CN103250600A - 一种植物工厂栽培架智能LEDs灯架调控系统 - Google Patents

Abstract

一种植物工厂栽培架智能LEDs灯架调控装置，它包括驱动组、传动组、灯架组、超声波测距传感器（10）、系统控制器、栽培架（12）和栽培槽（11）；所述驱动组包括步进电机（1）、滚筒（2）、滚筒支撑轴承（13）和滚筒轴（14），所述传动组包括左柔性悬挂钢索（3）、右柔性悬挂钢索（4）、左支撑滚轮（5）、右支撑滚轮（6）和支撑滚轮支座（7），所述灯架组包括可调灯架悬挂锁紧装置（8）、LEDs灯架（9）和悬挂锁紧装置安装孔（15）。通过超声测距传感器探测灯板和栽培作物冠层的高度，可实现随着作物生长高度的变化自动调整灯板的位置，以便保持灯板光源和作物冠层的合理高度。

Description

一种植物工厂栽培架智能LEDs灯架调控系统

技术领域

本发明涉及智能农业装备和机电自动控制领域，特别涉及一种利用超声测距技术和电机传动控制技术来实现植物工厂内栽培架多层灯架高度自动调控系统。

背景技术

植物工厂是通过高精度环境控制实现农作物周年连续生产的农业系统，即利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO₂浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂可实现蔬菜、花卉、水果、药材、食用菌以及一部分粮食作物等生产，是知识与技术密集的集约型立体农业生产方式。国外发达国家植物工厂已实现商业化应用，我国植物工厂的发展正处于起步阶段，各项技术的研究正在逐步开展。特别是对于密闭型植物工厂内部调控设备自动化检测和运行控制是噬待解决的关键核心技术。植物工厂内作物采用立体化栽培方式，且栽培架是用量大，同时利用人工光源提供植物所需光照条件，人工光源所创造的光照条件因空间高度的变化而改变，将光源集成于栽培架的栽培架智能LEDs灯架调控装置是解决因植物生长变化维持或改变光照条件的重要装置。

光是影响植物生长发育最重要的环境因子之一，光质、光强和光照时间变化被植物光受体感知后而影响植物的生长发育、形态建成、光合作用和物质代谢等生命活动。光不但为植物光合作用提供能量，而且还作为环境信号调节植物某些生命活动。LEDs是一种新型高效的节能光源，具有体积小、寿命长、耗能低、波长精确可调和低发热等优点，能根据植物需要进行发光光谱的精确配置，因此适合可控环境的植物栽培和培养。目前国外已进行了LEDs光源对植物生长影响的效应与机理研究，使得LEDs光源广泛地应用于密闭型植物工厂高效生产中。不同的作物或作物生长的不同阶段对于光强的需求是不同的，目前有三种调节方法（1）调节LEDs光源和作物冠层之间的距离；（2）调节LEDs的供电电压和电流控制LEDs芯片的发光强度，进而调节照射到作物冠层上的光强；（3）通过启闭LEDs灯组数量。

其中方法（2）因其采用供电电压和电流调整LEDs光源亮度会造成波段偏差，使得所设计的光谱光质发生改变，不能到达最优化的光谱匹配的产量效益，此外，过大的电流会影响LEDs光源的使用寿命，过小的电流不能发挥LEDs光源的效能。方法（3）虽然可以弥补方法（2）的不足，但会造成作物冠层光照不均匀。方法(1)通过调节光源和作物冠层之间的距离可弥补方法(2)和方法(3)的不足，但目前所采用的措施因其操作不便，实际使用时存在不能自动调控及调控精度不准等问题。

本发明正是基于手动调节LEDs光源和作物冠层之间距离的上述问题而开发的。

发明内容

本发明是针对手动调节LEDs光源和作物冠层之间的距离时操作不便，实际操作时不能自动调控及调控精度不准的问题而研发一种利用电机控制、传动技术、超声测距传感技术和嵌入式控制技术的智能LEDs灯架调控装置及调控系统，以实现LEDs光源和作物冠层之间距离的精确自动调控。

本发明的技术方案是：

一种植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，所述的植物工厂设有若干个栽培架，各栽培架上设有若干层放置植物的栽培槽，其特征是所述的智能LEDs灯架调控系统包括驱动组件、传动组、灯架组和控制器；所述驱动组包括步进电机和滚筒；所述传动组包括至少一组左、右柔性悬挂钢索以及与悬挂钢索数量对应的左、右支撑滚轮，所述灯架组包括至少一个LEDs灯架；所述驱动组安装在栽培架的顶部，步进电机的控制信号输入端与控制器的输出端相连，步进电机的输出驱动滚筒，左、右柔性悬挂钢索的一端均安装在滚筒上，左、右柔性悬挂钢索的另一端分别绕过左、右支撑滚轮悬挂在栽培架的两侧，左、右支撑滚轮分别安装在栽培架的两顶角上，所述各LEDs灯架的两端对称地固定在左、右柔性悬挂钢索上。

所述的LEDs灯架上装有超声波测距传感器，所述的超声波测距传感器用于检测LEDs光源和栽培槽中作物冠层之间的距离，所述的超声波测距传感器的检测信号输出端与控制器的检测信号输入端相连。

所述的超声波测距传感器安装于LEDs灯架的中心位置，其测量范围0～50cm，测量分辩率精度为3mm。

所述的滚筒的半径R和LEDs灯架提升的最大行程L满足的数量关系。

所述驱动组包括步进电机、滚筒、滚筒轴和两滚筒支撑轴承；所述的驱动组设置在栽培架顶部的中间位置，与栽培架的侧壁平行，步进电机的输出轴与滚筒轴的一端相连，滚筒套装在滚筒轴上，两滚筒支撑轴承分别套装在滚筒轴的两端。

所述传动组还包括若干个用于安装支撑滚轮的支撑滚轮支座；所述左柔性悬挂钢索和右柔性悬挂钢索分别从滚筒圆周面的上下对称位置，向相反方向即栽培架的两侧引出，当滚筒顺时针转动或逆时针转动时，两侧柔性悬挂钢索同时提升或释放。

所述灯架组还包括可调灯架悬挂锁紧装置和悬挂锁紧装置安装孔，各LEDs灯架的左右两侧均设有悬挂锁紧装置安装孔，悬挂锁紧装置通过悬挂锁紧装置安装孔将LEDs灯架的两侧分别固定在左、右柔性悬挂钢索上；该悬挂锁紧装置包括解锁器、锁紧钢球、连接螺母、锁紧弹簧、锁紧螺丝和调压螺丝；所述锁紧螺丝为空心柱体，上部成圆锥面形状，锁紧螺丝的内外表面分别有内螺纹和外螺纹；所述锁紧弹簧安放在锁紧螺丝的内部，其下端放置在调压螺丝上，调压螺丝通过内螺纹紧固，并可上下旋动来调整弹簧压力；所述锁紧弹簧的上端和解锁器底平面配合，对解锁器施加压力，锁紧钢球放置在解锁器下部开设的三个圆孔槽内，可自由运动，所述锁紧钢球在弹簧压力的作用下，通过锁紧螺丝上部圆锥面挤压锁紧钢球，以锁紧左、右柔性悬挂钢索，解锁器上端露于锁紧螺丝的圆锥面外，在外力作用下，克服弹簧弹力可向下运动，锁紧钢球外部空间变大，从而释放左、右柔性悬挂钢索；所述解锁器和调压螺丝同轴设置，解锁器中心开有通孔，任一侧柔性悬挂钢索通过该通孔穿过锁紧螺丝；所述连接螺母将LEDs灯架紧固在锁紧螺丝上。 

所述LEDs灯架的左右两侧的悬挂锁紧装置安装孔相对错开一定的距离；所述的LEDs灯架的任一侧分别均布有7个条形LED灯组安装孔，在LEDs灯架内部设有3条LED灯悬挂杆。

所述控制器包括处理器以及与处理器连接的RS485接口、显示模块、按键操作模块和SD卡存储模块。

本发明的有益效果：

（1）通过超声测距传感器探测灯板和栽培作物冠层的高度，可实现随着作物生长高度的变化自动调整灯板的位置，以便保持灯板光源和作物冠层的合理高度；

（2）可自由设定作物生长各个阶段的光源和作物冠层的距离，实现自动调控，可以以最低的光源能耗满足作物各阶段生长的需要；

（3）可精确地调整光源和作物冠层之间的距离，亦可配合光源开启的数量来调整光强，实现多种方法调控光强。

附图说明

图1是本发明的结构前视图。

图2是本发明的结构俯视图。

图3是本发明LEDs灯架结构图。

图4是本发明的悬挂锁紧装置锁紧状态放大图。

图5是本发明的悬挂锁紧装置放松状态放大图。

图6是本发明的控制器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明植物工厂栽培架智能LEDs灯架调控系统，主要包括驱动组（步进电机1 、滚筒2、滚筒支撑轴承13、滚筒轴14）、传动组（左柔性悬挂钢索3、右柔性悬挂钢索4、左支撑滚轮5、右支撑滚轮6、支撑滚轮支座7 ）、灯架组（可调灯架悬挂锁紧装置8、LEDs灯架9、悬挂锁紧装置安装孔15）、超声传感器10、系统控制器、栽培架12、栽培槽11等部件构成。

步进电机1可实现正反转，并采用步距细分技术实现小角度的步进位移，实现LEDs灯架9高度的高精度调节。步进电机1和滚筒2通过键相配合联接，安装于栽培架顶部的中心位置，滚筒两端由轴承支撑。

左、右侧悬挂柔性3、4钢索分别从上下两侧与滚筒圆柱面相连接，当滚筒2顺时针或逆时针转动时，带动左、右侧悬挂柔性钢索3、4以相同的速度运行，使卷入和释放的长度相同，以保持调整LEDs灯架9高度时灯架平稳并水平的状态。

左右支撑滚轮5、6采用带槽口设计，左、右侧悬挂柔性钢索3、4分别放置在相应支撑滚轮5、6的槽口内，以防止柔性钢索3、4运动时脱落。

在LEDs灯架9中心位置安装有超声波测距传感器10，可发射并接受被物体反射的超声波，通过检测发射和接受时间间隔，结合超声波在空气中的传播速度，计算LEDs光源和作物冠层之间的距离，为自动化步进电机1实时调整提供参数。

如图3所示。LED  s灯架9由灯架外框16、悬挂接口17、悬挂锁紧装置安装孔15、 LED灯组安装孔18、 LED灯悬挂杆19构成。4个悬挂锁紧装置安装孔15和图4中所示的悬挂锁紧装置8相配合，实现LEDs灯架9的定位；多个均布的LED灯组安装孔18用于安装条形LED灯。多个LED灯悬挂杆19用于安装独立圆形LED灯。

各组LEDs灯架9通过4个安装在左右两侧悬挂锁紧装置安装孔15中的悬挂锁紧装置8与柔性悬挂钢索3、4相连接，初次安装时，利用水平仪，通过手工调节4个悬挂锁紧装置8，使得LEDs灯架9满足水平安装要求。

如图4、图5所示。该悬挂锁紧装置8包括解锁器8-1、锁紧钢球8-3、连接螺母8-4、8-9、锁紧弹簧8-6、锁紧螺丝和调压螺丝8-8；所述锁紧螺丝为空心柱体，上部成圆锥面形状，锁紧螺丝的内外表面分别有内螺纹8-10和外螺纹8-7；所述锁紧弹簧8-6安放在锁紧螺丝的内部，其下端放置在调压螺丝8-8上，调压螺丝8-8通过内螺纹8-10紧固，并可上下旋动来调整弹簧压力；所述锁紧弹簧8-6的上端和解锁器8-1底平面配合，对解锁器8-1施加压力，锁紧钢球8-3放置在解锁器8-1下部开设的三个圆孔槽内，可自由运动，所述锁紧钢球8-3在弹簧压力的作用下，通过锁紧螺丝上部圆锥面挤压锁紧钢球8-3，以锁紧左、右柔性悬挂钢索3、4，解锁器8-1上端露于锁紧螺丝的圆锥面外，在外力作用下，克服弹簧弹力可向下运动，锁紧钢球8-3外部空间变大，从而释放左、右柔性悬挂钢索3、4；所述解锁器8-1和调压螺丝8-8同轴设置，解锁器8-1中心开有通孔，任一侧柔性悬挂钢索通过该通孔穿过锁紧螺丝；所述连接螺母8-4、8-9将LEDs灯架9紧固在锁紧螺丝上。

如图6所示。控制系统硬件包括基于Cortex-M3处理器STM32F103RCT6、超声测距传感器、RS485模块、显示模块、按键操作模块、SD卡存储模块和电源管理模块。

系统启动后首先进行自检测，以发现并排除故障，如有故障则显示故障码并声音报警。如果自检通过，判断是处于自动控制还是手动控制状态，如为自动控制状态，则读取超声波传感器的距离信号，经计算后与用户所设定的光源和作物冠层之间的距离数据进行比对，根据比对结果完成步进电机的步进旋转控制，进而实现LEDs灯架的高度升降调整。如果为手动控制模式，则通过响应用户按键操作来实现步进电机的控制。也可以根据用户依据时间的控制策略写入SD卡中，在处理器的控制下完成自动调节。本系统设计有RS485接口，可方便的实现接入总线网络，实现集中控制。

Claims (9)

1.一种植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，所述的植物工厂设有若干个栽培架（12），各栽培架（12）上设有若干层放置植物的栽培槽（11），其特征是所述的智能LEDs灯架调控系统包括驱动组件、传动组、灯架组和控制器；所述驱动组包括步进电机（1）和滚筒（2）；所述传动组包括至少一组左、右柔性悬挂钢索（3、4）以及与悬挂钢索数量对应的左、右支撑滚轮（5、6），所述灯架组包括至少一个LEDs灯架（9）；所述驱动组安装在栽培架（12）的顶部，步进电机（1）的控制信号输入端与控制器的输出端相连，步进电机（1）的输出驱动滚筒（2），左、右柔性悬挂钢索（3、4）的一端均安装在滚筒（2）上，左、右柔性悬挂钢索（3、4）的另一端分别绕过左、右支撑滚轮（5、6）悬挂在栽培架（12）的两侧，左、右支撑滚轮（5、6）分别安装在栽培架（12）的两顶角上，所述各LEDs灯架（9）的两端对称地固定在左、右柔性悬挂钢索（3、4）上。

2.根据权利要求1所述的植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，其特征是所述的LEDs灯架（9）上装有超声波测距传感器（10），所述的超声波测距传感器（10）用于检测LEDs光源和栽培槽（11）中作物冠层之间的距离，所述的超声波测距传感器（10）的检测信号输出端与控制器的检测信号输入端相连。

3.根据权利要求2所述的植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，其特征是所述的超声波测距传感器（10）安装于LEDs灯架（9）的中心位置，其测量范围0～50cm，测量分辩率精度为3mm。

4.根据权利要求1所述的植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，其特征是所述的滚筒（2）的半径R和LEDs灯架（9）提升的最大行程L满足的数量关系。

5.根据权利要求1所述的植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，其特征是所述驱动组包括步进电机（1）、滚筒（2）、滚筒轴（14）和两滚筒支撑轴承（13）；所述的驱动组设置在栽培架（12）顶部的中间位置，与栽培架（12）的侧壁平行，步进电机（1）的输出轴与滚筒轴（14）的一端相连，滚筒（2）套装在滚筒轴（14）上，两滚筒支撑轴承（13）分别套装在滚筒轴（14）的两端。

6.根据权利要求1所述的植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，其特征是所述传动组还包括若干个用于安装支撑滚轮的支撑滚轮支座（7）；所述左柔性悬挂钢索（3）和右柔性悬挂钢索（4）分别从滚筒（2）圆周面的上下对称位置，向相反方向即栽培架（12）的两侧引出，当滚筒（2）顺时针转动或逆时针转动时，两侧柔性悬挂钢索同时提升或释放。

7.根据权利要求1所述的植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，其特征是所述灯架组还包括可调灯架悬挂锁紧装置（8）和悬挂锁紧装置安装孔（15），各LEDs灯架（9）的左右两侧均设有悬挂锁紧装置安装孔（15），悬挂锁紧装置（8）通过悬挂锁紧装置安装孔（15）将LEDs灯架（9）的两侧分别固定在左、右柔性悬挂钢索（3、4）上；该悬挂锁紧装置（8）包括解锁器（8-1）、锁紧钢球（8-3）、连接螺母（8-4、8-9）、锁紧弹簧（8-6）、锁紧螺丝和调压螺丝（8-8）；所述锁紧螺丝为空心柱体，上部成圆锥面形状，锁紧螺丝的内外表面分别有内螺纹（8-10）和外螺纹（8-7）；所述锁紧弹簧（8-6）安放在锁紧螺丝的内部，其下端放置在调压螺丝（8-8）上，调压螺丝（8-8）通过内螺纹（8-10）紧固，并可上下旋动来调整弹簧压力；所述锁紧弹簧（8-6）的上端和解锁器（8-1）底平面配合，对解锁器（8-1）施加压力，锁紧钢球（8-3）放置在解锁器（8-1）下部开设的三个圆孔槽内，可自由运动，所述锁紧钢球（8-3）在弹簧压力的作用下，通过锁紧螺丝上部圆锥面挤压锁紧钢球（8-3），以锁紧左、右柔性悬挂钢索（3、4），解锁器（8-1）上端露于锁紧螺丝的圆锥面外，在外力作用下，克服弹簧弹力可向下运动，锁紧钢球（8-3）外部空间变大，从而释放左、右柔性悬挂钢索（3、4）；所述解锁器（8-1）和调压螺丝（8-8）同轴设置，解锁器（8-1）中心开有通孔，任一侧柔性悬挂钢索通过该通孔穿过锁紧螺丝；所述连接螺母（8-4、8-9）将LEDs灯架（9）紧固在锁紧螺丝上。

8.根据权利要求7所述的植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，其特征是所述LEDs灯架（9）的左右两侧的悬挂锁紧装置安装孔（15）相对错开一定的距离；所述的LEDs灯架（9）的任一侧分别均布有7个条形LED灯组安装孔（18），在LEDs灯架（9）内部设有3条LED灯悬挂杆（19）。

9.根据权利要求1所述的植物工厂栽培架用智能LEDs灯架调控系统，其特征是所述控制器包括处理器以及与处理器连接的RS485接口、显示模块、按键操作模块和SD卡存储模块。

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