即時監測溫室LED照明
即時監測溫室LED照明
光學傳感如何幫助管理顏色和功率輸出
重點:
• 溫室種植
• 食物生產
• WaveGo 光度計
技術:
• 輻照度
應用:
• LED 監控
• PAR 測量
• 溫室營運
隨著世界人口成長逐漸壓迫地球上的自然資源，有越來越大的需求超越過去數十年來人類所達成的食物生產。事實上，根據估計，全球人口會在2050時從73億成長到96億，我們將要額外生產70%食物來養活所有人。
控制農作物的品質和產量將會是增加糧食產量的關鍵因素。在溫室和垂直農法(溫室工廠)中種植作物能讓我們更好控制種植食物的過程，並且在垂直農法的情況下，讓食物生產的過程更接近消費者(垂直農法可以結合進像是倉庫之類的現有建築裡)。在溫室裡，LED是一種受歡迎的照明選擇，可以給作物提供進行光合作用和其他生長過程裡需要的光譜能量。
傳統溫室照明選項
通常，使用溫室的種植者會用陽光來種植植物。然而，陽光是很難預料的，在北半球的國家很常使用溫室，但是在冬季的日照時間會日漸變短。
但種植者喜歡全年管理植物和作物，他們使用植物生長燈來延長日照或補充溫室中的自然陽光。
傳統上，使用溫室的種植者會用高壓鈉燈(HPS)來當作照明選項，儘管一開始是當作路燈使用。高壓鈉燈會發出來自商業溫室裡熟悉的橙色光芒。
HPS 燈確實有一些缺點。它們非常耗電並且會產生大量熱量。有時種植者會利用這些熱量來提高溫室溫度，但如果熱量太多，種植者會通過打開”窗戶”來排出熱氣。這會降低溫度，但也影響二氧化碳的濃度。因此，要維持溫室中的最佳生長環境變得具有相當挑戰性。
LED 加入溫室營運
過去二十年裡，LED發展成一個成熟的技術，為種植者提供一種除了HPS燈外的選項。一開始，LED生產商專注在降低功率和減少熱量產生的好處上，而 HPS 照明的支持者則認為總光功率（在這種情況下，表示為光合有效輻射或 PAR）是一個更重要的有效性指標。最近，注意力已經轉移到色譜對農作物的影響上。
圖1:可以在植物生長周期間調整LED生長燈來優化顏色輸出
最後，在溫室中用LED最大的好處是可以根據作物而進行動態照明。關於提供給植物的理想光譜已經進行了大量研究，並且仍在進行中。事實證明，理想的光譜在整個植物生長周期中都會發生變化。因此，典型的 LED 生長燈由多種顏色的 LED 組成：至少是紅色和藍色，但也存在其他奇特的組合，增加白色 LED、綠色、琥珀色，甚至遠紅或紅外波長。由於大多數 LED 的輸出功率都可以控制（從完全關閉到最大功率的某個百分比），因此可以優化這些燈具提供的光譜（圖 1）。
使用具有完整功能和功率控制的不同顏色的LED，種植者可以增加給作物的日照時間，還可以控制照在植物上的「每種顏色」(波長)的發散總功率。例如，在植物生長期間，可以根據預先設定好的最佳顏色方案來增加紅色或藍色的光功率(能量)。
這為植物的生長趨勢提供了一定程度的控制。增加藍光可誘導營養成長；增加紅光可誘導開花。請注意，這種光學配色方案會因植物類型而異，並且取決於其他因素，包括溫度和二氧化碳濃度。控制溫室中的所有參數將是提高效率跟更可預測產量的關鍵。
監測在溫室營運中的高壓鈉燈輸出。
陽光既不可預測又充滿活力。不僅太陽的能量會隨著一天中的時間、雲量和天氣狀況而變化，其光譜的平衡（紅光與藍光的比值）也會發生變化。準確測量日光將有助於監測到達植物的光譜，而且也會向 LED 控制系統提供反饋，以動態調整光源的功率和顏色來配合不同植物的生長週期中的不同時刻下的最佳選色方案。
對於使用HPS燈的溫室來說，會使用傳感器來監測白天裡的光合作用有效輻射(PAR)，單位為μmol/m2*s。這些傳感器會測量波長400到700 nm的總光能。PAR資料可以用在決定何時開啟HPS燈，也可以用在計算植物吸收的所有能量，稱為日累積光量(DLI)。
儘管這些PAR傳感器可以用來優化溫室裡白天的PAR光照程度，但它們不能用來控制配色方案，也不能測量400到700奈米外。這重要在說這些波長外的光會影響某些種類植物的生長。
作為傳統 PAR 傳感器的替代品，可以安裝微型光譜儀來監測整個光譜，通常為 350-1000 nm（紫外到近紅外）。這會給使用者提供全解析度的光譜信息。而這是了解和研究給植物的最佳配色方案的寶貴資料。
監測溫室營運中的LED輸出
WaveGo 手持式光量測系統可以讓你方便的在溫室裡的不同地點進行快速量測(如圖二)。WaveGo 可以連結智慧型手機並且儲存資料在雲端，量測結果(PAR和其量化)可以在手機上讀取和通過電子郵件報告。類似的光譜儀設置可以部署在溫室中，甚至可以跟 LED 燈具一體化來進行持續讀取。
圖2: WaveGo手持式光測量設備非常適合量測溫室LED的總光譜並確定每個波長群的光能。
在圖3到圖5，我們使用高解析度光譜儀來測量紅光與藍光LED輸出、陽光和兩者的結合。溫室運營商使用光譜測量來實時調整照明方案，優化效率。
圖3:使用高解析度光譜儀測量能控制藍光和紅光輸出的溫室燈具的光譜。
圖4:使用光解析度光譜儀量測陽光(圖表陰影處)。
圖5:陽光結合進紅光與藍光LED輸出裡來增加紅光與藍光範圍的能量。
在某些溫室環境中，即使需要系統控制和顏色信息，也可能不需要光譜儀提供的解析度。在這些應用中，可以監測陽光並區分溫室中使用的各種 LED 顏色的傳感器就足夠了，而且通常是實施顏色控制的最划算的方法。
當不需要全光譜分析時，我們的PAR PixelSensor 就是一個好選擇，他只關注在跟植物生長相關的光譜範圍上。方法如下:光譜PAR傳感器有八個傳感器—特定波長光電二極管封裝在一個緊密的陣列格式—每一個傳感器可以監控400 nm到800 nm中不同部分的光譜群。每一個波長集群只有50 nm寬(如圖6)。該傳感器足夠小，讓他可以跟LED燈具合成一體或當作獨立傳感器放在植物附近(如圖7)來持續監測PAR能量。
圖6:為 PAR 測量配置的 PixelSensor 最多可以監測 400-800 nm 的 8 個波長區間（光譜帶）。
圖7: PixelSensor 有 8 波段傳感器陣列，佔地面積為 9 x 9 毫米，可以無縫集成到其他傳感設備中。
在沒有自然光的地方，例如封閉的生長室，精確控制所有的環境因素能讓我們知道植物的光譜能量等級。室內環境的設計以及植物的大小和形狀將是使用光譜PAR 測量系統的重要因素。
為了在生長周期中使用最佳配色方案控制植物的生長並克服陽光的自然波動，可以採用光譜監測在管理植物照明，進而取得良好效果(如圖8)。測量技術很簡單使用並且整合進操作裡，但是在同間溫室裡設定不同的選色方案給每一個植物卻很複雜。
圖8: 通過對自然光和 LED 的準確監測，種植者可以調整紅色和藍色 LED 的照明以提高功率輸出並優化植物生長周期。
對於種植者和燈源供應商而言，動態監測光的光學傳感工具將成為智能溫室的關鍵要素。傳感器可以統整進照明裝置中，安裝在作物之間並無線連接，以即時控制溫室照明和數據管理。