在我國(guó)，設(shè)施園藝栽培面積高達(dá)400萬(wàn)公頃，包括自然光栽培系統(tǒng)( 拱棚、塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室等) 和人工光栽培系統(tǒng)( 植物工廠、組培室、培養(yǎng)箱等) 。溫室是最為重要的自然光栽培系統(tǒng)類(lèi)型，截止2014年底，溫室面積已有100萬(wàn)公頃以上，在反季節(jié)蔬菜、花卉、果樹(shù)栽培方面起主導(dǎo)作用。溫室主要包括日光溫室和連棟溫室，溫室補(bǔ)光是設(shè)施農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明應(yīng)用主要場(chǎng)所。國(guó)內(nèi)外研究表明，溫室補(bǔ)光非常必要，對(duì)保障作物健康生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用。其一，溫室補(bǔ)光是設(shè)施農(nóng)業(yè)的本質(zhì)需求。設(shè)施農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是促生生產(chǎn)方式，就是要通過(guò)環(huán)境控制促進(jìn)或延遲農(nóng)業(yè)生物生長(zhǎng)發(fā)育與繁殖過(guò)程，獲得更高的產(chǎn)量和品質(zhì)。
光照最為重要環(huán)境因子，認(rèn)為調(diào)控起著關(guān)鍵作用，現(xiàn)代溫室生產(chǎn)必需實(shí)現(xiàn)光照條件的按需調(diào)節(jié)。其二，溫室補(bǔ)光是溫室生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需求。實(shí)際生產(chǎn)中，連陰雨雪、霧霾、灰塵污染等導(dǎo)致的弱光寡照脅迫時(shí)有發(fā)生，危害嚴(yán)重，導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至絕收( 補(bǔ)光)；而且，高緯度地區(qū)日照短，無(wú)法滿足長(zhǎng)日照?qǐng)@藝作物的光周期需求，需要人工光補(bǔ)充。最后，LED補(bǔ)光裝備是溫室環(huán)控的必需執(zhí)行機(jī)構(gòu)。溫室內(nèi)光照環(huán)境隨外界自然光照的變化即時(shí)變化，加之墻體、溫室橫梁支架結(jié)構(gòu)、以及保溫覆蓋遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)的遮擋，其內(nèi)部光照條件在光強(qiáng)和光周期上遭到縮減，在光質(zhì)上也產(chǎn)生了變化。這些改變?cè)谌豕夤颜仗鞖鈼l件下尤為嚴(yán)重，光環(huán)境脅迫已成為制約我國(guó)溫室園藝產(chǎn)業(yè)體質(zhì)增效的瓶頸障礙，亟待解決。按照因子綜合作用率理論，實(shí)施溫室光環(huán)境智能控制不僅可保障溫室作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，也能提高溫室生產(chǎn)資源的利用效率( 水肥、CO2等) ，可提升溫室自動(dòng)化水平，節(jié)省人力資源。荷蘭作為設(shè)施園藝強(qiáng)國(guó)，已將補(bǔ)光技術(shù)研究推上了較高水平，取得了豐碩的成果，在LED補(bǔ)光方面走在了世界前列，而我國(guó)溫室半導(dǎo)體照明則剛剛起步。
1、溫室植物半導(dǎo)體照明智能控制的必要性
通常而言，溫室工廠化生產(chǎn)需要環(huán)境要素甚至生產(chǎn)要素的智能控制，基于智能控制使溫室具有周年生產(chǎn)的能力。溫室智能控制的實(shí)現(xiàn)難度與溫室類(lèi)型有關(guān)，取決于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其材料種類(lèi)，其投入產(chǎn)出比存在溫室類(lèi)型差別。而且，智能控制系統(tǒng)的性能隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展而不斷優(yōu)化和提升。實(shí)際上，我國(guó)塑料大棚、日光溫室遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)智能控制管理，只有連棟溫室和玻璃溫室裝備水平較高?，F(xiàn)今，世界范圍內(nèi)絕大多數(shù)溫室未真正意義上實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)光，多數(shù)連棟溫室僅采用HPS 實(shí)現(xiàn)了定時(shí)補(bǔ)光。LED 光源的出現(xiàn)與技術(shù)發(fā)展從根本上解決了溫室智能補(bǔ)光缺乏執(zhí)行機(jī)構(gòu)的難題，正在推進(jìn)溫室光環(huán)境調(diào)控的智能化進(jìn)程。實(shí)際上，溫室補(bǔ)光因溫室類(lèi)型而存在本質(zhì)上的不同，也與栽培作物種類(lèi)、季節(jié)因素有關(guān)，這種補(bǔ)光需求的時(shí)空變異性導(dǎo)致溫室補(bǔ)光必需實(shí)施智能化管控，才能節(jié)能、高效。而且，溫室人工補(bǔ)光是以自然光為主導(dǎo)的調(diào)控模式，需要智能化控制才能達(dá)到節(jié)能、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和提高資源利用效率的目標(biāo)。LED 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)是以最大化提高其光電
轉(zhuǎn)化效率和時(shí)空生物光效為目標(biāo)的，以確保設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控的效益。同時(shí)，溫室內(nèi)溫度不僅受控于環(huán)境溫度、溫室保溫性能，更受控于光照條件，弱光寡照天氣導(dǎo)致的光脅迫常伴隨著低溫脅迫的發(fā)生。此外，與溫室氣溫相比，溫室作物根區(qū)溫度變化具有滯后性，在補(bǔ)光時(shí)需要考慮。溫室內(nèi)光環(huán)境的質(zhì)量和數(shù)量屬性瞬時(shí)間都在發(fā)生日變化和季節(jié)變化，如果采用恒定不變的補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行光環(huán)境調(diào)控是不適合的，難以取得很好的生物學(xué)效益。所以，溫室補(bǔ)光系統(tǒng)必須采用智能控制，充分考慮利用自然光條件，減少人工光的能耗，按需補(bǔ)光。溫室半導(dǎo)體照明可行性高，在無(wú)電力地區(qū)可采納光伏發(fā)電技術(shù)供LED 照明使用。
智能控制是指利用計(jì)算機(jī)、無(wú)線通訊數(shù)據(jù)傳輸、擴(kuò)頻電力載波通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能化信息處理及節(jié)能型電器控制等技術(shù)組成的分布式無(wú)線遙測(cè)、遙控、要尋控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的智能化控制。智能控制方式可分為兩類(lèi)，有線控制無(wú)線控制。當(dāng)前，溫室補(bǔ)光應(yīng)該采納基于傳感器和PLC 系統(tǒng)構(gòu)成的智能控制系統(tǒng)，而非基于WiFi 通訊和Zigbee 組網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，后者實(shí)際應(yīng)用的必要性尚遠(yuǎn)。智能控制除了光照配方智能控制外，更需要關(guān)注基于設(shè)施植物生產(chǎn)領(lǐng)域、植物的各生長(zhǎng)發(fā)育階段的形態(tài)、調(diào)控目標(biāo)和自然光資源利用的照明技術(shù)差異，應(yīng)因地制宜，因溫室類(lèi)型而變。
2、溫室植物半導(dǎo)體照明智能控制的內(nèi)涵
現(xiàn)代設(shè)施園藝必需發(fā)展實(shí)現(xiàn)光環(huán)境智能控制，營(yíng)造作物適宜的生長(zhǎng)條件，保證高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)。溫室植物半導(dǎo)體照明智能控制是指按照生產(chǎn)季節(jié)、設(shè)施類(lèi)型、作物種類(lèi)和生產(chǎn)優(yōu)先目標(biāo)主導(dǎo)的設(shè)施光環(huán)境時(shí)空變化和需求規(guī)律，以LED 光源為光源執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按照節(jié)能、高效的原則實(shí)施的光源動(dòng)作自動(dòng)化管理的運(yùn)行模式。溫室植物半導(dǎo)體照明智能控制是具有多維、多因素、多目標(biāo)的管理模式，具有豐富的內(nèi)涵，其核心要建立光環(huán)境調(diào)控的模型，按照模型實(shí)施智能控制。其內(nèi)涵之一，溫室植物半導(dǎo)體照明智能控制的內(nèi)容包括光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期及其耦合調(diào)節(jié)，對(duì)LED 光源性能有特殊的要求； 其內(nèi)涵之二，溫室植物半導(dǎo)體照明智能控制是時(shí)間和空間的雙尺度的耦合調(diào)控，既要考慮光環(huán)境的日變化，也要考慮季節(jié)變化和作物生長(zhǎng)變化，需要統(tǒng)籌安排；其內(nèi)涵之三，溫室植物半導(dǎo)體照明智能控制是與溫室其他環(huán)境要素、水肥要素耦合的控制過(guò)程，要做必要的交互設(shè)計(jì)； 其內(nèi)涵之四，溫室植物半導(dǎo)體照明智能控制是要充分利用自然光基礎(chǔ)上，最大程度地發(fā)揮人工光的效用，使自然光和人工光資源有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮疊加效應(yīng)和互補(bǔ)效用，而不是替代關(guān)系。
總之，光環(huán)境智能控制是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而且它僅是溫室智能控制較小的必要組分，如何將溫室補(bǔ)光智能控制合理、有機(jī)地嵌套到溫室智能控制系統(tǒng)中是發(fā)揮最大效能的關(guān)鍵。
