CN104302062A - 一种应用多色led的智能型植物工厂的光照控制***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***和方法，通过探测不同光色LED植物灯的发光功率计算多种光色的发光功率比例，根据多种光色LED植物灯的发光功率比例和预设的参考发光功率比例进行计算并发出光照控制信号，光照控制信号控制不同光色LED植物灯的发光功率，使得多种光色的发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求。通过对多种光色LED植物灯的发光功率进行连续、实时的在线探测，结合植物在不同生长阶段的光照需求来调节多种光色LED植物灯的发光功率，使得植物工厂内的植物处于最佳的生长状态，并且提高了植物工厂的能量利用率，节约了能源。

Description

一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***和方法
技术领域
本发明涉及植物工厂技术领域，尤其涉及一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***和方法。
背景技术
植物工厂集生物技术、现代光电子技术、信息技术、机械工程、人工环境控制等高技术于一体，是世界上公认的农业最高级发展阶段，被认为是未来解决人口、资源、环境问题的一个有效技术手段。国外特别是欧美、日本、韩国已经有数以百计的植物工厂投入运行，通过种植人参、花卉等经济作物，已经开始盈利。植物工厂种植的莴苣、西红柿等季节性蔬菜也越来越得到大众的欢迎，已经出现在包括台湾地区在内的许多超市中。植物工厂可以节约90％以上的水消耗、90％以上的化肥；因为不施农药，无土栽培，100％保证了食品安全；因为在室内多层栽培，可以成百倍节约土地资源；因为植物工厂可以建在城市中心，节约了运输成本，还有助于改善城市空气质量。
近年来中国大陆城镇化程度日益提高，同时也面临土地资源的紧张和土地污染等一系列问题，植物工厂是解决这些问题的有效方案。过去，主要由于高能耗制约了植物工厂在中国的发展；近年来，采用半导体发光二极管(LED)照明，已经把过去植物工厂的能耗降低了约50％。一方面是因为LED能效比传统光源能效高，另一方面是因为传统光源的光谱中有很多不必要的波长,对植物生长的促进作用少。LED光源具有节能环保、发热量少、易于分散或组合控制等许多不同于其他传统电光源的重要特点。在植物生长过程中采用LED提供照明和调控光质,不仅能够调控植物的生长发育、缩短培养周期、提高品质,而且能够减少能耗,降低成本。例如，最近已经有研究报告表明，采用630nm红光LED光源和460nm的蓝光LED光源，并且两者的配比为8:1时，最有利于莴苣的生长发育，莴苣营养指标最高，且可以有效降低光源的耗电量。
LED用于植物工厂，仍然处于早期阶段，不仅LED能效提高仍然有很大的改进空间，并且LED光谱配方仍然有许多工作要做。继续发展高效、智能化LED光照技术，有望进一步提升LED用于植物工厂技术水平，大幅降低能耗。
目前，植物工厂红光和蓝光的功率比例是固定的，而实际上不同类型植物在不同生长阶段所需要的光照强度和比例是不一样的，导致植物工厂内的植物不是处于最佳的生长状态，并且不能根据植物的生长状态对红蓝等多色光进行连续、实时的在线光照监测和光照控制。
发明内容
针对目前植物工厂存在的技术问题，本发明提出了一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***和方法。
本发明提出的一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，包括：多种光色LED植物灯、光功率探测装置、光照控制装置、植物灯控制电路；
光功率探测装置与光照控制装置连接，光照控制装置与植物灯控制电路连接，植物灯控制电路与多种光色LED植物灯连接；
多种光色LED植物灯设置在植物工厂中为植物提供多种光色的光照；光功率探测装置用于探测不同光色LED植物灯的发光功率；光照控制装置用于根据多种光色LED植物灯的发光功率比例和预设的参考发光功率比例进行计算并发出光照控制信号，其中参考发光功率比例是根据植物在不同生长阶段的光照需求而确定的；植物灯控制电路根据光照控制信号控制不同光色LED植物灯的发光功率，使得多种光色LED植物灯的发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求。
优选地，所述植物灯控制电路根据光照控制信号控制多种光色LED植物灯的发光功率包括：植物灯控制电路通过控制每种光色LED植物灯的开灯数量，和/或，控制每种光色LED植物灯的供电电压或者供电电流来控制多种光色LED植物灯的发光功率。
优选地，多种光色LED植物灯包括红光灯和蓝光灯，光功率探测装置包括红光功率探测装置和蓝光功率探测装置，红光功率探测装置用于探测红光灯的发光功率，蓝光功率探测装置用于探测蓝光灯的发光功率。
优选地，红光灯和蓝光灯的数量比例为4-6：1，优选为5:1；优选地，植物不同生长阶段的光照需求比例不同，红光和蓝光的光功率比例在10-2：1。
优选地，多种光色LED植物灯还包括红外灯和/或紫外灯，光功率探测装置还包括红外光功率探测装置和紫外光功率探测装置，红外光功率探测装置用于探测红外灯的发光功率，紫外光功率探测装置用于探测紫外灯的发光功率。
优选地，光功率探测装置包括光功率探测模块，光功率探测模块包括晶硅光伏芯片和覆盖在晶硅光伏芯片表面的镀有带通滤波膜的玻璃底片，带通滤波膜由多层干涉膜组成，带通滤波膜只允许具有预定波长范围的光透过；优选地，在一个光功率探测装置上设有一个光功率探测模块，一个光功率探测装置可以探测一种光色LED植物灯的发光功率；优选地，在一个光功率探测装置上集成多个光功率探测模块，多个光功率探测模块的带通滤波膜允许透过的光的波长范围不同，一个光功率探测装置可以探测多种光色LED植物灯的发光功率；优选地，光功率探测装置还包括信号放大电路和A/D转换电路，光功率探测模块与信号放大电路连接，信号放大电路用于对探测到的信号进行放大处理，信号放大电路与A/D转换电路连接，A/D转换电路用于对经过放大的信号进行A/D转换成数字信号。
优选地，在植物的植株之间和/或叶片之间设置多个光功率探测装置对不同光色LED植物灯的发光功率进行探测；优选地，光照控制装置可以根据多个光功率探测装置的探测结果计算植物工厂的空间环境中不同光色LED植物灯的发光功率的均匀性。
优选地，光照控制装置还可以根据多种光色LED植物灯的发光功率比例和预定时间区间的植物生长情况进行分析并根据分析结果调整参考发光功率比例。
优选地，参考发光功率比例是根据植物在不同生长阶段中太阳光中多种光色的发光功率而确定的；优选地，参考发光功率比例是根据植物处于一个或多个较佳的生产地域和生长季节时太阳光中多种光色的发光功率而确定的；优选地，在LED植物灯初始发光时，光照控制装置通过植物灯控制电路控制多种光色LED植物灯在参考发光功率比例下工作。
本发明还提出了一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制方法，应用在上述光照控制***中，所述光照控制方法包括：
S1、分别探测不同光色LED植物灯的发光功率；
S2、根据测得的不同光色LED植物灯的发光功率计算得到多种光色LED植物灯的发光功率比例；
S3、根据发光功率比例和预设的参考发光功率比例进行计算并发出光照控制信号，其中参考发光功率比例是根据植物不同生长阶段的光照需求而确定的；
S4、根据光照控制信号控制不同光色LED植物灯的发光功率，使得多种光色的发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求；
优选地，在S4中，所述根据光照控制信号控制多种光色LED植物灯的发光功率具体如下：通过控制每种光色LED植物灯的开灯数量，和/或，控制每种光色LED植物灯的供电电压或者供电电流来控制多种光色LED植物灯的发光功率。
本发明的光照控制过程中，通过探测不同光色LED植物灯的发光功率计算得到多种光色LED植物灯的发光功率比例，根据发光功率比例和预设的参考发光功率比例进行计算并发出光照控制信号，进而根据光照控制信号控制不同光色LED植物灯的发光功率，使得多种光色的发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求。
通过对多种光色LED植物灯的发光功率进行连续、实时的在线探测，进而根据植物在不同生长阶段的光照需求来调节多种光色LED植物灯的发光功率，为植物生长提供合理充足的光照营养，使得植物工厂内的植物处于最佳的生长状态，有利于植物的生长，并且提高了植物工厂的能量利用率，节约了能源。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***的结构示意图。
图2为本发明实施例提出的一种光功率探测装置的结构示意图。
图3为本发明实施例提出的一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明实施例提出的一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***的结构示意图。
参照图1，本发明实施例提出的一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，包括：多种光色LED植物灯、光功率探测装置、光照控制装置、植物灯控制电路；
在智能型植物工厂中设有多种光色LED植物灯，多种光色LED植物灯包括红色LED植物灯和蓝色LED植物灯，并且，两者的数量分别为M个和N个，其中，红色LED植物灯和蓝色LED植物灯分别发红光和蓝光，为智能型植物工厂中的植物提供红光光照和蓝光光照；
光功率探测装置包括红光功率探测装置和蓝光功率探测装置，其中，红光功率探测装置用于探测红色LED植物灯发出的红光光功率，蓝光功率探测装置用于探测蓝色LED植物灯发出的蓝光光功率；具体地，在植物的植株之间和/或叶片之间设置多个红光功率探测装置和多个蓝光功率探测装置；
红光功率探测装置和蓝光功率探测装置与光照控制装置连接，光照控制装置根据检测到的红光发光功率和蓝光发光功率来计算红蓝光功率比例；在光照控制装置中预设有参考发光功率比例，其中，参考发光功率比例是根据植物在不同生长阶段的光照需求而确定的；光照控制装置用于根据红蓝光功率比例和预设的参考发光功率比例进行比较计算并发出光照控制信号；
光照控制装置与植物灯控制电路连接，植物灯控制电路分别与红色LED植物灯和蓝色LED植物灯连接；植物灯控制电路根据光照控制信号控制红色LED植物灯和蓝色LED植物灯的发光功率，使得红蓝光发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求。
在光照控制过程中，当红蓝光功率比例小于参考发光功率比例时，根据两者的差值发出第一光照控制信号以通过植物灯控制电路控制红色LED植物灯和蓝色LED植物灯的发光功率，当红蓝光功率比例大于参考发光功率比例时，根据两者的差值发出第二光照控制信号以通过植物灯控制电路控制红色LED植物灯和蓝色LED植物灯的发光功率，从而使得红蓝光发光功率比例与参考发光功率比例相匹配。
在具体实现时，植物灯控制电路根据光照控制信号控制红色LED植物灯和蓝色LED植物灯的发光功率，可以采用如下方式进行：A、通过控制红色LED植物灯和蓝色LED植物灯的开灯数量来分别控制其发光功率；B、通过控制每种红色LED植物灯的供电电压或者供电电流来控制红色LED植物灯的发光功率，通过控制每种蓝色LED植物灯的供电电压或者供电电流来控制蓝色LED植物灯的发光功率；C、采用A方式和B方式相结合的方式来控制红色LED植物灯和蓝色LED植物灯的发光功率。
在实际应用过程中，根据植物生长对红光和蓝光的配比要求，红色LED植物灯的数量M和蓝色LED植物灯的数量N的初始数目可以M:N＝5:1，红蓝光功率比例可以根据植物生长需要从10：1到2：1变化。
在上述实施例中，光功率探测装置包括光功率探测模块、信号放大电路和A/D转换电路，光功率探测模块包括晶硅光伏芯片和覆盖在晶硅光伏芯片表面的镀有带通滤波膜的玻璃底片，带通滤波膜由多层干涉膜组成，带通滤波膜只允许具有预定波长范围的光透过；其中，红光功率探测装置中的带通滤波膜只允许波长为630nm到660nm的红光透过，蓝光功率探测装置中的带通滤波膜只允许波长为440nm到470nm的蓝光透过，并以电压形式输出；光功率探测模块与信号放大电路连接，信号放大电路用于对探测到的电压信号进行放大处理，信号放大电路与A/D转换电路连接，A/D转换电路用于对经过放大的电压信号进行A/D转换成数字信号。
在上述实施例中，红光功率探测装置和蓝光功率探测装置可以独立存在；或者，红光功率探测装置和蓝光功率探测装置可以以模块形式集成在一个光功率探测装置上，一个光功率探测装置可以同时检测红光和蓝光的发光功率。
如图2所示，图2为本发明实施例提出的一种光功率探测装置的结构示意图。
参照图2，本发明实施例提出的一种光功率探测装置，其包括壳体1和透明光学窗口2，透明光学窗口2安装在壳体1上，在壳体1内设有红光功率探测模块和蓝光功率探测模块，其中，红光功率探测模块和蓝光功率探测模块都包括晶硅光伏芯片3和覆盖在晶硅光伏芯片3表面的镀有带通滤波膜5的玻璃底片4，带通滤波膜5由多层干涉膜组成，红光功率探测模块的带通滤波膜5只允许630nm到660nm的红光透过，蓝光功率探测模块的带通滤波膜5只允许440nm到470nm的蓝光透过，并且，在两个光功率探测模块上分别设有输出引脚6，通过输出引脚6将探测到的光功率信号分别以电压形式输出。通过集成方式将两个光功率探测模块设置在一个光功率探测装置中，这样可以同时检测红光和蓝光的发光功率。
在进一步实施例中，根据多个红光功率探测装置和多个蓝光功率探测装置的探测结果，光照控制装置可以根据探测结果计算植物工厂的空间环境中红光和蓝光的发光功率的均匀性，并进一步根据计算结果来调整红色LED植物灯和蓝色LED植物灯的安装位置、照射方向等参数，以满足均匀性要求。
在上述实施例中，参考发光功率比例是根据植物在不同生长阶段的光照需求而确定的，具体地，参考发光功率比例是根据植物在不同生长阶段中自然界太阳光中红光和蓝光的光功率而确定的。
参考发光功率比例可以根据不同植物处于最佳生产地域和高产生长季节时太阳光中多种光色的发光功率而确定的，例如，在智能型植物工厂中种植葡萄或枸杞时，可以根据新疆地区或宁夏地区在植物高产季节时，葡萄或枸杞在不同生长阶段的太阳光中红光和蓝光的发光功率。或者，参考发光功率比例可以根据不同植物处于多个较佳的生产地域和生长季节时太阳光中多种光色的发光功率再取平均值而确定的，例如，在智能型植物工厂中种植蔬菜时，可以根据国内和国外不同地区相应蔬菜在不同生长阶段的太阳光中红光和蓝光的发光功率，并采用恰当的计算方式进行计算而得到。
在智能型植物工厂的光照控制过程中，在LED植物灯初始发光时，光照控制装置通过植物灯控制电路控制红色LED植物灯和蓝色LED植物灯在参考发光功率比例下工作，从而使得植物从生长初期就处于较佳的光照营养下开始生长。
在上述实施例中，参考发光功率比例是根据植物在不同生长阶段的光照需求而确定的，在实际操作过程中，可以根据植物在参考发光功率比例下的生长情况或生长趋势进行分析，并根据分析结果来调整修改参考发光功率。在具体实现过程中，光照控制装置对植物在不同阶段的红光发光功率和蓝光发光功率进行记录并存储，在预定时间区间中，当植物生产变化很小时或出现其他光照营养不良的外在表现时，可以通过增大或降低红蓝光发光功率比例并观察其生长情况，从而得到在该生长阶段中更佳的红蓝光功率比例，进一步地可以对参考发光功率比例中该生长阶段的红蓝光功率比例进行替换或调整，以达到优化参考发光功率比例的目的。
在实际应用过程中，根据实际需要还可以设置绿光、黄光等其他颜色的可见光LED植物灯，相应地设置绿光功率探测装置、黄光功率探测装置等分别对其光功率进行检测，并且，还可以将多种光色的光功率探测装置集成在一个光功率探测装置上，在次不再赘述。
在进一步实施例中，为了植物的生长提供全面营养，LED植物灯还包括红外LED植物灯和/或紫外LED植物灯，红外LED植物灯和紫外LED植物灯分别发光红外光和紫外光以为智能型植物工厂中的植物提供红外光光照和紫外光光照；相应地还包括红外光功率探测装置和紫外光功率探测装置，两者分别用于探测红外光LED植物灯发出的红外光的光功率和紫外光LED植物灯发出的紫外光的光功率。
更进一步地，还可以将红外光功率探测装置和紫外光功率探测装置以模块形式与红光功率探测装置和蓝光功率探测装置集成在一个光功率探测装置中，并设置输出引脚将探测到的光功率信号以电压形式输出。
在实际应用过程中，根据实际需要还可以设置除了红外、紫外以外的其他颜色的不可见光LED植物灯，相应地设置光功率探测装置对其光功率进行检测。
本发明实施例中，通过对多种光色LED植物灯的发光功率进行连续、实时的在线探测，进而根据植物在不同生长阶段的光照需求来调节多种光色LED植物灯的发光功率，为植物生长提供合理充足的光照营养，使得植物工厂内的植物处于最佳的生长状态，有利于植物的生长，并且提高了植物工厂的能量利用率，节约了能源。
如图2所示，图2为本发明提出的一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***的流程示意图。
参照图2，本发明提出的一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制方法，应用在上述应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***中，所述光照控制方法包括：
S1、分别探测不同光色LED植物灯的发光功率；
S2、根据测得的不同光色LED植物灯的发光功率计算得到多种光色LED植物灯的发光功率比例；
S3、根据发光功率比例和预设的参考发光功率比例进行计算并发出光照控制信号，其中参考发光功率比例是根据植物不同生长阶段的光照需求而确定的；
S4、根据光照控制信号控制不同光色LED植物灯的发光功率，使得多种光色的发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求。
其中，在S4中，所述根据光照控制信号控制多种光色LED植物灯的发光功率具体如下：通过控制每种光色LED植物灯的开灯数量，和/或，控制每种光色LED植物灯的供电电压或者供电电流来控制多种光色LED植物灯的发光功率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，包括：多种光色LED植物灯、光功率探测装置、光照控制装置、植物灯控制电路；
光功率探测装置与光照控制装置连接，光照控制装置与植物灯控制电路连接，植物灯控制电路与多种光色LED植物灯连接；
多种光色LED植物灯设置在植物工厂中为植物提供多种光色的光照；光功率探测装置用于探测不同光色LED植物灯的发光功率；光照控制装置用于根据多种光色LED植物灯的发光功率比例和预设的参考发光功率比例进行计算并发出光照控制信号，其中参考发光功率比例是根据植物在不同生长阶段的光照需求而确定的；植物灯控制电路根据光照控制信号控制不同光色LED植物灯的发光功率，使得多种光色LED植物灯的发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求。
2.根据权利要求1所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，所述植物灯控制电路根据光照控制信号控制多种光色LED植物灯的发光功率包括：植物灯控制电路通过控制每种光色LED植物灯的开灯数量，和/或，控制每种光色LED植物灯的供电电压或者供电电流来控制多种光色LED植物灯的发光功率。
3.根据权利要求1或2所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，多种光色LED植物灯包括红光灯和蓝光灯，光功率探测装置包括红光功率探测装置和蓝光功率探测装置，红光功率探测装置用于探测红光灯的发光功率，蓝光功率探测装置用于探测蓝光灯的发光功率。
4.根据权利要求3所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，红光灯和蓝光灯的数量比例为4-6：1，优选为5:1；优选地，植物不同生长阶段的光照需求比例不同，红光和蓝光的光功率比例在10-2：1。
5.根据权利要求3所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，多种光色LED植物灯还包括红外灯和/或紫外灯，光功率探测装置还包括红外光功率探测装置和紫外光功率探测装置，红外光功率探测装置用于探测红外灯的发光功率，紫外光功率探测装置用于探测紫外灯的发光功率。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，光功率探测装置包括光功率探测模块，光功率探测模块包括晶硅光伏芯片和覆盖在晶硅光伏芯片表面的镀有带通滤波膜的玻璃底片，带通滤波膜由多层干涉膜组成，带通滤波膜只允许具有预定波长范围的光透过；优选地，在一个光功率探测装置上设有一个光功率探测模块，一个光功率探测装置可以探测一种光色LED植物灯的发光功率；优选地，在一个光功率探测装置上集成多个光功率探测模块，多个光功率探测模块的带通滤波膜允许透过的光的波长范围不同，一个光功率探测装置可以探测多种光色LED植物灯的发光功率；优选地，光功率探测装置还包括信号放大电路和A/D转换电路，光功率探测模块与信号放大电路连接，信号放大电路用于对探测到的信号进行放大处理，信号放大电路与A/D转换电路连接，A/D转换电路用于对经过放大的信号进行A/D转换成数字信号。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，在植物的植株之间和/或叶片之间设置多个光功率探测装置对不同光色LED植物灯的发光功率进行探测；优选地，光照控制装置可以根据多个光功率探测装置的探测结果计算植物工厂的空间环境中不同光色LED植物灯的发光功率的均匀性。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，光照控制装置还可以根据多种光色LED植物灯的发光功率比例和预定时间区间的植物生长情况进行分析并根据分析结果调整参考发光功率比例。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***，其特征在于，参考发光功率比例是根据植物在不同生长阶段中太阳光中多种光色的发光功率而确定的；优选地，参考发光功率比例是根据植物处于一个或多个较佳的生产地域和生长季节时太阳光中多种光色的发光功率而确定的；优选地，在LED植物灯初始发光时，光照控制装置通过植物灯控制电路控制多种光色LED植物灯在参考发光功率比例下工作。
10.一种应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制方法，其特征在于，应用在权利要求1-9中所述的应用多色LED的智能型植物工厂的光照控制***中，所述光照控制方法包括：
S1、分别探测不同光色LED植物灯的发光功率；
S2、根据测得的不同光色LED植物灯的发光功率计算得到多种光色LED植物灯的发光功率比例；
S3、根据发光功率比例和预设的参考发光功率比例进行计算并发出光照控制信号，其中参考发光功率比例是根据植物不同生长阶段的光照需求而确定的；
S4、根据光照控制信号控制不同光色LED植物灯的发光功率，使得多种光色的发光功率比例与参考发光功率比例相匹配，以满足植物不同生长阶段的光照需求；
优选地，在S4中，所述根据光照控制信号控制多种光色LED植物灯的发光功率具体如下：通过控制每种光色LED植物灯的开灯数量，和/或，控制每种光色LED植物灯的供电电压或者供电电流来控制多种光色LED植物灯的发光功率。
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