CN108401708A - 一种基于自然光源与人工光源的植物培养架*** - Google Patents

一种基于自然光源与人工光源的植物培养架*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，包括自然光采集模块和培养架模块，所述自然光采集模块位于培养架模块上方，自然光采集模块包括采光装置、导光装置、出光装置和自动追踪转化装置，培养架模块包括培养架底座、培养位和凸台。培养位和凸台设置于培养架模块的上表面，每两个相邻培养位之间设置有一个凸台，培养位和凸台均匀排布于培养架底座。凸台形状为四棱柱，凸台包括凸台上端的LED灯和内部的热管散热器。本发明将自然光照明***和人工光照明***紧密结合为同一个照明单元***，装置简单，安装方便灵活，无需对植物培养室建筑结构进行较大的施工改动，通过使用太阳光光源和人工光源相结合进行照明，光照均匀、节能环保，保证了植物生长所需持续稳定的照明质量。

Description

一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***
技术领域
本发明涉及植物培养领域，具体涉及一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***。
背景技术
随着信息技术的快速发展，现代农业正在逐步取代传统农业，信息技术在农业生产中的应用也越来越广泛，植物育苗灯就是一个典型代表。目前市面上的植物育苗灯大多都是采用人工光源，其中大多使用简单的LED作为光源，这样虽然节省了成本，但是由于植物照明灯具的灯珠多为红、蓝，红、黄，红、橙等多色灯珠，因此传统的光学结构很难达到非常均匀的多色光混光效果，使得受照植株表面出现局部过亮或者过暗或者光谱分布不均匀的问题，这样难以保证种植出的植物生长的均齐程度。因此现有的植物培养灯也会面临着光源出光均匀度较差、光能利用率较低的特点。此外，在某些光照不充足的地方，如果开展植物培养的农业，那么将会需要大量的人工光源来作为植物生长必备的光源，因此将会产生大量的能耗。同时由于长时间的照明必定会导致植物培养灯***的灯具使用寿命大大缩短，不利于节能减排。
光导照明***是目前逐渐流行的一种新型照明装置，自然光具有取之不尽、用之不竭以及清洁和安全的特点，将自然光用于植物培养育苗灯，不仅可以减少能量浪费，实现节能减排的目标，而且可以获得出更加优良的光能利用率。但是现在使用的光导照明***装置笨重，体积较大，安装须对现有建筑结构改动较多，设备成本和安装成本较高，而且照明效果随着太阳位置的移动和天气环境的变化而改变，存在照明质量不稳定的缺点。
发明内容
为克服现有技术存在的缺点与不足，解决现有植物培养灯具设计不科学，光能利用率低，能耗较高等问题，本发明提供一种高光能利用率、节能环保和高光照均匀度的将自然光源和人工光源紧密结合为同一个照明单元的植物培养架***。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，包括自然光采集模块和培养架模块，自然光采集模块位于培养架模块上方。
进一步地，自然光采集模块包括采光装置、导光装置、出光装置和自动追踪转化装置。所述自动追踪转化装置包括底座、下舵机、第一连接器、上舵机、第二连接器和第三连接器，所述自动追踪转化装置通过底座安装固定，所述下舵机和上舵机通过第一连接器相连接，所述下舵机和上舵机输出轴方向相互垂直，所述上舵机和连接器通过连接器相连接，所述上舵机与采光装置通过第二、第三连接器相连接。
进一步地，采光装置包括镜像焦点重叠式聚光器、圆柱镜反射器、抛物面偏振器和复合抛物面聚光器CPC,采光装置上端开口为进光口，进光口设有至少四个环境光照度传感器,环境光照度传感器均匀分布。
进一步地，导光装置包括光纤耦合器和导光光纤,导光光纤为多支路光纤,光纤耦合器上耦合孔的直径与导光光纤的直径相同,导光光纤通过光纤耦合器与采光装置相连接。
进一步地，出光装置包括导光板、扩散板和玻璃防护外罩，所述导光板设有出光口,所述出光口通过导光板的耦合孔与导光装置导光光纤相连接。
进一步地，培养架模块包括培养架底座、培养位和凸台；所述培养位和凸台设置于培养架模块的上表面。
进一步地，每两个相邻培养位之间设置有一个凸台；培养位和凸台均匀排布于培养架底座。
进一步地，培养架底座采用高反射率和高散热的性能材料。
进一步地，凸台形状为四棱柱，所述凸台的上端设置有LED灯，凸台内部设置有热管散热器；所述LED灯包括内部红绿蓝三基色LED灯珠和外部玻璃防护外罩。
进一步地，本发明还包括单片机控制***，所述单片机控制***与所述环境光照度传感器、下舵机、上舵机和LED灯相连接；单片机控制***通过与上舵机对应的一组相对的两个环境光照度传感器所检测到的照度值，控制上舵机的动作；单片机控制***通过与下舵机对应的另一组相对的两个环境光照度传感器所检测到的照度值，控制下舵机的动作。。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的植物培养架***包括自然光采集模块和培养架模块，实现了将自然光照明***和人工光照明***紧密结合为同一个照明单元***。通过使用采光装置上设置的环境光照度传感器的感应，当环境光照度传感器感应的照度值低于设定的标准值时，自动追踪转化装置自动转动采光装置，追踪自然光更好的照射效果，使采集到的自然光照明度始终保持在标准值之上；同时通过环境光照度传感器感应的照度值触发开启或关闭培养架模块的LED灯电光源，同时关闭或开启自动追踪转化装置，从而实现在白天光照充足时使用太阳光传导进行照明，在夜晚或者光照度不强时自动启动LED灯电光源进行照明，极大地减少能源消耗,又保障了植物生长所需连续稳定的照明质量。植物培养架上LED灯与培养位排布均匀,LED灯中红绿蓝三基色灯珠所发出的光束均匀照射在培养位里的植物上,所发出的光束再经过上方自然光平板灯出光装置的出光面的玻璃防护外罩反光后，增加光线的耦合路径，使光线总分混合，进一步了提高植物培养架的光照均匀度。
本发明装置简单，安装方便灵活，无需对植物培养室建筑结构进行较大的施工改动，通过使用太阳光光源和人工光源相结合进行照明，光照均匀、节能环保，保证了植物生长所需持续稳定的照明质量。
附图说明
图1为本发明植物培养架***实施例的结构示意图；
图2为本发明所述采光装置的结构示意图；
图3为本发明所述出光装置中导光板的结构示意图。
附图标记说明：
1、自然光采集模块；11、采光装置；111、镜像焦点重叠式聚光器；112、抛物面偏振器；113、圆柱镜反射器；114、复合抛物面聚光器CPC；12、导光装置；13、出光装置；131、导光板；1311、出光口；14、自动追踪转化装置；141、底座；142、下舵机；143、第一连接器；144、上舵机；145、第二连接器；146、第三连接器；2、培养架模块；21、培养架底座；22、培养位；23、凸台；231、LED灯。
具体实施方式
为了更好理解本发明，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，为本实施例中植物培养架***，该***包括自然光采集模块1和培养架模块2，所述自然光采集模块1位于培养架模块2上方。所述自然光采集模块1包括采光装置11、导光装置12、出光装置13、自动追踪转化装置14。如图2所示，所述采光装置11包括镜像焦点重叠式聚光器111、圆柱镜反射器112、抛物面偏振器113和复合抛物面聚光器CPC114。导光装置12设置有光纤耦合器及导光光纤，所述采光装置11的输出端与光纤耦合器一端相连接,所述光纤耦合器另一端与导光光纤输入端相连接,导光装置12导光光纤输出端连接到出光装置13。所述导光光纤为多支路光纤,光纤材料为PMMA光纤，光纤直径为10mm；所述光纤耦合器上耦合孔的直径与导光光纤的直径相同,耦合孔的直径约为10mm。所述出光装置13包括导光板131和扩散板(图中未示出)，导光板上附有与导光光纤连接的耦合孔，如图3所示，所述导光板131设有出光口1311,所述出光口1311通过导光板耦合孔与导光装置12导光光纤相连接，耦合孔的直径与导光光纤的直径相同,耦合孔的直径约为10mm。太阳光束垂直通过进光口,射入到镜像焦点重叠式聚光器111，经圆柱镜反射器112和抛物面偏振器113反射后垂直入射到复合抛物面聚光器CPC114上，经复合抛物面聚光器CPC114反射后,从采光装置11进入到多支路导光光纤里。光束通过与多支路导光光纤耦合孔,由出光口1311射出，再经过出光装置13的扩散板对光进行重新分配，最终光束以一种低眩光、面发光的方式进行将光线漫射到下方植物培养架上。
所述采光装置11进光口上端设有四个环境光照度传感器BH1705,所述环境光照度传感器BH1705两两相对均匀分布，所述自动追踪转化装置14包括底座141、下舵机142、第一连接器143、上舵机144、第二连接器145和第三连接器146，所述采光装置11通过第二、第三连接器145、146与上舵机144连接固定。所述下舵机142通过底座141安装固定，所述下舵机142和上舵机144通过第一连接器143相连接，所述下舵机142和上舵机144输出轴方向相互垂直,所述上舵机142和下舵机144设置为MG966舵机，以上各个部件之间通过硅胶连接固定。所述采光装置11上端面为进光口，进光口表面设有四个环境光照度传感器BH1705,所述环境光照度传感器BH1705两两相对均匀分布。其中一组相对的两个环境光照度传感器BH1705感应到的照度值传到相连接的单片机控制***中,如果该照度值低于单片机控制***中设置的标准值,那么与这组环境光照度传感器相对应的一个舵机开始转动；另一组相对的两个环境光照度传感器BH1705感应到的照度值也同时传到相连接的单片机控制***中,如果该照度值低于单片机控制***中设置的标准值,那么与这组环境光照度传感器相对应的另一个舵机也开始转动，由于两个舵机输出轴方向相互垂直，因此带动采光装置进行运动的方向也相互垂直,从而实现采光装置360度全方位自动转动。同时采光装置11进光口上端装设的这四个均匀分布两两相对的环境光照度传感器感应到的照度值根据单片机控制***设置的光照度阈值触发开启或关闭培养架模块2里的LED灯电光源，同时关闭或开启自动追踪转化装置14，实现在白天光照充足时使用太阳光传导进行照明，在夜晚或者光照度不强时自动启动LED灯电光源进行照明，保障植物生长所需连续稳定的照明质量。
所述培养架模块2包括培养架底座21、培养位22和凸台23。培养位22和凸台23设置于培养架模块2的上表面。每两个相邻培养位22之间设置有一个凸台23；培养位22和凸台23均匀排布于培养架底座21。凸台23形状为四棱柱，所述培养架底座21采用高反射率和高散热的性能材料。所述凸台23的上端设置有LED灯231，凸台内部设置有热管散热器。LED灯231包括内部红绿蓝三基色LED灯珠和外部高IP防护等级的玻璃防护外罩。所述LED灯231与***驱动电路连接，LED灯内部的红绿蓝三基色LED灯珠通过连接的单片机控制***输出的多路PWM波进行调控，可针对不同的植物的生长条件发出不同的光源颜色和光谱。热管散热器及LED灯231外部高IP防护等级的玻璃防护外罩，有效减少了LED灯231在植物底部和上部产生的热量，有利于植物的生长,并且LED灯外部和出光装置13下高IP防护等级的玻璃防护外罩还可以防止自然光和LED灯231光照过强时光线对植物造成伤害。
本发明的植物培养架***工作原理为：
太阳光束垂直通过进光***入采光装置的镜像焦点重叠式聚光器，经圆柱镜反射器和抛物面偏振器反射后垂直入射到复合抛物面聚光器CPC上，经反射后从采光装置进入到导光装置的多支路导光光纤里。光束通过多支路导光光纤传导到出光装置导光板的出光***出，再经过扩散板对光进行重新分配，最终光束以一种低眩光、面发光的方式进行将光线漫射到位于下端的植物培养架上。
采光装置进光口上端还装设有至少四个均匀分布两两相对的环境光照度传感器，其中一组相对的两个环境光照度传感器BH1705感应到的照度值传到相连接的单片机控制***中,如果该照度值低于单片机控制***中设置的标准值,那么与这组环境光照度传感器相对应的一个舵机开始转动；另一组相对的两个环境光照度传感器BH1705感应到的照度值也同时传到相连接的单片机控制***中,如果该照度值低于单片机控制***中设置的标准值,那么与这组环境光照度传感器相对应的另一个舵机也开始转动，由于两个舵机输出轴方向相互垂直，因此带动采光装置进行运动的方向也相互垂直,从而实现采光装置360度全方位自动转动。同时采光装置进光口上端装设的四个均匀分布两两相对的环境光照度传感器感应到的照度值根据所设计电路的光照度阈值触发开启或关闭植物培养架上的LED灯珠的引脚，同时关闭或开启自动追踪转化装置14，从而实现自然光源与LED灯光源的自动切换，保证植物生长所需的稳定照明质量。
植物培养架凸台上的LED灯与培养位排布均匀，LED灯里的红绿蓝三基色LED灯珠阵列针对不同的植物的生长条件通过***驱动电路输出的多路PWM波来进行调控光源颜色和光谱范围，LED灯所发出的光束均匀照射在培养位里的植物上,所发出的光束再经过上方自然光平板灯出光装置的出光面的高IP防护等级玻璃防护外罩反光后，增加光线的耦合路径，使光线总分混合，进一步了提高植物培养架的光照均匀度。
本发明的实施方式与实施例不限于以上所述，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：包括自然光采集模块(1)和培养架模块(2)，所述自然光采集模块(1)位于培养架模块(2)上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：所述自然光采集模块(1)包括采光装置(11)、导光装置(12)、出光装置(13)和自动追踪转化装置(14)，所述自动追踪转化装置(14)包括底座(141)、下舵机(142)、第一连接器(143)、上舵机(144)、第二连接器(145)和第三连接器(146)，所述自动追踪转化装置(14)通过底座(141)安装固定，所述下舵机(142)和上舵机(144)通过第一连接器(143)相连接，所述下舵机(142)和上舵机(144)输出轴方向相互垂直，所述上舵机(144)和连接器(146)通过连接器(145)相连接，所述上舵机(144)与采光装置(11)通过第二、第三连接器(145、146)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：所述采光装置(11)包括镜像焦点重叠式聚光器(111)、圆柱镜反射器(112)、抛物面偏振器(113)和复合抛物面聚光器CPC(114),所述采光装置(11)上端开口为进光口，所述进光口设有至少四个环境光照度传感器,所述环境光照度传感器均匀分布。
4.根据权利要求2所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：所述导光装置(12)包括光纤耦合器和导光光纤,所述导光光纤为多支路光纤,所述光纤耦合底座上耦合孔的直径与导光光纤的直径相同,所述导光光纤通过光纤耦合器与采光装置(11)相连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：所述出光装置(13)包括导光板(131)、扩散板和玻璃防护外罩，所述导光板设有出光口(1311),所述出光口(311)与导光光纤相连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：所述培养架模块(2)包括培养架底座(21)、培养位(22)和凸台(23)；所述培养位(22)和凸台(23)设置于培养架模块(2)的上表面。
7.根据权利要求6所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：每两个相邻培养位(22)之间设置有一个凸台(23)；培养位(22)和凸台(23)均匀排布于培养架底座(21)。
8.根据权利要求7所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：所述培养架底座(21)采用高反射率和高散热的性能材料。
9.根据权利要求7所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：所述凸台(23)形状为四棱柱，所述凸台(23)的上端设置有LED灯(231)，凸台(23)内部设置有热管散热器；所述LED灯(231)包括内部红绿蓝三基色LED灯珠和外部玻璃防护外罩。
10.根据权利要求3和9所述的一种基于自然光源与人工光源的植物培养架***，其特征在于：还包括单片机控制***，所述单片机控制***与所述环境光照度传感器、下舵机(142)、上舵机(144)和LED灯(231)电连接；单片机控制***通过与上舵机对应的一组相对的两个环境光照度传感器所检测到的照度值，控制上舵机的动作；单片机控制***通过与下舵机对应的另一组相对的两个环境光照度传感器所检测到的照度值，控制下舵机的动作。
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