“靠天吃飯”的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)注定要被時(shí)代所拋棄。隨著機(jī)械化、信息化的推進(jìn)，智慧農(nóng)業(yè)逐漸成為現(xiàn)代化國(guó)家的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)主角。這一幕，也正在中國(guó)這個(gè)要養(yǎng)活14億人口的農(nóng)業(yè)大國(guó)中徐徐上演，業(yè)內(nèi)預(yù)估，2020年中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)市場(chǎng)將達(dá)268億美元。

提到智慧農(nóng)業(yè)，大家一定對(duì)如3S（遙感技術(shù)RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位GPS）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等不陌生，但今天，小艾要介紹的是ams新型光譜傳感器（如AS7265x），是如何控制LED照明系統(tǒng)，從而幫助垂直農(nóng)業(yè)和溫室作物提高產(chǎn)量的。

溫度特性

許多植物只在特定地區(qū)和時(shí)間生長(zhǎng)，這與植物對(duì)溫度和濕度的要求有關(guān)。另一重要因素就是光源，它會(huì)直接影響光合作用，從而影響植物生長(zhǎng)。

例如，有些研究發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)680nm的光照對(duì)番茄發(fā)芽期的生長(zhǎng)速度至關(guān)重要，但發(fā)芽后則影響不大。在生長(zhǎng)期，650nm光照可提高葉綠素a的含量。因此，植物生長(zhǎng)的每個(gè)階段（發(fā)芽、生長(zhǎng)和收獲）需要不同波長(zhǎng)的光照。

和番茄一樣，其他植物也需要特定的光譜特性來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng)和發(fā)生光合作用。光譜特性曲線包括光譜波長(zhǎng)范圍和照度。用于園藝的光譜主要波長(zhǎng)從400nm到700nm的可見(jiàn)光，峰值在紅色和藍(lán)色范圍中。但是，所有的植物都需要全光譜才能獲得最佳生長(zhǎng)，晝夜節(jié)律取決于每種植物的起源地光照條件。

由于同種類植物之間也存在差異，因此光照質(zhì)量會(huì)對(duì)特定植物的生長(zhǎng)和發(fā)育產(chǎn)生很大影響。監(jiān)測(cè)光源強(qiáng)度、光譜和晝夜節(jié)律可以確保提供最佳光照條件。

更優(yōu)質(zhì)的新型LED

LED已成為園藝照明設(shè)備的首選光源，但是LED也存在一定局限性，需控制電路才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的照明和最佳的植物生長(zhǎng)環(huán)境的光譜。使用光譜傳感器驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制的新型LED可以解決這些問(wèn)題。

與早期LED和傳統(tǒng)高壓納燈（HPS）光源相比，新型LED具備更出色、更豐富的光譜特性，效率更高、成本更低。而且，新型LED在園藝領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)于傳統(tǒng)HPS燈：功耗低、散熱小、使用壽命長(zhǎng)，這些特性為園藝市場(chǎng)開(kāi)辟了新的契機(jī)。

新型LED可以靠近植物，可以控制光強(qiáng)度和光譜特性，優(yōu)化植物的生長(zhǎng)條件。這樣做有兩個(gè)好處：一是種植者通過(guò)垂直層疊植物來(lái)增加溫室內(nèi)的植物密度（稱為垂直農(nóng)業(yè)）。二是種植者可以優(yōu)化溫室光照時(shí)間和光譜，加快植物生長(zhǎng)。

LED發(fā)射光譜的溫度特性

下圖顯示了使用紅色、綠色和藍(lán)色LED混合光源-光譜特性隨溫度變化而變化。水平軸表示波長(zhǎng)，垂直軸表示亮度。

圖：波長(zhǎng)和亮度與RGB-LED溫度的特性

上圖表明，紅色LED光譜特性受溫度變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于藍(lán)色LED。在5°C（41°F）至70°C（158°F）范圍內(nèi)，亮度降低近40%。

下圖是在正常環(huán)境溫度下，燈具的特性非常接近理想的黑體曲線或普朗克軌跡，但當(dāng)環(huán)境溫度上升到80°C時(shí)，其光譜與目標(biāo)值偏差很大。這是園藝照明系統(tǒng)所要關(guān)心的問(wèn)題。

圖：混合LED顏色漂移測(cè)量

如上所述，優(yōu)化植物的生長(zhǎng)條件，重點(diǎn)在于實(shí)際輸出光譜曲線，而非人眼感知的光的顏色。因此，人們需要了解LED光源的在不同溫度下的光譜特性，以便控制燈具的光譜特性和亮度。但是LED的使用過(guò)程一定不可避免的伴隨著LED老化現(xiàn)象。

LED老化效應(yīng)

LED的使用壽命通常定義為從全新到亮度下降為70%所需的時(shí)間。

圖：LED使用壽命老化過(guò)程

如圖所示，高功率RGB LED運(yùn)行前10000小時(shí)內(nèi)的亮度特性變化，其特性因制造商而異。一般情況，前5000小時(shí)內(nèi)的亮度損失在5%-15%。藍(lán)色LED的亮度衰減程度大于綠色和紅色LED。由于LED亮度隨時(shí)間推移而下降，因而需要定期更換，維護(hù)量大，成本增加。

如何降低LED維護(hù)成本？在此先賣個(gè)關(guān)子。我們來(lái)看一下如此復(fù)雜的LED照明，背后隱藏著什么秘密控制機(jī)制呢？

光學(xué)反饋系統(tǒng)

園藝照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行，往往需要根據(jù)時(shí)間和溫度調(diào)整輸出，以維持特定的色度和亮度。

一種方法是穩(wěn)定LED的電流和電壓；另一種方法是測(cè)量LED溫度，并將溫度值反饋到LED驅(qū)動(dòng)器以實(shí)現(xiàn)溫度控制。這種間接調(diào)節(jié)，依賴LED中磷材料的老化預(yù)測(cè)模型，同時(shí)還需要對(duì)燈具生產(chǎn)中使用的LED進(jìn)行分類處理。第三種方法是閉環(huán)調(diào)節(jié)。如下所示，該解決方案與無(wú)調(diào)節(jié)控制解決方案不同，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量光譜傳感器光譜特性曲線，并直接控制LED驅(qū)動(dòng)器或控制器以調(diào)節(jié)輸出，保障與指定目標(biāo)色度和亮度值匹配。

圖中為混合LED照度系統(tǒng)。該方法適用于任何LED光源，如RGB+白色、RGB白色+琥珀色以及具有四個(gè)或更多光譜LED的光源系統(tǒng)。

傳感器可通過(guò)多種方式采集光譜。一種是在燈具中加上光導(dǎo)板，從多個(gè)LED收集光線，并將混合光引導(dǎo)到傳感器。另一種是在燈具外部設(shè)計(jì)光譜傳感單元，與植物齊平，傳感單元即可檢測(cè)光源并作出反應(yīng)。在這種情況下，傳感單元也可以檢測(cè)到日光并對(duì)其做出反應(yīng)。

看到這兒，現(xiàn)在可以請(qǐng)出我們的秘密武器了。

AS7265x傳感器芯片組

其實(shí)，上述提到的閉環(huán)控制架構(gòu)需要，必須具備一個(gè)能夠以高分辨率測(cè)量燈具的多個(gè)Led發(fā)出光譜特性，否則就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

艾邁斯半導(dǎo)體推出的AS7265x芯片組可提供上述所需功，該芯片組由三個(gè)高度集成的六通道光譜傳感器組成，每個(gè)器件尺寸僅為4.5mmx4.4mmx2.5mm，采用LGA封裝，帶有光孔控制進(jìn)入傳感器陣列的光線。該系列器件通過(guò)納米光學(xué)沉積干擾濾光片技術(shù)將高斯濾波器集成到標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片中。

由于采用主從架構(gòu)，主機(jī)將三個(gè)傳感器IC視為獨(dú)立邏輯設(shè)備，簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。AS7265x中的智能集成將原始光測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的數(shù)字輸出，并通過(guò)I2C或UART接口傳送到微處理器。

AS7265-6526芯片組在出廠時(shí)已進(jìn)行校準(zhǔn)，在整個(gè)光譜頻譜中提供規(guī)范化的35個(gè)數(shù)//Wcm2，簡(jiǎn)化了算法開(kāi)發(fā)。高度穩(wěn)定性的濾波器，可實(shí)現(xiàn)“終身校準(zhǔn)”設(shè)計(jì)，降低了組件和制造成本，可適用于新的應(yīng)用領(lǐng)域，如園藝照明（見(jiàn)下圖）。

全新AS7265x芯片組件，憑借體積小、功耗低的優(yōu)勢(shì)，可以極大幫助照明制造商開(kāi)發(fā)出新型園藝照明系統(tǒng)。

此外，該系統(tǒng)能夠通過(guò)燈具或直接在植物上監(jiān)測(cè)植物照明系統(tǒng)的光譜曲線和亮度。由于加入光譜濾波器，AS7265x傳感器能夠監(jiān)測(cè)~400nm至~700nm的PAR（光合有效輻射）等參數(shù)，這是植物進(jìn)行光合作用的光頻率范圍。傳感器的光譜數(shù)據(jù)則可用于監(jiān)測(cè)LED的電光轉(zhuǎn)換率、電力輸入和光輸出功率比。

艾邁斯半導(dǎo)體內(nèi)部測(cè)試證實(shí)，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)校準(zhǔn)，AS7265x精度可接近于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的光譜儀~

圖：校準(zhǔn)后傳感器光譜值與光譜儀值（紅色–光譜儀，藍(lán)色–傳感器）

顯示光譜儀（紅色）和AS7265x傳感器（藍(lán)色）提供的測(cè)量值之間的差異。如果閉環(huán)控制方案僅測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)曲線的漂移，則通過(guò)工廠校準(zhǔn)可以測(cè)量相對(duì)值。

除監(jiān)測(cè)光譜LED的老化效應(yīng)和溫度漂移，AS7265x傳感器還可檢測(cè)日光影響。根據(jù)日光中存在的光波的亮度，調(diào)低LED光波的亮度。這樣可以節(jié)約更多能量和成本，同時(shí)保持最佳植物照明。

總體而言， 18通道光譜傳感器芯片組（AS7265x）實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制方法，有助于園藝照明制造商開(kāi)發(fā)有以下特點(diǎn)的全自動(dòng)照明系統(tǒng)：

o 自動(dòng)補(bǔ)償日光影響

o 自動(dòng)調(diào)整晝夜節(jié)律光照

o 自動(dòng)平衡LED使用壽命和溫度范圍內(nèi)偏移

使用AS7265x等光譜傳感器，園藝照明系統(tǒng)可維持長(zhǎng)久的高效性和穩(wěn)定性，發(fā)揮傳感器的創(chuàng)新功能，如自動(dòng)光譜特性平衡和生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，可大大幫助減少種植作物工作量。