CN102917493A - 用于植物生长的智能半导体光照系统及其光谱调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于植物生长的智能半导体光源照明系统及其光谱调制方法。现有用于植物生长的光源在进行补光时存在光谱过窄、缺少红外和远红外光、以及蓝光过强效果易造成人眼的伤害等问题。本发明包括参数设置软件模块、主控模块、数据存储模块、光源驱动模块、人体感应模块和至少一个半导体光源，所述的主控模块分别与参数设置软件模块、光源驱动模块和人体感应模块连接，主控模块上装有数据分析软件模块和数据存储模块，光源驱动模块与半导体光源连接，所述的半导体光源由若干白光半导体光源和若干红光半导体光源组成。本发明解决了红外和远红外光的缺失问题、LED植物生长照明的蓝光伤害问题及智能半导体光源照明系统的经济性问题。

Description

用于植物生长的智能半导体光照系统及其光谱调制方法

技术领域

本发明涉及用于植物生长的光照系统领域，特别是一种用于植物生长的智能半导体光源照明系统及其光谱调制方法。 

背景技术

植物生长发育需要的光照主常依赖太阳光，蔬菜、花卉、药用植物等经济作物的工厂化生产、组织培养等还需人工光源进行光照补充。近年来，人们一直在努力模拟植物的吸收光谱，以求研制出某种光源，使其发射光谱最大限度地接近植物的吸收光谱以产生共振吸收，促使光合作用高效地进行。 

实际上，光在植物生长发育过程中，有间接影响，主要通过光合作用，是一个高能反应；也有直接影响，主要通过光形态建成，控制植物生长、发育和分化的过程，是一个低能反应，光在此主要起信号作用，信号的性质与光的波长有关。光敏色素感受红光和远红光区域的光（600-740nm）。一些光形态建成反应所需红闪光的能量和一般光合作用补偿点的能量相差10个数量级，甚为微弱。近来研究发现远红光FR(波长为700-800nm 远红光)对植物的生育和形态的形成有很大影响，此外，还有许多受远红光照射后使植物的叶面积和叶干物重增加的实例。如1994 年日本村上克介提出用红色光(波长为600-700nm的红光〉与远红光FR的比率R/FR 作为评价园艺照明光环境的一个光参数。 

在光辐射波段中，紫外线及蓝光波段对人体的危害尤为明显。LED的光谱中有不同比例的紫外及蓝光谱段，其中可见光蓝光部分会对视网膜色素层产生损伤。目前已经发现的几种主要光辐射危害有：光致角膜炎和光致结膜炎、白内障、视网膜灼伤、视网膜蓝光损害、皮肤晒黑、紫外红斑、皮肤老化、皮肤癌等。多芯片集成及二次光学设计技术发展，令LED芯片功率及外量子效率日益提高，紫外和蓝光波段的短波LED芯片被广泛应用，技术与市场占有率的提高均使得LED的危害性更加显著。 

就以前LED的性能状况而言，由于亮度不高，应用受到限制，LED能对人眼造成的直接危害微乎其微，但是，在设施农业中的LED光源要求补光强度高（6000-10000 1ux的补光条件下），人们对LED出射光的安全性的关注逐渐增强。由于LED光谱的特殊性，既要考虑到LED作为光源的方面，又要考虑是否符合光安全的方面。 

设施农业生产中，实际需要补充多少光照量必须根据该类植物的光饱和点进行推算。例如果树类具有较高的光饱和点约为400001ux，需设定70001ux作为补充光照量。另外，在与日光并用的人工照明光源的设施生产中，蔬菜类的光饱和点约为200001ux，在阴雨天和梅雨季节需设定的补充光照量为6000-100001ux。在6000-100001ux的补光条件下，按照红蓝比8：1的比例，其蓝光强度也在人的视觉能接受的范围之外。 

目前，国内植物生长培养主要采用的人工光源是白炽灯、日光灯、钠灯、高压汞灯等，由于上述人工光源存在能耗高、寿命短、光质不可控等缺陷，LED作为植物生长补光的人工光源逐步受到关注，如中国专利申请号为201010103929.9 的《一种用于兰科植物组培的LED混光灯具》，申请号为200910042307.7的《利用LED光源调节植物生长的方法及其LED植物照明灯》，申请号为200410035485.4的《高效节能LED植物生态灯》，申请号为200710133284.1的《一种光谱柔性可调的LED光源系统》等；但是，一般的LED植物生长光源均采用红光与蓝光的组合。上述专利申请都是着眼于以一定比例红、蓝LED光源的混合，在进行补光时存在光谱过窄、缺少红外和远红外光、以及蓝光过强效果易造成人眼的伤害等问题。 

发明内容

本发明针对现有LED植物生长光源存在的窄光谱、高成本、蓝光伤害、缺乏红外和远红外光等不足，提供一种用于植物生长的智能半导体光照系统，其能够根据不同植物的光照需求，有效提高植物的光合作用所需连续光谱并突出所需的红、蓝光谱，同时解决设施生产中出现的高成本、窄光谱、蓝光伤害等问题，极大缩短植物生长培育周期，提高工人生产作业中的安全性。 

为此，本发明采用以下的技术方案：用于植物生长的智能半导体光照系统，包括参数设置软件模块、主控模块、数据存储模块、光源驱动模块、人体感应模块和至少一个半导体光源，其特征在于，所述的主控模块分别与参数设置软件模块、光源驱动模块和人体感应模块连接，主控模块上装有数据分析软件模块和数据存储模块，光源驱动模块与半导体光源连接，所述的半导体光源由若干白光半导体光源和若干红光半导体光源组成； 

所述的参数设置软件模块用于获取外部输入参数并将外部输入参数存储在数据存储模块中，所述的外部输入参数包括植物生长曲线参数； 

所述的数据分析软件模块从数据存储模块中获取外部输入参数，并得到与所述外部输入参数对应的光照强度值、红光和白光的光质比例，确定红、白光半导体光源各自所需的占空比； 

所述主控模块的I/O口输出与前述的占空比相应的PWM波形信号给光源驱动模块，光源驱动模块输出与前述占空比对应的两路工作电流分别给红、白光半导体光源；

当所述的人体感应模块检测人体信号时，输出信号至数据分析软件模块，主控模块输出红光半导体光源占空比为零的相应PWM波形信号给光源驱动模块，使光源驱动模块关闭红光半导体光源的工作电流，同时调节白光半导体光源的占空比和相应的PWM波形信号，使白光强度自动降到500lux以内。

本发明采用上述技术方案解决了：1、红外和远红外光的缺失（680-740nm）的问题，2、LED植物生长照明的蓝光伤害问题，3、智能半导体光源照明系统的经济性问题。 

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采取以下技术措施： 

所述的半导体光源为LED光源模块，LED的PWM占空比与其工作电流为非线性单调关系，LED工作电流与相应LED光量子密度也为非线性单调关系，通过确定白光和红光LED的光量子密度及与之对应的白光和红光占空比和工作电流，建立PWM占空比、半导体光源的工作电流与红光或蓝光LED光量子密度对应数据表，分别存入数据存储模块的两个数据区中；

所述的红光或蓝光LED光量子密度对应数据表包括光照强度值和红蓝光质比例特征。

数据分析软件模块可以直接调用该数据表。通过查表法，可以通过占空比的调节精确控制对应LED光量子密度，从而实现LED的红、蓝光量子密度比例的精确调节。 

所述的植物生长曲线参数包括：红、蓝光光质比例以及与之对应的白光的光照强度阈值以及红光的光照强度阈值、与所述白光的光照强度阈值以及红光的光照强度阈值对应的白光工作电流和红光工作电流、以及与所述白光工作电流对应的白光占空比以及与所述红光工作电流对应的红光占空比，其中，不同的占空比对应相应的波长和不同强度的光；所述的植物生长参数还包括植物所需的光照周期。 

所述LED光源模块由按照预设规律排列的若干白光LED和若干红光LED组成，以使所述半导体光源在其照射面上形成均匀的光强和光质。所述的LED采用OLED或激光二极管代替。 

所述白光半导体光源的色温在1000-10000K，红光半导体光源的波长在600-700nm。 

所述的主控模块为微处理器或单片机，其安装在一控制主板上，所述的光源驱动模块安装在一控制驱动板上，所述的半导体光源安装在白、红光混光灯板上，所述的参数设置软件模块安装在手持控制器或电脑上，所述的人体感应模块为人体感应器，所述的数据存储模块为EEPROM。 

上述智能半导体光照系统用于植物生长的光谱调制方法，其步骤如下： 

1)根据白光半导体光源和红光半导体光源的相对光谱分布，通过仿真模拟调控半导体光源的工作电流，确定白光半导体光源与红光半导体光源以合适的光谱比例混合成符合植物生长所需的光照强度和光质，并建立相对应的光照强度和光质比例数据库；

2）根据所述植物对应相应的生长曲线参数，并根据所述生长曲线参数得到所述植物当前所需的光照强度和红、蓝光质比例，确定白光对应的白光占空比以及红光对应的红光占空比；

3)主控模块根据所述白光和红光半导体光源的占空比输出两路相应的PWM信号控制工作电流，根据所述白光占空比生成相应的白光PWM信号，并根据白光PWM信号生成相应光照强度的白光；根据所述红光占空比生成相应的红光PWM信号，并根据所述红光PWM信号生成相应光照强度的红光，实现植物光照所需的半导体光源的红、蓝光量子密度。

由色温1000-10000K白光半导体光源所发出的光质和波长在600-700nm红光半导体光源的所发出的光质调制成植物生长所需光谱。 

主控模块控制一个或多个半导体光源，并在同一光源上（或不同光源）的同一种光周期实现不同的光质与光照强度（或者相同的光照强度和光质、光周期）。 

主控模块控制一个或多个半导体光源，并在同一光源上（或不同光源）分别实现不同的光照强度和光质、光周期（或者相同的光照强度和光质、光周期）。 

通过上述两种措施实现，同一个光源驱动模块驱动工作下，在同一光源下或不同光源下进行相同植物的培养，或者在不同光源下进行不同植物的培养，实现培养空间的高效利用和降低灯具的成本。 

本发明具有以下有益效果：从发光效率、光的利用率以及光的可调控性上，本发明都比传统人工光源具有更好的性能特点；有效地提高植物生长的生长量与有效成分，解决了植物设施生产补光中出现的高能耗、周期长等问题，极大地缩短了植物生长周期。此外，还解决了以往LED植物生长灯主要有红蓝组合而成，存在缺乏红外光谱，影响植物光形态建成和产量的问题。 

附图说明

图1是本发明的原理示意图。 

图2是本发明主控模块的原理示意图。 

图3是利用本发明数据分析软件模块的检测与控制流程图。 

图4是本发明光源驱动模块的电路原理图。 

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 

如图1所示的用于植物生长的智能半导体光源照明系统，其参数设置软件模块、主控模块、数据存储模块、光源驱动模块、人体感应模块和多个半导体光源组成，所述的主控模块分别与参数设置软件模块、光源驱动模块和人体感应模块连接，主控模块上装有数据分析软件模块和数据存储模块，光源驱动模块与半导体光源连接，所述的半导体光源由若干白光半导体光源和若干红光半导体光源组成。所述的主控模块为微处理器，其安装在一控制主板上，所述的光源驱动模块安装在一控制驱动板上，一个半导体光源安装在一块白、红光混光灯板上，所述的参数设置软件模块安装在手持控制器上，所述的人体感应模块为红外传感器。 

上述智能半导体光照系统的光谱调制方法如下： 

首先，根据白光半导体光源和红光半导体光源的相对光谱分布，通过仿真模拟调控半导体光源的工作电流，确定白光半导体光源与红光半导体光源以合适的光谱比例混合成符合植物生长所需的光照强度和光质，并建立相对应的光照强度和光质比例数据库；特别是在红（600nm-700nm）、蓝（400nm-500nm）光与对应的工作电流之间建立工作模型，以实现红光与蓝光之间光合成有效光子束密度PPFD(photo synthetic photon density)的精确调控。更为优选的红（610nm-680nm）、蓝（420nm-480nm），可以设定所需的红光与蓝光的光合成有效光子束密度比例如7：1、7：2、7：3、8：1、8：2、8：3、9：1、9：2、9：3，但不仅限于此。

如图2所示，控制主板上安装有带数据分析软件模块的微处理器，微处理器连接有时钟单元（RTC）和UART单元，主要完成数据分析软件模块的执行。通过微处理器和数据分析软件模块就能实现对LED灯智能控制，可实现灯的光质、光照强度与光周期控制。LED灯亮度与LED灯工作电流成线性正比关系，同时LED灯工作电流与微处理器输出的PWM信号占空比成正比关系，分别调节两路I/O口的输出PWM信号占空比，从而分别调节白光与红光的工作电流，可分别调节白光与红光的光照强度，以此实现LED灯具中红、蓝光合成有效光子束密度PPFD(photo synthetic photon density)的精确调控的不同比例，实现精准的补光符合多种植物生长光合作用的需求。 

PWM的占空比与半导体光源的工作电流为非线性单调关系，而半导体光源的工作电流与LED光量子密度为非线性单调关系，通过实验，建立PWM的占空比与红光或蓝光LED光量子密度对应数据表，分别存入E2PROM的两个数据区中。通过查表法，可以通过占空比的调节精确控制对应LED光量子密度，从而实现LED的红、蓝光量子密度比例的精确调节。当该LED光源照明系统在温室、组培室等农业设施中工人进行作业时可以关闭红光LED（即输出的PWM占空比为零），避免工人长期工作损害视力，以保护工人的视觉安全。采用红外传感器自动感应人体存在，当系统感受到人体后，白光的光照强度自动降到500lux及以下，以保护工人的视觉安全。整个检测与控制流程如图3所示。 

光源驱动模块最多可以有16个驱动单元，每个驱动单元可驱动一路暖白光LED或一路红光LED，故一个灯可由两个驱动单元驱动，一个光源驱动模块最多可控制驱动8个LED灯光源；每个LED光源由若干白光LED和若干红光LED阵列组成。整个控制系统最多可同时满足8种植物光合作用的需求。 

如图4所示，控制驱动板采用共用交流电源的电源插座，每个电源插座上安装一个控制基板，LED灯通过电源控制线与控制基板的驱动电路连接。针对某一种植物在不同生长阶段对不同光质的需求，设置不同的生长曲线调节参数，将参数存储到微处理器内部的EEPROM，白光、红光比例根据生长曲线调节参数通过数据分析软件模块自动调整相应的白光和红光的占空比。 

由于不同植物所需要的蓝光和红光的光照强度阈值不同，相应的白光（含红光、蓝光等多种波长的光）和蓝光的光照强度阈值也不同，所以生长曲线参数可以包括：红蓝光光质比例以及与之对应的白光的光照强度阈值以及红光的光照强度阈值、与所述白光的光照强度阈值以及红光的光照强度阈值对应的白光工作电流和红光工作电流、以及与所述白光工作电流对应的白光光占空比以及与所述红光工作电流对应的红光占空比，其中，不同的占空比对应的相应的波长和不同强度的光。 

此时，根据所述生长曲线参数得到所述植物当前所需的白光对应的白光占空比以及红光对应的红光占空比，具体包括：根据植物所需的红蓝光质比例，以及获得与之对应的白光的光照强度阈值以及红光的光照强度阈值，根据获得的白光的光照强度阈值以及红光的光照强度阈值得到相应的白光工作电流以及红光工作电流，根据白光工作电流到相应的白光占空比以及根据红光工作电流得到相应的红光占空比。 

白光占空比可以包括色温为1000-10000K的第一发光峰的第一占空比以及红光占空比可以包括波长为600-700nm 的第二发光峰的第二占空比。 

根据白光占空比生成相应的白光PWM信号，并根据白光PWM信号生成相应光照强度的白光以及根据红光占空比生成相应的红光PWM信号，并根据红光PWM信号生成相应光照强度的红光。

优选的，白光占空比包括色温为1000-10000K的第一发光峰的第一占空比以及红光占空比可以包括波长为600-700nm第二发光峰的第二占空比。 

本发明实施例，通过判断植物的生长曲线参数，得到植物生长此时所需的白光对应的白光占空比以及红光对应的红光占空比的占空比，根据白光占空比以及红光占空比生成相应波长的白光和相应波长的红光，由于占空比发生变化，白光和红光的光子密度会发生变化，白光和红光的光照强度以及光质发生变化，综上，本发明实施例可以在植物的不同生长状态发出与植物生长所需要的相应光照强度及光质的光，从而提高植物对光源的利用效率，进而提高植物光合作用效率与生长速度。 

控制驱动板的电源插座向控制驱动板提供220V交流电，控制驱动板将220V的交流电进行电压转换成12V、1A的低压直流电源，再通过12V、1A低压电输出端向LED灯具提供正常的工作电压。 

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。  

Claims (10)

1.用于植物生长的智能半导体光照系统，包括参数设置软件模块、主控模块、数据存储模块、光源驱动模块、人体感应模块和至少一个半导体光源，其特征在于，所述的主控模块分别与参数设置软件模块、光源驱动模块和人体感应模块连接，主控模块上装有数据分析软件模块和数据存储模块，光源驱动模块与半导体光源连接，所述的半导体光源由若干白光半导体光源和若干红光半导体光源组成；

所述的参数设置软件模块用于获取外部输入参数并将外部输入参数存储在数据存储模块中，所述的外部输入参数包括植物生长曲线参数； 

所述的数据分析软件模块从数据存储模块中获取外部输入参数，并得到与所述外部输入参数对应的光照强度值、红光和白光的光质比例，从而确定红、白光半导体光源各自所需的占空比； 

所述主控模块的I/O口输出与前述占空比相应的PWM波形信号给光源驱动模块，光源驱动模块输出与前述占空比对应的两路工作电流分别给红、白光半导体光源；

当所述的人体感应模块检测人体信号时，人体感应模块输出信号至数据分析软件模块，主控模块输出红光半导体光源占空比为零的相应PWM波形信号给光源驱动模块，使光源驱动模块关闭红光半导体光源的工作电流，同时调节白光半导体光源的占空比和相应的PWM波形信号，使白光强度自动降到500lux以内。

2.根据权利要求1所述的用于植物生长的智能半导体光照系统，其特征在于，所述的半导体光源为LED光源，LED的PWM占空比与其工作电流为非线性单调关系，LED工作电流与相应LED光量子密度也为非线性单调关系，通过确定白光和红光LED的光量子密度及与之对应的白光和红光占空比和工作电流，建立PWM占空比、LED光源的工作电流与红光或蓝光LED光量子密度对应数据表，分别存入数据存储模块的两个数据区中；

所述的红光或蓝光LED光量子密度对应数据表包括光照强度值和红蓝光质比例特征。

3.根据权利要求1所述的用于植物生长的智能半导体光照系统，其特征在于，所述的植物生长曲线参数包括：红、蓝光光质比例以及与之对应的白光的光照强度阈值以及红光的光照强度阈值、与所述白光的光照强度阈值以及红光的光照强度阈值对应的白光工作电流和红光工作电流、以及与所述白光工作电流对应的白光占空比以及与所述红光工作电流对应的红光占空比，其中，不同的占空比对应相应的波长和不同强度的光。

4.根据权利要求3所述的用于植物生长的智能半导体光照系统，其特征在于，所述的植物生长曲线参数还包括植物所需的光照周期。

5.根据权利要求2所述的用于植物生长的智能半导体光照系统，其特征在于，所述LED光源由按照预设规律排列的若干白光LED和若干红光LED组成，以使所述LED光源在其照射面上形成均匀的光强和光质。

6.根据权利要求2所述的用于植物生长的智能半导体光照系统，其特征在于，所述的LED采用OLED或激光二极管代替。

7.根据权利要求1或2所述的用于植物生长的智能半导体光照系统，其特征在于，所述白光半导体光源的色温在1000-10000K，红光半导体光源的波长在600-700nm。

8.根据权利要求1所述的用于植物生长的智能半导体光照系统，其特征在于，所述的主控模块为微处理器或单片机，其安装在一控制主板上，所述的光源驱动模块安装在一控制驱动板上，所述的半导体光源安装在白、红光混光灯板上，所述的参数设置软件模块安装在手持控制器或电脑上，所述的人体感应模块为人体感应器，所述的数据存储模块为EEPROM。

9.利用权利要求1-8任一项所述用于植物生长的智能半导体光照系统的光谱调制方法，其特征在于，其步骤如下：

1)根据白光半导体光源和红光半导体光源的相对光谱分布，通过仿真模拟调控半导体光源的工作电流，确定白光半导体光源与红光半导体光源以合适的光谱比例混合成符合植物生长所需的光照强度和光质，并建立相对应的光照强度和光质比例数据库；

2）根据所述植物对应相应的生长曲线参数，并根据所述生长曲线参数得到所述植物当前所需的光照强度和红、蓝光质比例，确定白光对应的白光占空比以及红光对应的红光占空比；

3)主控模块根据所述白光和红光半导体光源的占空比输出两路相应的PWM波形信号控制工作电流，根据所述白光占空比生成相应的白光PWM波形信号，并根据白光PWM波形信号生成相应光照强度的白光；根据所述红光占空比生成相应的红光PWM波形信号，并根据所述红光PWM波形信号生成相应光照强度的红光，实现植物光照所需的半导体光源的红、蓝光量子密度。

10.根据权利要求9所述的光谱调制方法，其特征在于，由色温1000-10000K白光半导体光源所发出的光质和波长在600-700nm红光半导体光源的所发出的光质调制成植物生长所需光谱。

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