CN102318522A

CN102318522A - 一种光源自动移行的温室间歇性补光***

Info

Publication number: CN102318522A
Application number: CN201110226107A
Authority: CN
Inventors: 徐志刚
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种光源自动移行的温室间歇性补光***，属于一种农业设备。该补光***包括水平设于温室内的导向梁和传动装置，以及悬吊于导向梁并通过行走轮移动的电光源装置；传动装置包括电机、两个滑轮，以及设于两个滑轮之间并与电光源装置相连的传动索；导向梁两端设有传感器；传感器、电机分别与微处理器通信连接。本发明保证温室植物的绿色、安全生产，并提供适于植物需求的移动式间歇性补光***，而且在不需要补光的时候可将电光源移动到北坡屋面下避免对植物遮光；本发明操作灵活，控制方便；***结构简洁，便于拆卸、移动和组装，适用于不同地域、不同植物、不同温室类型的植物种植。

Description

一种光源自动移行的温室间歇性补光***

技术领域

本发明涉及一种农业设备，具体地说涉及一种光源自动移行的温室间歇性补光***。

背景技术

光不仅提供高等植物光合作用所需的能量，同时也是调节植物光形态建成、光周期反应以及调节内在生物钟节律等植物重要生命活动的信号。近年来，温室栽培发展迅速，植物生长的光环境调控已经引起广泛重视。在南方长江流域地区，从每年的11月份到春节前的这段时间是温室植物生长发育的关键时期，但是这个时段也正是该地区连续阴雨寡照频发的时段，一般每年都会发生2～4次的连续阴雨寡照天气，每次持续的时间一般在10～15天，甚至达到20天以上，导致光照持续不足，对温室植物造成严重影响。光照持续不足也是北方地区冬季温室植物生产的主要制约因素。北方地区冬季寒冷，晚间保温是北方温室的首要问题，实际生产中，一般在下午4点钟就必须加盖草帘，至次日上午9点钟以后才揭开草帘，这直接导致光照时数的缩短，每天光照仅有6h左右，不能满足植物光合生长对光照时数的需求。为克服自然光照不足引起的问题和障碍，减少损失，温室种植者主要依赖于激素和农药等化学药品的投入，但由此所造成的农产品品质下降和食品安全问题引起人们的关注和不安。因此，合理、科学地进行人工补光在温室植物生长过程中显得尤为重要。

现有研究表明，对植物采用间歇性补光可促进植物生长，花芽分化，并提高了光合作用效率。因为在自然界中，植物接收光照并不是持续的，光照强度按不同时间也有相应的变化，所以在当今生产过程中，固定式、恒强度的补光并不是一种理想的、适宜植物本身生物学规律的方法。

目前，采用电光源补光是温室设施现代栽培的最新发展方向，但现有的补光***都为传统的固定式，即将电光源固定地安装在温室的上部对植物实施补光，这种做法其实并不能满足植物对补光照明的生理和节律需求。

关于植物生长补光装置的专利申请较多，如中国专利“具有大功率发光二极管光源的植物生长控制装置”(申请号：200410051074.4)公开了一种以适宜波长的大功率LED为光源、可监控环境温度的植物生长控制装置；又如美国专利“Lighting apparatus capable of adjusting light quality，duty ratio and frequency in aplant growth chamber using light emitting diodes”(申请日：2011-04-13；公开号：US20010047618)公开了一种基于红、蓝LED光源的可调光密度的多层架植物生长装置；中国专利“植物栽培方法、栽培设备和它的照明设备”(申请号：CN01814349.0)公开了一种由栽培盆、栽培盆传送设备以及位于传送设备上方的LED照明设备构成的植物栽培装置，但该专利强调的是装置的结构及使用材料，并未针对大棚植物的补光需求进行相应说明。以上对比文件将LED创造性的应用于植物栽培装置，但仍然以固定式电光源进行补光，成本投入高，能源消耗高，也未涉及满足植物对光照的间隙性和可变性的调控需求。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种光源自动移行的温室间歇性补光***，在节省成本和能耗的同时，满足大棚内植物对光照的需求。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种光源自动移行的温室间歇性补光***包括水平设于温室内的导向梁和传动装置，以及悬吊于导向梁并通过行走轮移动的电光源装置；所述传动装置包括电机、两个滑轮，以及设于两个滑轮之间并与电光源装置相连的传动索；所述导向梁两端设有传感器；所述传感器、电机分别与微处理器通信连接，所述微处理器用于确定当前状态并控制电机传动电光源装置步进往返进行补光。

所述导向梁为设有凹槽的轨道，所述行走轮设于凹槽内通过悬挂杆与电光源装置连接。作为本发明的进一步优化，所述行走轮有两个，分别设置悬吊到电光源装置的前面和后面；所述两个行走轮各通过两根悬挂杆与电光源装置连接，这样可使悬挂着的电光源装置具有较好的稳定性。其中，所述悬挂杆可拉伸，从而调节电光源装置的高度以适应植物生长高度的变化。

作为本发明的替代方案，所述导向梁为一根导向索或一根导向杆，所述行走轮设有凹面，安装在导向索或导向杆上运动。

所述电光源装置为金卤灯、荧光灯、钠灯、LED植物生长灯的一种或多种，其中，LED植物生长灯包括红、蓝LED植物生长灯。

所述传感器用于感测导向梁两端的极限位置，并向控制器发出信号。

所述电机为伺服电机，在微处理器的控制下控制滑轮以不同角速度旋转，从而带动两个滑轮之间的传动索，传动索与电光源装置连接，使电光源装置移动，而电光源装置通过行走轮悬挂在导向梁下可减小移动阻力，增加***灵敏度。

作为本发明的替代方案，所述滑轮为槽轮，所述传动索为传动钢缆。

本发明提供的一种光源自动移行的温室间歇性补光***通过电机带动电光源装置移动进行补光，通过设于导向梁两端的传感器反馈电光源装置的位移，当电光源装置移动一端时，处于电光源装置一端的传感器向微处理器发出信号，微处理器再向电机发出反转信号，从而使电光源装置在导向梁上步进往返平移，实现对植物的间歇性、节律性补光。当不需要补光时，电光源装置在电机传动下移动到温室北坡屋面下，避免对植物遮光。这种补光方案极大节省了能量和资源的耗费，并更有利于植物生长。

所述微处理器执行如下步骤：

(1)保存输入的工作参数；

(2)调用保存的工作参数和***状态并显示；

(3)采集传感器发出的位置信号，并调用工作参数一起换算为控制参数θ；

(4)控制电机以一定的频率输出控制参数θ。

其中，θ的单位为弧度，即伺服电机每次脉冲转动的角度。通过变频器调节脉冲频率即可实现对伺服电机速度的控制。当电光源装置移动到两端时，微处理器采集到传感器发出的信号使电机反转，即可实现电光源装置的往返补光。

所述控制参数

θ = \frac{- (2 Rω T_{1} + Rω T_{2} - 2 L) + \sqrt{{(2 Rω T_{1} + Rω T_{2} - 2 L)}^{2} + 8 RωL T_{1}}}{4 R};

其中，T₁和T₂为补光节律参数，单位为秒，T₁表示某一工位的补光时间，T₂表示该工位的非补光时间，T₁＜T₂；L为电光源总行程，单位为米；R为滑轮半径，单位为米；ω为电机角速度，单位为弧度/秒。

本发明还包括键盘、显示器，与微处理器通信连接，键盘用于向微处理器输入工作参数，显示器用于显示微处理器中保存的工作参数和***状态。

由于微处理器的输出信号为弱信号，作为本发明的进一步优化，本发明还包括继电器和交流接触器，继电器控制交流接触器通断，再由交流接触器控制电机的通断和转向。

作为本发明的进一步优化，本发明还包括若干个电光源装置，每个电光源装置搭配一根导向梁、两个滑轮、一根传动索，对应一行温室中的植物，实现对整个大棚内植物的补光。

有益效果：本发明提供了一种低成本的自动化补光***，保证温室植物的绿色、安全生产，并提供适于植物需求的移动式间歇性补光***，而且在不需要补光的时候可将电光源移动到北坡屋面下避免对植物遮光；本发明可根据不同植物、植物不同生长期调节光照强度和控制参数，操作灵活，控制方便，以获得最大补光效果；整个***结构简洁，便于拆卸、移动和组装，适用于不同地域、不同植物、不同温室类型的植物种植。

附图说明

图1是本发明的***结构图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明行走轮和电光源装置的局部结构示意图；

图4是微处理器处理的流程框图。

具体实施方式

实施例

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

结合图1、图2、图3所示，在温室1的两端安装有导向梁2和传动装置，固定在大棚1的骨架上，传动装置由伺服电机5、两个滑轮6、传动索7组成，两个滑轮6通过滑轮轴13安装在温室1两端，滑轮6之间设有传动索7。导向梁2为设有凹槽的轨道，凹槽内设有两个行走轮3，两个行走轮3的滚轮轴11通过可伸缩悬挂杆10将电光源装置4悬挂于下方，同时电光源装置4前后还通过两根连接杆12与传动索7连接。电光源装置4设有6盏单灯功率250W的金卤灯。在导向梁2两端设有传感器8，传感器8、伺服电机5分别与微处理器9通信连接，所述微处理器9用于确定当前状态并控制伺服电机5传动电光源装置4进行补光。微处理器9采用STM32F103Cortex-M3芯片，并在线路中添加继电器和交流接触器控制通断。

如图4所示，微处理器执行如下步骤：

(1)***初始化；

(2)保存输入的工作参数；

(3)调用保存的工作参数和***状态并显示；

(4)采集传感器发出的位置信号，并调用工作参数一起换算为控制参数θ；

(5)控制电机以一定的频率输出控制参数θ。

当电光源装置移动到两端时，微处理器采集到传感器发出的信号使电机反转。

其中，控制参数

θ = \frac{- (2 Rω T_{1} + Rω T_{2} - 2 L) + \sqrt{{(2 Rω T_{1} + Rω T_{2} - 2 L)}^{2} + 8 RωL T_{1}}}{4 R};

T₁和T₂为补光节律参数，单位为秒，T₁表示某一工位的补光时间，T₂表示该工位的非补光时间，T₁＜T₂；L为电光源总行程，单位为米；R为滑轮半径，单位为米；ω为电机角速度，单位为弧度/秒。

试验例

在江苏省淮安市某农户的日光温室内，在温室中按照实施例的内容将***组装，温室栽培植物是“千禧”樱桃番茄，在同一温室内连续3年试验，试验阶段为每年的10月下旬至来年的3月下旬，试验从番茄苗起垄定植开始，贯穿营养生长期、开花结果期和果实膨大期的整个生育过程，直至3月下旬为止。期间按正常管理模式进行管理。依据栽培垄走向安装补光***，采用单灯功率250W的LED植物生长灯作为补光光源。

在同一温室内设置3个小区，分别为处理区、对照区和空白对照区，每个小区各15垄(行)；垄长L＝7米，每垄栽植2行番茄，每行栽植11株，每垄栽植22株，每个小区栽植330株番茄。

在空白对照区，不采用补光设备。在处理区安装本发明的补光***，每垄正上方对应设置一条导向梁，15垄总计设置15条导向梁，每条导向梁上安装1盏250W功率的金卤灯，总计有15盏。设定番茄整个生育期的补光节律参数为T₁＝120s、T₂＝1500s，已知L＝7m，R＝0.3m，伺服驱动电机的角速度ω＝20/s。通过键盘输入上述工作参数，微处理器将工作参数保存，并调用工作参数在显示器上显示出来，微处理器依据工作参数计算出控制参数θ＝1.6667；整个处理区的补光***按照这一控制参数控制电机运行。在整个生育期内，依据植株的生长高度，定期调节悬挂杆的长度，基本保持电光源距离植株冠层的高度为0.4米左右。在对照区采用传统的固定式补光，每垄采用6盏单灯功率250W的金卤灯，15垄总计采用90盏金卤灯。试验结果如表1、表2所示：

表1投资与运行能耗成本对比分析

表2“千禧”樱桃番茄产量与品质指标对比分析

注：同列中不同小写字母表示在5％水平上差异显著

通过连续三年的数据计算，由表1可见，本发明补光***的总成本仅为传统补光***总成本的四分之一，显示出本发明补光***在成本方面的巨大优势，是一种真正的低投入成本的新型补光***。由表2可见，在产量指标方面和品质指标方面，本发明补光***处理区的效果显著高于传统补光***对照区，传统补光***对照区的效果又显著高于不补光的空白对照区。可见，补光对设施栽培番茄的产量和品质形成是非常有效的；而且采用本发明补光的光源自动移行的温室间歇性补光***对产量和品质的形成效果显著高于传统补光***。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种光源自动移行的温室间歇性补光***，其特征在于：该***包括水平设于温室(1)内的导向梁(2)和传动装置，以及悬吊于导向梁(2)并通过行走轮(3)移动的电光源装置(4)；所述传动装置包括电机(5)、两个滑轮(6)，以及设于两个滑轮(6)之间并与电光源装置(4)相连的传动索(7)；所述导向梁(2)两端设有传感器(8)；

所述传感器(8)、电机(5)分别与微处理器(9)通信连接，所述微处理器(9)用于确定当前状态并控制电机(5)传动电光源装置(4)步进往返进行补光。

2.根据权利要求1所述的一种光源自动移行的温室间歇性补光***，其特征在于：所述导向梁(2)为设有凹槽的轨道，所述行走轮(3)设于凹槽内通过悬挂杆(10)与电光源装置(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种光源自动移行的温室间歇性补光***，其特征在于：所述电光源装置(4)为金卤灯、荧光灯、钠灯、LED植物生长灯的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种光源自动移行的温室间歇性补光***，其特征在于，所述微处理器执行如下步骤：

(1)保存输入的工作参数；

(2)调用保存的工作参数和***状态并显示；

(4)控制电机以一定的频率输出控制参数θ。

5.根据权利要求4所述的一种光源自动移行的温室间歇性补光***，其特征在于：所述步骤(3)中，当电光源装置移动到两端时，微处理器采集到传感器发出的信号使电机反转。

6.根据权利要求4或5所述的一种光源自动移行的温室间歇性补光***，其特征在于：

所述控制参数

θ = \frac{- (2 Rω T_{1} + Rω T_{2} - 2 L) + \sqrt{{(2 Rω T_{1} + Rω T_{2} - 2 L)}^{2} + 8 RωL T_{1}}}{4 R};

其中，

T₁和T₂为补光节律参数，单位为秒，T₁表示某一工位的补光时间，T₂表示该工位的非补光时间，T₁＜T₂；

L为电光源总行程，单位为米；

R为滑轮半径，单位为米；

ω为电机角速度，单位为弧度/秒。