進(jìn)行光合作用，促成莖、莖根、葉球以及其他器官形成；藍(lán)光有助于光合作用，能促進(jìn)綠葉生長(zhǎng)，蛋白質(zhì)合成以及縮短培育期。其它可見(jiàn)光質(zhì)種類和紅外、紫外為有益光質(zhì)，在紅藍(lán)組合光基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些特殊光質(zhì)成分，有助于實(shí)現(xiàn)促進(jìn)蘭花生長(zhǎng)發(fā)育和提高產(chǎn)量品質(zhì)的特殊目標(biāo)。

（7）光照均勻：提高產(chǎn)品一致性和品質(zhì)，縮短組培生產(chǎn)周期，降低組培生產(chǎn)成本［5］。

（8）遠(yuǎn)程控制：通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)多個(gè)光照區(qū)域分別定義光照模式和光照程序，利用Zigbee無(wú)線控制技術(shù)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)控制多塊LED燈板（也可以做成燈條或者燈管的形式）。

在植物組培中，光質(zhì)比、光密度、光周期（光照時(shí)間）對(duì)組培苗的生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝及基因表達(dá)起重要作用［6-10］，也就是說(shuō)蘭花組培對(duì)光照有其特定需求、需要有針對(duì)性的光照專業(yè)解決方案，可以科學(xué)利用光照最大程度地促進(jìn)組培苗的生長(zhǎng)。蘭花組培LED照明系統(tǒng)，能夠保障光照的高均勻性，組培苗放置在培養(yǎng)架上的任何位置，都能獲得同等水平的光照，這樣組培苗的生長(zhǎng)速度相同、長(zhǎng)勢(shì)相同；并且還能夠通過(guò)輸出光譜的調(diào)節(jié)，使組培苗能接受到最適宜的光照?？傊?，蘭花組培LED照明系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、易于混合配光、便于精準(zhǔn)調(diào)控、高效節(jié)能、綠色環(huán)保、靈活簡(jiǎn)便、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)光質(zhì)比、光密度和光周期的綜合調(diào)控，達(dá)到蘭花組培光環(huán)境的精準(zhǔn)、智能調(diào)控，控制蘭花組培苗植株形態(tài)建成，提高組培苗的凈光合速率，加速蘭花組培苗有效健壯生長(zhǎng)，提高蘭花組培生產(chǎn)作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)蘭花組培優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的目的。使用LED照明特種光源，為蘭花組培苗生長(zhǎng)提供所需最佳光照，提高蘭花種苗產(chǎn)量、品質(zhì)和蘭花組培生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3　LED照明調(diào)控系統(tǒng)

精準(zhǔn)智能光調(diào)控是人工光蘭花組培領(lǐng)域優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、降低能耗與提高效率的決定因素，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光照的按需調(diào)控［3，4］。蘭花組培LED照明調(diào)控系統(tǒng)，可采用WiFi+Zigbee通信技術(shù)，PWM調(diào)光技術(shù)進(jìn)行按需給光。

3.1系統(tǒng)組成

基于WiFi+Zigbee LED蘭花組培光照環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)由控制前端（智能手機(jī)、平板電腦或控制平臺(tái)）、光傳感器（ light sensor ）、現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）、光照驅(qū)動(dòng)控制器（包含AC/DC恒壓電源、DC-DC恒流模塊和集成有WiFi+Zigbee、MCU主控電路的專用通信模塊）和LED燈組成。

圖7　LED蘭花組培光照環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)Fig.7 The regulation and control system for light environment used in tissue culture

3.2系統(tǒng)功能

利用分布式光傳感器感知環(huán)境的現(xiàn)有光質(zhì)、光密度及其分布，進(jìn)行實(shí)時(shí)光照數(shù)據(jù)采集，再根據(jù)蘭花組培總的需光量計(jì)算出LED光源還需補(bǔ)充提供的光波長(zhǎng)和光強(qiáng)，按此需求控制嵌入有基于安卓（Android）或iOS系統(tǒng)的前端操控設(shè)備、通過(guò)WiFi通信、及時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控終端LED光源板：

（1）開(kāi)關(guān)LED光源；

（2）調(diào)整LED光強(qiáng)：PWM模式與模擬調(diào)光模式

（3）調(diào)整LED光質(zhì)：不同LED 及其混配比例。

4　結(jié)語(yǔ)

組織培養(yǎng)是蘭花快速高效繁殖的重要手段和技術(shù)途徑，新型LED照明光源憑借其高效節(jié)能及便于組合配光的優(yōu)異光電性能，必將取代傳統(tǒng)熒光燈成為組培光照電光源的重要發(fā)展方向。結(jié)合LED照明和網(wǎng)絡(luò)通信及智能控制的先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建蘭花組培光環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控照明系統(tǒng)，應(yīng)用于蘭花組培工程領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)組培光照按需及時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控，能夠經(jīng)濟(jì)地在短時(shí)間內(nèi)培育出大量同源母本基因優(yōu)質(zhì)蘭花幼苗，組培生產(chǎn)成本合理、蘭花組培苗品質(zhì)優(yōu)良。LED照明特種光源及精準(zhǔn)調(diào)控新技術(shù)的應(yīng)用，將會(huì)促進(jìn)蘭花組培產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

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【責(zé)任編輯：高潮】

【信息技術(shù)應(yīng)用研究】

【信息技術(shù)應(yīng)用研究】

LED light source used for cymbidium tissue culture and its regulation and control method

LI Jinyu1， GONG Aiping2， ZHOU Yongming3
（1. Department of Environmental Engineering Guangdong Industry Technical College， Guangzhou 510300， China；2. School of Electromechanical Engineering， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China；3. Department of Electronic Communications， Guangdong Industry Technical College， Guangzhou 510300， China）

Abstract:Tissue Culture is one of the most important methods used for rapid propagation of cymbidium. The wavelength and luminous intensity of artificial LED light source can be regulated as required according to cymbidium growth. LED lighting system has many advantages， such as small volume ，mass longer life，easy to be digital controlled， high efficiency and energy-saving， environment-protection etc.， and it can produce the optimum light for cymbidium growth.

Key words:cymbidium tissue culture； LED light source； light recipe； accuracy regulation

中圖分類號(hào)：TM923.34； Q943.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6332（2016）01-0039-04

［收稿日期］2015-12-15

［基金項(xiàng)目］廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ201304）

［作者簡(jiǎn)介］李金玉 （1971-），女（漢），江西吉安人，碩士，副教授，主要研究方向：生物技術(shù)與環(huán)境化工。E-mail: lijinyu101@163.com