CN102164475B

CN102164475B - 使用光谱输出进行植物新陈代谢控制的设备和方法

Info

Publication number: CN102164475B
Application number: CN200980137949.3A
Authority: CN
Inventors: 杰弗里·布克弗; 大卫·A·Ⅲ·希尔斯托姆
Original assignee: LEC LIGHT EMITTING COMPUTERS Ltd
Current assignee: Light Farm Computer Co
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2009-07-25
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2029-07-25
Also published as: CN102164475A; EP2348813A4; EP2348813A1; WO2010010540A1; US20110125296A1; HK1160352A1; CA2732086A1; US8738160B2; CA2732086C

Abstract

将高效LED的阵列或多个阵列配置在植物生命体附近，以按照多种促进光合作用的频率和功率输出来发射光能量。在分析感兴趣的植物的光合作用性质之后，选择特定的发光频率。所述LED是远程控制的，并且可以通过使用适用于此目的的GUI的手持设备来远程控制。将发射多种光合作用有用波长的多个LED阵列布置在一起。可以控制所述阵列发射黎明前和日落后的辉光。通过调节频率，所述阵列也可以用于抑制植物生长。

Description

使用光谱输出进行植物新陈代谢控制的设备和方法

本专利申请要求2008年7月25日递交到USPTO的临时专利申请#61083886的优先权。

技术领域

本发明涉及照明和辐射能量，更具体地涉及一种使用光谱输出进行植物新陈代谢控制的设备和方法。

背景技术

长期以来众所周知，适当的光照是促进健壮和健康的植物生长的关键因素。还已知的是可以实现优化的光谱输出以满足各种植物阶段期间的特定需求。已知的生长灯是非常能量密集的，并且适于递送高的流明输出。这些高强度弧光灯的瓦特范围是400W至1100W。在商用溶液栽培和园艺应用中，可能需要许多这种灯。因此，容易看出，在商业经营中这些类型灯的总能耗较大，并且因此比较昂贵。高强度灯所消耗的大量电能以热的形式浪费掉。随着能量成本的提高，需要降低生长灯的功耗而同时保持生长灯刺激所需植物生长的能力。还需要一种具有低能耗的设备，所述低能耗设备在植物可用的波长处产生光合有效辐射(PAR)。还需要一种能够经受住在温室环境中常见的湿度和气雾水滴的生长灯。还需要一种需要很少维护或不需要维护的灯。还需要一种具有相当长的折旧曲线和工作寿命的灯。

已知例如发光二极管(LED)之类的其他光源能够产生具有相对较小功耗的有用PAR，实质上不产生热并且具有非常长的寿命。因此，例如LED之类的这些其他光源可以适于用作生长灯以为高强度灯的高功耗提供一种解决方案。

当前的高强度生长灯的另一个缺点是这些高强度生长灯通过以下方式来产生光：在阳极和阴极之间的开路电流进行电弧处理，以将高压气体加热到受激黑体辐射的状态。这实质上是与自电炉元件发热的基本原理相同的基本原理，不同之处在于电流安全地位于加热元件以内。问题在于，在弧光灯中释放的大多数功率是以方向杂乱的光子的形式发射的。另外，所释放的能量大量地落在对于植物生长刺激无用的光谱波段内。实际上，有证据表明这种***发射的光功率对于常年收割中并没有直接涉及的植物生长阶段而言可能是有害的。

在研究中发现，光合作用并非是植物对光的唯一用途。尽管植物确实从光合作用中得到了它们的主要工作能量源，然而应清楚，光谱的许多部分用于多方面的环境讯号通知。例如，与其他生物的阳光竞争、恒星周期和季节周期的时间信号、大气温度、云层的存在与否只是植物或(其他形式的)生命所读取和理解的光度测定环境信号的一部分。

有此可以看出，LED对于为各种形式的已有天然植物模仿这些环境信号将是有用的，并且实际上对于向遗传上改良的生命形式(包括但是不局限于植物)发送专门预编程的信号是有用的。

实现这种原理的另一种有用示例是，能够连续地改变向光性辐射的多个波段的功率输出。将最大功率放置在提供光合作用的那些波段。这些波段是450nm-470nm和640nm-670nm。然而，已经增加了其他切口光谱波段用于诸如日/夜周期(730nm)、季节周期(600nm)和竞争信号(525nm)之类的这些环境信号。在紫外范围内存在感兴趣的其他切口光谱波段，紫外范围是位于360nm-410nm之间的紫外环境信号。这些信号可以触发植物生命中的苛刻条件准备。

本发明的一个优点是，可以在自动装配期间，改变在本发明的发光计算机(LEC)的具体制造中设定的任意波长或所有波长，而无需暂停构建过程。当研究发现对于任意形式的生命、生物化学过程或者无机过程有影响的新的光谱功率波段时，可以将LEC制造为提供影响或者驱动多个(在本发明的一个实施例中最多达到6个)光谱专用向光性过程在时间和等级上所必需的功率，这些光谱专用向光性过程可以随时间接续地进行或并行地进行。

本发明的LEC设计用于向板上嵌入式计算机的用户编程***或图形用户界面(GUI)提供应用程序接口(API)。这允许写入多个程序以在LEC上执行。这些程序将在一定的向光性波长范围上，对特定的发射器提供连续可变的功率控制，以为植物生命提供能量并且影响来自植物生命的特定响应。

在本发明的一个实施例中，所述设备用于利用更大的农业社区来实现向光性形态形成管理***(PMMS)方法，以为无限种类的植物生长结构开拓所有形式的向光性信令和光合作用控制。将PMMS与本发明一起使用将使得扩大在作为人类最大和最古老的农业社区之一的农业社区中的知识范围。因此，本发明非常适于建立开源社区，在所述开源社区内，可以以PMMS程序的形式来实现、共享和交换对植物和其他形式生命的向光性影响和优化的新的认知，其中PMMS程序被创建为适用于本发明的各个实施例。

这样产生了在LEC的结构内运行用户的PMMS软件的知识产权的整个范围，所述用户可以以新的独立且高度专用的方式来实现PMMS软件的新示例，以影响具体的植物按照具体的方式生长，所述用户然后可以使用群落在更大LED的范围之内交易或者共享新的PMMS程序。

发明内容

本发明包括以下主要组件：前端GUI、上述PMMS和LEC。

所述GUI允许使用所有当前使用的操作***来对本发明进行编程。GUI也适用于手持数字设备。

所述PMMS(“向光性形态形成管理***”)是用于驱动本发明的应用程序软件。

LEC是“发光计算机”，所述LEC发射合适类型、强度和频率的光合作用光。

所述设备是一种智能设备，所述智能设备可以联网成更大的串行或并行阵列，所述阵列具有单独的主控制器。其他设备而可以设计为放置到所述网络中或者与所述网络交，例如环境传感器、控制器或者安全设备。这样，LEC网络和客户侧计算机可以配置用于自动化和维持大型设备。可以使用便携手持设备远程地实现客户端控制。

本发明的两种非常适用的应用包括Aquaponics以及高风险耕作(High Rise Farming)，Aquaponics是一种组合的内陆式鱼和水栽培农场，高风险耕作包括现有摩天大楼的城市转化和基于高密度垂直农场实现方式的新架构。

接下来是本发明的一些可能配制的示例：

在本发明的一个实施例中，发射150瓦特的光合活性辐射。该实施例包括微光恒星周期光敏色素控制器和光合作用促进***。

在本发明的另一个实施例中，发射385瓦特的光合活性辐射。该实施例包括联网装置，所述联网装置用于最多达到31×31个单元的网格。

在本发明的另一个实施例中，存在单独的4瓦特单个植物照明器，所述4瓦特单个植物照明器在以下四个光谱功率波段内具有全光谱控制和连续功率变化：470nm、525nm、668nm和730nm，所述4瓦特单个植物照明器使用并实现PPF-RGB-LED，其中，在最多达到31×31单元的阵列中，实现板上物理控制和串行API。

在本发明的另一个实施例中，存在更大的12瓦特单个植物照明器，所述12瓦特单个植物照明器在以下四个光谱功率波段内具有全光谱控制和连续功率变化：470nm、525nm、668nm和730nm，其中，在最多达到31×31单元的阵列中，实现板上物理控制和串行API。

在本发明的另一个实施例中，存在13瓦特单个植物照明器，所述13瓦特单个植物照明器在以下四个光谱功率波段内具有全光谱控制和连续功率变化：470nm、525nm、668nm和730nm，所述13瓦特单个植物照明器使用并再次实现PPF-RGB-LED，其中，在最多达到31×31单元的阵列中，实现板上物理控制和串行API。

在本发明的另一个实施例中，存在585瓦特的发射器设计，所述发射器是完全可编程的，并且在6个光谱功率波段上具有完全可变的功率输出。该实施例可以是完全网络化的。

在本发明的另一个实施例中，发射器可以被选择为抑制植物生长。抑制植物生长的波长在600nm和610nm之间。存在可以应用这种植物生长抑制LED阵列的多种应用，例如使街道灯光抑制其周围的植物生长，同时发射可见的黄色-橙色光。

用于更大规模气栽法应用的最高达到10,000瓦特的模块化实施例是可能的。

因此，本发明解决了上述传统技术的缺点和不足通过，本发明是一种使用光谱输出来进行植物新城代谢控制的设备，包括：具有促进光合作用的光谱发射的光源阵列；用于按照可编程方式控制光谱发射的装置，该装置与所述阵列操作地相连；以及电源，与所述阵列以及用于控制光谱发射的所述装置操作地相连。

为了促进植物生长，阵列不包含已知对植物生长有害的任何光谱发射源，例如UV-b和UV-c。所述阵列不具有超出设计范围的任何已知电磁发射。然而在本发明的其他实施例中，例如对于诸如杂草控制应用之类的不希望植物生长的控制的应用，阵列可以具有包含抑制植物生长的光谱发射的光源。这种应用的一个较好的示例是，在高速公路上安装发光阵列，所述发光阵列具有阻止路肩上植物生长而同时提供适当水平的交通用光的光谱发射。

在本发明的其他实施例中，发光阵列具有适于特定工业用途的光谱发射，例如固化涂料、墨水或粘合剂。其他实施例可以具有对所制造的零件的非破坏性测试起到辅助作用的光谱发射。

在本发明的一个实施例中，光源阵列包括：由多个相同的光源组成的第一光源组，具有第一光谱发射；由多个相同的光源组成的第二光源组，具有第二光谱发射；以及由多个相同的光源组成的第三光源组，具有第三光谱发射。

在本发明的其他实施例中，可以存在附加的光源组，所述附加的光源组具有其他的光谱发射特性，以适应上述应用中的一些应用。任意植物的光合作用特性可以用于设计具有光源阵列的生长灯，所述光源阵列具有促进光合作用的特性并且缺乏抑制生长的光谱发射。

在本发明的一个实施例中，所述第一光源组、第二光源组和第三光源组分布在所述阵列的相应的第一表面区域、第二表面区域和第三表面区域，其中第一表面区域、第二表面区域和第三表面区域互不相同。

在本发明的另一个实施例中，实施例第一光源组、第二光源组和第三光源组被混合为分布在阵列的整个表面。再次地，利用感兴趣植物的光合作用特性来确定阵列上光源的布置，以实现光合作用以及所需的其他向光性新陈代谢功能的优化仿真或抑制。

在本发明的一个实施例中，将光源阵列固定到电路板。在本发明的另一个实施例中，所述第一光谱发射、第二光谱发射和第三光谱发射处于相应的第一光合作用促进波长、第二光合作用促进波长和第三光合作用促进波长。在本发明的其他实施例中，可以存在促进特定植物生长但是抑制其他植物生长的光源的组合。

所述控制装置包括可编程微控制器(具有内部电池备用时钟)，所述可编程微控制器适于向所述光源阵列发送命令。对于每个特定的光源组，所述命令包括最高达到36kHz的开启命令和关断命令，提供了功能强度控制以及“开启”和“关断”控制信号。这些阵列可以被编程为适应对感兴趣的植物中的光合作用和其他向光性新陈代谢功能进行优化所需的任意发光条件。

所述命令也可以包括前辉命令和余辉命令以仿真黎明和日落。在其他实施例中，所述命令可以包括在不期望的植物的生长周期的特定和脆弱状态下抑制这些植物的生长的命令。在操作时，所述可编程控制器适于命令光源阵列在预定的时间段在促进光合作用的能量范围之内发射预定波长的能量。

在本发明的一个实施例中所述电源是AC电源，而在本发明的另一个实施例中所述电源是DC电源。

本发明也包括使用光谱输出的植物新陈代谢控制方法，包括以下步骤：

a.确定感兴趣植物的光合作用性质；

b.制造光源阵列，所述光源阵列包括所需的光源组，所述光源组具有6个所需的光谱发射，这些光谱发射具有不同的最大功率可能，并且与感兴趣植物的光合作用特性和其他向光性特性兼容；

c.将所述感兴趣的植物放置在靠近所述光源阵列的所需位置；以及

d.将可编程微控制器与所述光源阵列操作地相连，其中所述可编程微控制器适于向所需的光源组发送命令，使得所述所需的光源组在所需的时间段内在所需的时刻以所需的强度发射所需的光谱发射。

该方法还可以包括对黎明前辉光进行仿真的步骤。该方法还可以包括对日落后辉光进行仿真的步骤。该方法还可以包括以所需的强度按照所需的时间间隔选通特定的光源组以在植物或其他光敏***上实现不同向光性效果的步骤。

附图说明

图1是本发明第一实施例的示意图。

图2是第一实施例的红光LED阵列的示意图。

图3是第一实施例的蓝光LED阵列的示意图。

图4是第一实施例的绿光LED阵列的示意图。

图5是第一实施例的黄光LED阵列的示意图。

图6是第一实施例的深红色#1LED阵列的示意图。

图7是第一实施例的深红色#2LED阵列的示意图。

图8是第一实施例的深红色#3LED阵列的示意图。

图9是第一实施例的深红色#4LED阵列的示意图。

图10是第一实施例的可选阵列的示意图。

图11是本发明第二实施例的示意图。

图12是第二实施例的730nm阵列的示意图。

图13是第二实施例的660nm阵列的示意图。

图14是第二实施例的610nm阵列的示意图。

图15是第二实施例的530nm阵列的示意图。

图16是第二实施例的450nm阵列的示意图。

图17是第二实施例的430nm阵列的示意图。

图18是本发明的第三实施例的示意图。

图19是用于第三实施例的通信选项的示意图。

图20是用于第三实施例的开关选项的示意图。

图21是本发明的第四实施例的示意图。

图22是用于第四实施例的通信选项的示意图。

图23是用于本发明的第四实施例的开关选项的示意图。

具体实施方式

本发明的目的是在植物中的光敏生化活动的层面上，具体地在光形态发生作用和光合作用的层面上，改进农业技术，但是本发明不局限于这些正面应用。具体地，本发明适于：以可编程且受控的方式发射电磁光谱的向光活性部分，其中，通过幅度和时域调制，该向光活性部分将与相关新城代谢过程同步且一致，以控制目标植物。

本发明包括使用诸如LED之类光源的光谱输出来进行植物新陈代谢控制的设备和方法。除了低功耗、低热量输出以及极长使用寿命这些在LED照明工业中常见的优点之外，使用数控量子机械光源(例如LED)而不是高强度生长灯还提供了以下优点：通过利用诸如选择性光谱波长输出之类的LED光谱特性，尤其是通过无限小地控制植物暴露到特定光谱波长下的特定级别能量的不同时间范围，进一步改进了现有技术。

可以以所需波长的任意组合来配置光源发射器，以适应在繁殖、生长以及结果/开花阶段所需要的特定植物光合作用和其他向光性新陈代谢功能。可选地，所述光源发射器可以配置用于抑制不需要的植物的植物生长，以及诸如固化颜料或粘合剂之类的其他工业应用。同样，所述发射器可以朝向任意方向并且靠近所述植物，但不会通过废热灼伤植物。本发明的发射器是计算机控制的。同样，本发明发射器与生长灯现有技术相比具有显著的进步。现有技术的生长灯不能够精确地仿真植物随日出和日落而在黎明(前辉)或黄昏(余辉)接收到的光类型。在生长灯中对这种类型的光进行仿真的能力对于植物生长具有正面效果，并且提高了控制植物新陈代谢的能力。本发明的计算机控制光谱发射的其他优点包括：强制开花、控制节间距离、发起生长衰退和促使生根的能力。

在本发明的仅是示意性的一个实施例中，存在包括LED阵列的光源，所述LED阵列包括：100个735nm、120mW的5mm通孔LED，900个660nm、100mW的5mm通孔LED，1个MCPCB星形安装的1W 660nmLED，35个MCPCB-星形安装的1W 640nmLED，4个MCPCB-星形安装的1W 610nmLED，4个MCPCB星形安装的3W 530nmLED，以及6个MCPCB-星形安装的3W 450nmLED。这些LED都是计算机控制的，并且安装到电路板上。

在本发明的另一个实施例中，存在一种电路板，该组装有多个LED，以形成具有207×730nm 180mW SMD-PICC2 LED、2880×660nm 60mWSMD-0603 LED、3×610nm 3W SMD-Luxeon LED、3×530nm 3W SMD luxeonLED和390×430nm 150mW SMD0805 LED的生长灯。根据这些LED的光谱频率和电学性质将这些LED分成组。所述LED是计算机控制的，并且因此可以关断或者开启不同的组，即不同的光谱频率(或者频率范围)。将微控制器放置到灯板上，所述灯板用于根据软件实现的调度方案来开启/关断不同的组，用户利用板上的跳线或者通过与其他设备的通信信道来控制所述软件，其中所述其他设备发送供板上计算机执行的命令。

在本发明的另一个实施例中，可以通过改变流过任意子组的电流来改变每一个不同频率组的输出功率。目前使用板外的并且通过缆线与所述灯阵列相连的24V 500+W电源。那么针对安置在所述电路板上的每一个子组，具有限流电路，以控制通过不同光源组的电流。所述微控制器通过对提供给所述模块的功率进行开关控制，来在不同的时刻开启和关断不同的组。继电器用于开关。在本发明的另一个实施例中，存在具有内置开关功能的可变输出电流控制。

所述光源阵列可以被编程用于植物学研究和农业生产技术领域中的多种用途。

所述光源阵列可以包括多种波长和强度的“混合”。例如，一个阵列可以包括：

730nm的5W

660nm的30W

645nm的10W

530nm的10W

470nm的20W

光源阵列可以被编程为以不同的频率、强度和周期选通。

在本发明的另一个示例中，可以使用如下比例的LED：

19％ 430nm

17％ 450nm

2％ 530nm

2％ 610nm

50％ 660nm

10％ 730nm

这种LED阵列可以由恒定功率供电，并且可编程用于多种光通/断周期，例如6/18、12/12和18/6。对于每个周期，在关断光之后的大约一小时内，还存在730nm的余辉。

本发明的另一个实施例使用光源阵列，所述光源阵列包括：在360nm至410nm、450nm至470nm、520nm至530nm、590nm至615nm、640nm至670nm和720nm至890nm范围内的发射，使用专用控制器操作每一个波长。然后将微处理器用于调节所暴露的成熟植物所需要的发射光的量。因为将所述光源放置到大尺寸阵列上，例如40cm×40cm，需要确保所暴露的植物接收正确波长处的适当量的能量。为此目的，所述光源可以配备全息薄膜菲涅耳透镜，所述全息薄膜菲涅耳透镜将光折射到植物。发射器越靠近植物，折射角越大。在本发明的一个实施例中，使用具有全息薄膜菲涅耳透镜的发射器，在140°的范围内产生辐射弧。

本发明的第一实施例。

现在参考图1至图10来说明本发明的第一示例。在图1中示出了对于本发明一个实施例示意性顶视图。本发明包括：控制器10，与多个LED阵列电连接，所述LED阵列包括红色14、蓝色16、绿色18、黄色20、深红色1 22、深红色2 24、深红色3 26和深红色4 28。所述电路允许添加可选的阵列30。可以使得所述LED阵列最高可以选通至39KHz的频率。

图2示出了包括功率连接32和9×8 LED阵列34的红光电路14。

图3示出了包括功率连接32和9×12 LED阵列38的蓝光电路16。

图4示出了包括功率连接40和6×3 LED阵列42的绿光电路18。

图5示出了包括功率连接46和2×8 LED阵列48的黄光电路20。

图6示出了包括功率连接50和11×6 LED阵列52的深红光电路#122。

图7示出了包括功率连接54和11×6 LED阵列56的深红光电路#224。

图8示出了包括功率连接58和11×6 LED阵列60的深红光电路#326。

图9示出了包括功率连接62和11×6 LED阵列64的深红光电路#428。

图10示出了包括功率连接66和1×9 LED阵列68的可选电路30。

本发明的第二实施例

现在参考图11至图12示出了本发明的第二实施例。

图11示出了本发明一个实施例的控制示意图。

图12示出了包括9×10波长730nm LED的网格阵列的电路。

图13示出了包括9×10波长660nm LED的网格阵列的电路。

图14示出了包括1×3波长610nm LED的网格阵列的电路。

图15示出了包括1×3波长530nm LED的网格阵列的电路。

图16示出了包括5×4波长450nm LED的网格阵列的电路。

图17示出了包括5×10波长430nm LED的网格阵列的电路。

本发明的第三实施例

现在参考图18示出了本发明的第三实施例。该实施例包括控制器，用于控制4×3波长740nm LED的两个网格阵列。

图19示出了用于该示例的通信选项，从而可以遥控所述LED阵列。

图20示出了用于本发明该示例的电路图。

图21示出了本发明第四示例的电路图，包括8个730nmLED的阵列。

图22示出了用于图21所示实施例的通信选项。

图23示出了用于图21所示实施例的开关选项。

Claims

1.一种使用光谱输出对生命形态进行新陈代谢控制的设备，包括：至少一个光源阵列，按照波长范围将所述光源阵列中的光源分组为预定数目的光源组，其中，

a.所述多个波长范围中的每一个是在第一波长和第二波长之间可调节的；

b.所述多个波长范围中的每一个具有促进光合作用的光谱发射；

c.通过改变流经与所述多个波长范围中的每一个相对应的光源组的电流来调节相应光源组的输出功率；

d.所述设备还包括远程可编程微控制器，用于按照所需方式控制所述光谱发射，与所述阵列操作地相连；

e.所述设备还包括：软件程序，用于驱动所述微控制器；存储器，用于存储所述软件程序；电源，与所述阵列操作地相连；以及图形用户界面，用于操作者向所述设备进行输入；并且

f.所述微控制器适于向所述至少一个光源阵列发送照明命令，其中对于每一个特定的光源组，所述照明命令包括开启命令、关断命令、强度命令、选通命令、前辉命令和余辉命令，以模仿以下环境信号中的一个或多个：日／夜周期、季节周期、竞争信号和苛刻条件准备。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个波长包括至少六个波长。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少六个波长包括以下波长：360nm至410nm；450nm至470nm；520nm至530nm；590nm至615nm；640nm至670nm；以及720nm至890nm。

4.根据权利要求1所述的设备，所述至少一个光源阵列的光源包括产生140°辐射弧的全息薄膜菲涅耳透镜。