“靠天吃飯”的傳統(tǒng)農業(yè)注定要被時代所拋棄。隨著機械化、信息化的推進，智慧農業(yè)逐漸成為現(xiàn)代化國家的經(jīng)濟市場主角。這一幕，也正在中國這個要養(yǎng)活14億人口的農業(yè)大國中徐徐上演，業(yè)內預估，2020年中國智慧農業(yè)市場將達268億美元。

提到智慧農業(yè)，大家一定對如3S（遙感技術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)，從而幫助垂直農業(yè)和溫室作物提高產量的。

溫度特性

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

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

和番茄一樣，其他植物也需要特定的光譜特性來促進生長和發(fā)生光合作用。光譜特性曲線包括光譜波長范圍和照度。用于園藝的光譜主要波長從400nm到700nm的可見光，峰值在紅色和藍色范圍中。但是，所有的植物都需要全光譜才能獲得最佳生長，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，因此光照質量會對特定植物的生長和發(fā)育產生很大影響。監(jiān)測光源強度、光譜和晝夜節(jié)律可以確保提供最佳光照條件。

更優(yōu)質的新型LED

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

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在園藝領域的應用優(yōu)于傳統(tǒng)HPS燈：功耗低、散熱小、使用壽命長，這些特性為園藝市場開辟了新的契機。

新型LED可以靠近植物，可以控制光強度和光譜特性，優(yōu)化植物的生長條件。這樣做有兩個好處：一是種植者通過垂直層疊植物來增加溫室內的植物密度（稱為垂直農業(yè)）。二是種植者可以優(yōu)化溫室光照時間和光譜，加快植物生長。

LED發(fā)射光譜的溫度特性

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

圖：波長和亮度與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遠大于藍色LED。在5°C（41°F）至70°C（158°F）范圍內，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，但當環(huán)境溫度上升到80°C時，其光譜與目標值偏差很大。這是園藝照明系統(tǒng)所要關心的問題。

圖：混合LED顏色漂移測量

如上所述，優(yōu)化植物的生長條件，重點在于實際輸出光譜曲線，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的使用過程一定不可避免的伴隨著LED老化現(xiàn)象。

LED老化效應

LED的使用壽命通常定義為從全新到亮度下降為70%所需的時間。

圖：LED使用壽命老化過程

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

如何降低LED維護成本？在此先賣個關子。我們來看一下如此復雜的LED照明，背后隱藏著什么秘密控制機制呢？

光學反饋系統(tǒng)

園藝照明系統(tǒng)的正常運行，往往需要根據(jù)時間和溫度調整輸出，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；另一種方法是測量LED溫度，并將溫度值反饋到LED驅動器以實現(xiàn)溫度控制。這種間接調節(jié)，依賴LED中磷材料的老化預測模型，同時還需要對燈具生產中使用的LED進行分類處理。第三種方法是閉環(huán)調節(jié)。如下所示，該解決方案與無調節(jié)控制解決方案不同，通過實時測量光譜傳感器光譜特性曲線，并直接控制LED驅動器或控制器以調節(jié)輸出，保障與指定目標色度和亮度值匹配。

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或更多光譜LED的光源系統(tǒng)。

傳感器可通過多種方式采集光譜。一種是在燈具中加上光導板，從多個LED收集光線，并將混合光引導到傳感器。另一種是在燈具外部設計光譜傳感單元，與植物齊平，傳感單元即可檢測光源并作出反應。在這種情況下，傳感單元也可以檢測到日光并對其做出反應。

看到這兒，現(xiàn)在可以請出我們的秘密武器了。

AS7265x傳感器芯片組

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

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

由于采用主從架構，主機將三個傳感器IC視為獨立邏輯設備，簡化系統(tǒng)集成并縮短開發(fā)時間。AS7265x中的智能集成將原始光測量結果轉換為經(jīng)過校準的數(shù)字輸出，并通過I2C或UART接口傳送到微處理器。

AS7265-6526芯片組在出廠時已進行校準，在整個光譜頻譜中提供規(guī)范化的35個數(shù)//Wcm2，簡化了算法開發(fā)。高度穩(wěn)定性的濾波器，可實現(xiàn)“終身校準”設計，降低了組件和制造成本，可適用于新的應用領域，如園藝照明（見下圖）。

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

此外，該系統(tǒng)能夠通過燈具或直接在植物上監(jiān)測植物照明系統(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~400nm至~700nm的PAR（光合有效輻射）等參數(shù)，這是植物進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LED的電光轉換率、電力輸入和光輸出功率比。

艾邁斯半導體內部測試證實，對照明系統(tǒng)進行適當校準，AS7265x精度可接近于實驗室級別的光譜儀~

圖：校準后傳感器光譜值與光譜儀值（紅色–光譜儀，藍色–傳感器）

顯示光譜儀（紅色）和AS7265x傳感器（藍色）提供的測量值之間的差異。如果閉環(huán)控制方案僅測量標準曲線的漂移，則通過工廠校準可以測量相對值。

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

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

o 自動補償日光影響

o 自動調整晝夜節(jié)律光照

o 自動平衡LED使用壽命和溫度范圍內偏移

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