镝灯（220 V、400 W反射型垂直点镝灯）在距照射面垂直距离为1.2 m时，光强分布较均匀，布置镝灯时，灯与作物垂直距离应为1.2 m较合适。在水平距离1.8 m内，均能满足净补光强度大于2 000 lx的要求根据光强在照射面上的分布，正下方光照强，一般不布置在走道的正上方，每平方米需要用灯数为0.171盏。
钠灯和镝灯都是发光效率和有效光合成效率较高的光源，适用于温室蔬菜作物（特别是叶菜类）的补光。与荧光灯、白炽灯等光源比较，单位面积内需要的灯数较少，不会造成温室内遮荫过多。在育苗时，可达到较高的补光效率。两灯相比，在相同功率下，钠灯所产生的光照强度总体上比镝灯强。钠灯的一次性投入成本低，遮荫少，且要达到相同的补光强度，钠灯单位面积使用的灯数也少，从而补光能耗低。
钠灯与镝灯对作物光合作用的影响而言，在相同光照强度下，钠灯比镝灯略好，但净光合速率Pn的值相差不大。从光谱特征来看，钠灯含有较多的红橙光和较少的蓝绿光，而镝灯为仿日光色，在长期依靠人工光源补光的情况下，镝灯可能更有利于作物的生长，两者各有优缺点，可根据需要选择。
四、LED技术及其在设施农业中的应用
荧光灯的发光效率在最近20年内上升了50％，但与高压钠灯相比还是比较低的，与金属卤化灯基本相等。但是，无论是荧光灯，还是目前发光效率较高的高压钠灯，其能耗都较高，主要原因是目前使用的人工光源中红外和远红外光的比例较大，有相当多的能量以热效应方式传递到环境中。 1、LED技术
LED（1ight emitting diode，发光二极管）是利用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能的器件。带有空穴的P型材料通常是掺入Ⅲ族元素的硅，带有电子的N型材料通常是掺入Ⅳ族元素的硅。P区与N区之间的边界即是PN结。 2、LED光源的优点
与白炽灯、荧光灯和高压钠灯等人工光源相比，LED具有显著优点： ◇ 直流低压供电
小功率彩色LED的正向电压通常为1.5 V~2.8 V，大功率LED的正向电压通常为3 V~4 V，远小于安全电压。 ◇ 节能
钠灯和金属卤化物灯是气体放电发光灯，靠加热升温使金属元素蒸气放电而发光。LED是固体发光光源，不需要加热就能发光，是一种冷光源，因此，其减少了消耗在加热上的电量。
◇ 单色光源，发光效率高。LED可发射单色光，其半波宽大多为±20 nm，可以精确地为植物提供所需要的光谱，而不浪费电能发出黄光、绿光等植物不需要的光谱。 ◇ 体积小、应用灵活，推广空间大。
◇ 环保。LED是固体发光光源，不含汞等有害物质，在安装使用中不会造成污染，其废弃物也可以回收。LED光源是环保的绿色光源。
◇ 寿命长。LED是固体光源，内部不存在松动部分，没有玻璃、灯丝等易损和易烧部件，机械强度大，耐振动，耐冲击，寿命可达50000 h以上。 荧光灯、高压钠灯使用寿命约12000 h 3、温室补光LED光源类型及结构
常用的LED温室补光光源主要有两种形式，一种是垂直照射的点光源式，一种是穿插于植株之间进行侧面照射的带光源式。目前，LED光源用于温室人工补光尚处于试验阶段。 （1）点光源式
点光源式是较早得到开发和应用的LED温室补光光源，可以根据不同气候条件、不同
作物类型以及生长的不同阶段，调整LED补光光源的光照度和光质。
其安装方式多为在温室顶部已有骨架基础上加装条状LED供电装置，也可以独立安装LED光源的支撑结构和供电装置，LED点光源从供电装置中引出，垂直向下照射植物。 每个LED点光源由数个LED灯珠组成，根据组装要求不同，外形可以为方形或圆形。根据作物种类不同，红色LED点光源和蓝色LED点光源间隔布置，叶菜类作物可以考虑设置红蓝光照度比（R/B）为（7~9）：1，因为红光对茎伸长有促进作用，也可起到增加产量的作用；果菜类作物R/B比可设置为（5~10）：1。LED点光源一般悬挂于植株上方进行补光，光源系统常处于固定状态，高度不易调节，对于达到一定高度的果菜类作物补光较为适宜。 （2）带光源式
带光源式LED温室补光系统是在点光源基础上开发起来的光源系统，其显著特征是高度可以调节，可以根据不同作物需求及不同生长阶段进行光源的高度、光照度和光质调节。带式LED光源结构相对简单，克服了点光源式LED组件多、安装复杂的弊端，夏季不用时还可置于天沟下侧，避免对通风降温以及栽培操作的影响：由于高度可以调节，可根据作物大小近距离照射作物，光能损失小，效率高：带式光源还可置于作物冠层下部，形成穿插照射，避免从上部照射时冠层叶片对下部植株的遮挡。 五、LED与太阳能光伏结合研究应用前景
1、LED对电源的需求及其与太阳能光伏结合的可行性 （1）LED对电源的需求
LED光源是一个电光转换系统，其电光转换过程从供电部分开始，依次包括原始电源、电源管理与变换、传感与控制、驱动器等部分。
原始电源是LED工作的必要条件。LED是一种电流驱动的低电压单向导电器件，为保证LED正常工作，必须满足LED的基本工作条件：低压直流电、单个LED灯珠的门限电压1.5 V~3.5 V、正向电流20 mA。单个LED不能满足植物对光照度的要求，需要对多个LED进行串、并联，并将供电电压控制在6 V~24 V之间。
为避免LED的驱动电流超过最大允许电流，影响其可靠性，同时也为了获得预期的光照度，保证各个LED亮度和色度的一致性，需要采用恒定电流驱动方式。驱动LED需要低压直流电，而目前的市政供电均为200 V或380 V交流电源。因此，LED供电需先将交流电通过逆变器转换成直流电，再通过降压器将电压降到适宜的低压才能使用。在逆变过程中，电能的损失率为10%~20%，如果再加上线路本身的损失，电能利用率将大大降低。为最大限度地提高LED的节能效率，寻求与LED匹配的驱动电能也日益受到广泛关注。 （2）太阳能光伏发电
独立太阳能光伏发电系统（Photovoltaic Power Generating System，简称PV系统）主要由太阳能电池组件、蓄电池组、控制器和直流负载等部件组成，太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池，太阳能电池单体的工作电压为0.45 V~0.5 V，工作电流为20 mA/cm2~25 mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。
经过电池单体的串、并联而成的太阳能电池组件就足以满足负载所要求的输入功率。太阳能电池输出的直流电能，一部分可以直接供给对应的负载，另一部分则可储存在蓄电池组里，以备阴雨天或其他特殊情况下使用，控制器使整个系统的能量传输始终处于最佳匹配状态。
（3）LED与太阳能光伏结合的可行性
? 太阳能光伏发电通过半导体材料将光能转换为电能，LED照明则通过半导体材料将电能转换为可见光来实现照明，二者都通过半导体材料来实现能量的转换。
? 太阳能电池输出直流电，而LED需要直流驱动，光伏输出的直流电无需经过逆变，直接供给LED，不会产生逆变过程中的能耗损失。
? 蓄电池和控制器使得光伏系统的直流电输出更具有稳定性，能更好地满足LED的需求。 这些特性使太阳能光伏发电和半导体照明可以更好地结合，尤其在无动力能源地区，有望实现无需架设电缆的电能自给。节能和清洁能源的利用是世界各国的发展趋势，太阳能是取之不尽的清洁能源，LED作为新型节能光源，与太阳能光伏的结合是可行的，也是今后LED发展的重要趋势和方向之一。
2、LED与太阳能光伏结合的设计思路
太阳能光伏发电系统的设计思路：先根据负载所需电量并结合当地的气候条件计算出太阳能电池容量，并选取当地太阳能电池方阵的最佳倾角，最后根据系统性能要求选配控制器。在设计太阳能光伏发电系统的过程中，涉及的因素很多，如太阳能辐射强度、气候、安装地点等，系统的相关技术条件又涉及到负载性质、蓄电池的容量、太阳辐射强度、太阳能方阵倾角和强度因子等。
第三章、传感器的选择及其系统设计
一、传感器及检测系统的要求
设施农业中要控制的对象具有很高的分散性和复杂性，四季气候环境差异很大，使用对象的经济承受能力不高，农户文化程度和使用维护水平较低，因此必须在满足性能要求的前提下尽量降低成本，以提高性价比。所以传感器和检测系统的性能必须符合以下要求： 1、稳定性与耐用性要好
设施农业是一个连续性的生产过程，检测系统所处的环境比工业更恶劣，如高温、高湿等，再加上农业生产人员的科技素质普遍较低，使用过程中容易误操作，因此一定要选择和设计稳定性与耐用性好的传感器和检测系统。 2、适应性与适用性要强
设施农业的实质是调节和控制作物生长环境，是通过一个闭环系统来实现的。因此传感器的性能都应该与控制系统相适应，尤其是传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，这样才能使系统真正做到快速反应和调控环境的高效工作。 3、性价比要高
设施农业涉及面积大，对检测系统的潜在用量巨大，但是我国区农业生产力水平较低，对农业设施的投入非常有限，因此必须在保证性能的同时尽量降低成本，以适应当地实际情况，否则难于推广使用。
二、环境检测因素及传感器的选择
设施农业中需要检测的环境因素主要有温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度和含水量等，每一种环境因素都要有对应的传感器对其进行数据检测。 1、温度传感器
温度是作物生长发育最重要的因素之一，直接影响作物光合作用、呼吸作用、细胞壁渗透性、水分和矿物质养分的吸收、蒸腾、酶活性和蛋白质凝聚等。大多数作物生长的温度变幅较窄，一般介于15~40℃，低于或高于这个限度，农作物生长速率则减缓。
目前用于检测温度的有模拟温度传感器、智能温度传感器、虚拟温度传感器等。由于模拟温度传感器功能单一（仅测量温度）、测量误差小、响应速度和传输速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单，是目前在国内外应用最为普遍的一种集成温度传感器。另外模拟温度传感器价格低廉，使用简单，特别适合在温室大棚等设施农业中使用。较常用的有AD590、DS18B20、LM35系列等。 2、湿度传感器
湿度也是影响作物生长的主要因素，因此目前设施农业的检测中，空气湿度也是主要参数之一。目前使用的湿度传感器，主要有电阻式和电容式2种。其基本形式都是在基片上涂
覆感湿材料形成感湿膜，空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数等发生很大的变化，从而对湿度进行检测。
电容式湿敏元件具有响应速度快、体积小、线性度好、性能稳定等特点口，特别是近几年出现的集成湿度传感器，因其具有精度高、线性好、互换性强等诸多优点，在设施农业中得到快速而广泛的应用，如集成湿度传感器IH3605等。 3、CO2浓度传感器
CO2是作物光合作用的主要原料，其含量直接影响作物的生长。利用传感器实时检测室内CO2浓度，并根据植物生长发育进行CO2施肥，可有效提高设施农业生产效率。目前市场上CO2浓度传感器有电化学型、热导型、红外光吸收型等，而最适应于设施农业的是红外光吸收型，因其具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点，如8002W、GS-160、MG811、VC1008T系列。 4、光照度传感器
光照是植物进行光合作用不可缺少的条件，在设施农业中采用光照传感器来检测光照度，进而控制光照强度和光照时间，调节植物的生长发育过程。光照传感器有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏晶体管、光电池等，目前设施农业温室大棚环境检测用的光照度传感器大多为硅光电池和光敏二极管，而光敏二极管较硅光电池有工作稳定性强、光照特性曲线为线性等许多优点，更适合在设施农业中使用。 5、土壤温度传感器
土壤温度对作物根系的生长有重要的作用，因此，也是设施农业环境检测的主要参数之一。目前，设施农业中根部温度的检测传感器较多，但应用广泛的是具有耐腐蚀和防潮性能较好的电阻式温度传感器，如PTWD-3A、ST-22等。该类传感器具有价格低廉、性能稳定、市场供应便利、易于安装、更换，比较适合设施农业生产。 6、土壤水分传感器
测定土壤含水量，对实施精准农业、节水灌溉和提高农业生产效率有重要的意义。目前采用的传感器多种多样，有陶瓷水分传感器、电解质水分传感器、高分子传感器、压阻水分传感器、光敏水分传感器、微波法水分传感器、电容式水分传感器、电阻式土壤含水量传感器等。使用较多的是压阻水分传感器和电阻式土壤含水量传感器，如3.2MPX系列，sintek-4等。
三、设施农业环境测控系统设计 1、测控系统硬件设计
环境测控系统的硬件设计方案框图如图1所示，主要由单片机、数据采集模块、数据转换电路、报警装置、执行机构、主控计算机等组成。其核心是单片机芯片组，作为系统各种参数的处理和控制器，完成各种数据的处理和控制任务，同时将处理后的数据传送给主机。实际应用时可根据被测控参数点的个数和控制的要求来决定单片机的数目。
整个系统的工作原理：首先在单片机内设定温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度、土壤水分等环境因素的上下限值和报警值，并予以保存，各种传感器实时检测到的参数值送到单片机后与其设定值进行比较，判断是否在设定的上下限值范围内，如在则表示环境可满足作物正常生长，如不在则由单片机控制驱动相关执行机构开始工作，如加热、换风、喷水等，直到环境参数达到正常的范围内为止。当检测到的参数值超出了设定的报警值时，主控机会控制报警装置报警，系统可能有故障或环境参数严重不足的情况，提醒管理人员要采取相应措施确保系统正常工作，使作物生长环境处于正常状态。
图1 测控系统硬件设计框图
（1）多路开关
在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。 （2）前置放大器
把信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。 3）A/D转换器
模数转换器即A/D转换器，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。 通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小 （4）光电隔离器
光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。 （5）单片机
微型的电脑，如有CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别 （6）温室环境信息采集器 2、测控系统软件设计
测控系统软件工作过程是首先对各部分进行初始化，通过键盘完成系统各个运行参数的设定，之后系统就进入正常工作状态。主程序对整个系统进行实时监控，即系统自动采集来自各测控点温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度、土壤水分等环境因素的值，根据传感器的特性由单片机控制多路采集信号的分时切入，将其值与设定的各参数值进行比较，通过输出控制处理程序决定是否启动执行机构，同时由显示模块显示被测控点的环境因素。当系统运行中出现了异常时，如传感器、放大器等部件故障及环境参数超限报警等情况，系统将进入相应的中断处理程序。