CN104359049A - 植物人工光栽培智能精准照明节能方法及其装置 - Google Patents

植物人工光栽培智能精准照明节能方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种植物人工光栽培智能精准照明节能方法，包括如下步骤：A调整人工光源强度；B调节人工光源距离植物冠层的距离；C对人工光源上设置的调焦透镜进行调焦，以控制人工光源透过调焦透镜后的投射到植物冠层的光斑大小；通过C与A和\或B的协同运作，将强度尽量低的人工光源置于植物冠层上方适合距离处，使透过调焦透镜射出的光以能满足植物生长所需的光强投射到植物冠层，形成的光斑大小在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙。本发明还提供用于所述精准照明节能方法的装置，主要由光源架、升降机构、光源-透镜单元和电源构成。本发明的方法为植物提供精准的光照范围和强度，大大避免了栽培过程中光能的浪费。

Description

植物人工光栽培智能精准照明节能方法及其装置
技术领域
本发明涉及设施栽培领域，具体涉及一种植物人工光栽培智能精准照明节能方法及其装置。
背景技术
已有研究表明适当地补充光照可以使植物生长速度加快，品质提升，同时具有调节其光形态建成，调节花期等效果。随着植物工厂技术的发展与人们对高品质蔬菜、花卉的追求，完全使用人工光进行蔬菜、花卉栽培的植物工厂也越来越多的被建设并投入运营。
植物不管是利用基质栽培技术、水耕栽培技术还是气雾栽培技术进行种植，也不管是小苗定植时、植物生长前期定植时、植物生长后期定植时，均需在各棵植物周边留出足够的间隙，以使植物继续得以伸展长大，避免相互拥挤造成徒长、黄化，甚至不透气、温度过高以致植物腐烂等。
当使用人工补光或者完全人工光进行栽培时，在整个植物生长期间很大一部分光落到了植物以外的间隙上，造成很大的能源浪费。如图1所示，S为植物冠层投影面积，t为生长时间，图中曲线为植物冠层投影面积随生长时间变化曲线。阴影部分为现有照射方式下投在植物以外的光的面积，即可被节约的部分。
发明内容
针对植物生长期间很大一部分光落到了植物以外的间隙上，造成很大能源浪费的问题，本发明旨在提供一种植物人工光栽培智能精准照明节能方法及其装置。
本发明的植物人工光栽培智能精准照明节能方法，包括如下步骤：
A调整人工光源强度；
B调节人工光源距离植物冠层的距离；
C对人工光源上设置的调焦透镜进行调焦，以控制人工光源透过调焦透镜后的投射到植物冠层的光斑大小；
通过C与A和\或B的协同运作，将强度尽量低的人工光源置于植物冠层上方适合距离处，使透过调焦透镜射出的光以能满足植物生长所需的光强投射到植物冠层，形成的光斑大小在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙。
所述能满足植物生长所需的光强，针对不同植物标准不同，一般在50-150μmol·m-2·s-1范围内。
在C与A和\或B的协同运作时，在能达到所需效果(以能满足植物生长所需的光强投射到植物冠层，形成的光斑大小在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙)的前提下，人工光源的强度越小越好。
其中，所述C与A和\或B的协同运作，通过以下方式实现：
I人工手动调节；
或II机械智能调节。
其中，所述II机械智能调节，为以摄像头检测植物冠层的面积和形状，将检测结果反馈给控制系统，以控制系统调控C与A和\或B的协同运作。
本发明还提供用于所述植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置，主要由光源架、升降机构、n个光源-透镜单元和电源构成；所述光源-透镜单元分若干排安装在光源架上，光源-透镜单元由人工光源和设置在其上的一组调焦透镜构成：通过升降机构调整光源架的高度，电源为光源-透镜单元中的人工光源提供电能并调节其光强；n为自然数。
当需为光源架下种植的n棵植物提供人工光时，就在光源架上安装n个光源-透镜单元，对植物一对一的提供人工光照射。
本装置使用时，调节电源达到A调整人工光源强度的作用；调节升降机构达到B调节人工光源距离植物冠层的距离的作用；调节调焦透镜距离人工光源的距离达到C对人工光源上设置的调焦透镜进行调焦，以控制人工光源透过调焦透镜后的投射到植物冠层的光斑大小的作用。
其中，所述一组调焦透镜为至少一个的调焦透镜，所述调焦透镜为凸透镜和/或菲涅尔透镜。
其中，所述人工光源为植物栽培中常用的人工光源，优选红色LED光源和蓝色LED光源。
其中，所述调节其光强为调节红色LED光源的光强和调节蓝色LED光源的光强。
其中，用于所述植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置，还包括摄像头和控制系统：以摄像头检测植物冠层面积和形状，将检测结果反馈给控制系统，以控制系统对电源、升降机构和调焦透镜进行调节来调控C与A和\或B的协同运作。
其中，所述摄像头安装在光源架上，优选可以沿光源架前后左右移动，以确保能检测到光源架下所有植物冠层的面积和形状。
本发明还提供所述装置的使用方法，具体步骤如下：
1)在植物冠层面积较小时，调节电源使人工光源的光强较小，调节升降机构使光源架距离植物冠层较短，调节调焦透镜距离人工光源的距离，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，再次调节电源，使到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强；
2)随着植物逐渐长大，逐渐调节升降机构使光源架距离植物冠层稍远，调节调焦透镜距离人工光源的距离，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小在全覆盖长大的植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，调节电源，使到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强。
所述装置的使用方法，优选具体步骤如下：
以摄像头检测植物冠层面积和形状，将检测结果反馈给控制系统，以控制系统控制进行步骤1)、步骤2)。
本发明还提供所述植物人工光栽培智能精准照明节能方法在植物栽培中的应用。
本发明还提供用于所述植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置在植物栽培中的应用。
本发明植物人工光栽培智能精准照明节能方法的优点如下：
1、在确保提供植物所需光的前提下，通过精准照明节提供精准的光照范围，最大可能地减少了人工光投射到植物之间的间隙造成的浪费。
2、通过距离和光强的调节，在精准控制照明强度，满足各个时期植物所需光强的前提下，尽可能降低人工光源的能耗，最大幅度地节能。
3、以机械智能调节电源、升降机构和调焦透镜，在达到及时调整、精准调整的同时，大大节约了人力劳动。
附图说明
图1为背景技术中整个植物生长期间植物冠层投影面积随时间的变化曲线。
图2为本发明实施例1用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置结构示意图。
图3为本发明实施例1使用一块调焦透镜的光源-透镜单元结构示意图。
图4为本发明实施例1使用一块调焦透镜的光源-透镜单元的照片，a为投射的光斑较小时的照片，b是投射的光斑较大时的照片。
图5为本发明实施例2用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置的结构示意图。
图6为本发明实施例2使用两块调焦透镜的光源-透镜单元结构示意图。
图7为本发明实施例2使用两块调焦透镜的光源-透镜单元的照片，a为投射的光斑较小时的照片，b是投射的光斑较大时的照片。
其中，S为植物冠层投影面积，t为生长时间，1为光源架，2为升降机构，3为光源-透镜单元，4为电源，5为摄像头，6为控制系统，7为人工光源，8为调焦透镜。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1本发明用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置1
本实施例的用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置的结构示意图见图2，由光源架1、升降机构2、24个光源-透镜单元3和电源4构成；所述光源-透镜单元3分成4排安装在光源架上，每排6个。光源-透镜单元3的结构示意图见图3，由人工光7和设置在其上的一组调焦透镜8构成：通过升降机构2调整光源架1的高度，电源4为光源-透镜单元3中的人工光源7提供电能并调节其光强。
本实施例光源-透镜单元3所用的一组调焦透镜8含有一块调焦透镜(见图3)，所用调焦透镜为150mm的菲涅尔透镜，可以规格相应的凸透镜替换。
本实施使用一块调焦透镜的光源-透镜单元的照片见图4。4a为投射的光斑较小时的照片，此时人工光源距离光斑(照片中为映射在白纸的光斑，表示植物冠层所在位置，下同)的的高度为30cm，调焦透镜距离人工光源的距离是10cm，光斑大小为直径5cm；4b是投射的光斑较大时的照片，此时人工光源距离光斑的的高度为30cm，调焦透镜距离人工光源的距离是1cm，光斑大小为直径26cm。
本发明所用人工光源为红色LED光源和蓝色LED光源，4排光源-透镜单元3每个均为红-蓝双芯片LED。人工光源的种类(除了LED光源，还可以选用植物栽培中常用的其他人工光源)和排列方式可依据植物的具体需要而进行调整。
实施例2本发明用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置2
本实施例的用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置的结构示意图见图5，由光源架1、升降机构2、30个光源-透镜单元3、电源4、摄像头5和控制系统6构成；所述光源-透镜单元3分成5排安装在光源架上，每排6个。光源-透镜单元3的结构示意图见图6，由人工光7和设置在其上的一组调焦透镜8构成：通过升降机构2调整光源架1的高度，电源4为光源-透镜单元3中的人工光源7提供电能并调节其光强，所述摄像头5安装在光源架1上，可以沿光源架1前后左右移动，以摄像5检测光源架1下植物冠层的面积和形状，将检测结果反馈给控制系统6，以控制系统6对电源4、升降机构2和光源-透镜单元3中的调焦透镜8进行调节。
本实施例光源-透镜单元3所用的一组调焦透镜8含有两块调焦透镜(见图6)，所用调焦透镜为一块25mm的凸透镜和一块150mm的菲涅尔透镜，规格相应的凸透镜和菲涅尔透镜可以相互替换。使用时距离人工光源较近的凸透镜的位置一般不变，调整距离人工光源较远的菲涅尔透镜的位置。
本实施使用两块调焦透镜的光源-透镜单元的照片见图7，其中人工光源和25mm的凸透镜距离非常近，仅0.5cm，照片中的人工光源被凸透镜和将凸透镜安装在人工光源上的支架所遮挡。a为投射的光斑较小时的照片，此时人工光源距离光斑的的高度为30cm，凸透镜距离人工光源的距离是0.5cm，菲涅尔透镜距离人工光源的距离是10cm，光斑大小为直径5cm；b是投射的光斑较大时的照片，此时人工光源距离光斑的的高度为30cm，凸透镜距离人工光源的距离是0.5cm，菲涅尔透镜距离人工光源的距离是1cm，光斑大小为直径20cm。
本发明所用人工光源为红色LED光源和蓝色LED光源，5排光源-透镜单元3每个均为红-蓝双芯片LED。人工光源的种类(除了LED光源和/或蓝色LED光源，还可以选用植物栽培中常用的其他人工光源)和排列方式可依据植物的具体需要而进行调整。
实施例3使用用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置1
本实施例所用的的用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置参见实施例1。
在光源架下按照6×4种植4排共24棵小油菜，位置和光源架上按照的光源-透镜单元3形成一对一的关系。
人工手动调节，具体步骤如下：
1)在小油菜植物冠层面积较小时，调节电源使人工光源的光强较小，调节升降机构使光源架距离植物冠层较短(10cm)，调节调焦透镜距离人工光源的距离(5cm)，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小(直径4cm)在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，再次调节电源使人工光源的功率为0.5W(不加透镜需功率为1.5W)，到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强100μmol·m-2·s-1；
2)随着小油菜逐渐长大，逐渐调节升降机构使光源架距离植物冠层稍远，调节调焦透镜距离人工光源的距离，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小在全覆盖长大的植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，调节电源，使到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强。当小油菜长成时，光源架距离植物冠层15cm，调焦透镜距离人工光源的距离1cm，植物冠层形成的光斑大小直径20cm，人工光源的功率为2W(不加透镜需功率为3W)，本阶段植物生长所需的光强150μmol·m-2·s-1。
按照本实施的方法，以全人工光照的方式种植一茬24棵小油菜所用的电能为8KW，比常规全人工光照的方式节省电能68％。
本实施例在确保提供植物所需光的前提下，通过精准照明节最大可能地减少了人工光投射到植物之间的间隙造成的浪费；同时本实施通过距离和光强的调节，在满足各个时期植物所需光强的前提下，尽可能使人工光源的能耗较小，最大幅度地节能。
实施例4使用用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置2
本实施例所用的的用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置参见实施例2。
在光源架下按照6×4种植4排共24棵生菜，位置和光源架上按照的光源-透镜单元3形成一对一的关系。
机械智能调节，具体步骤如下：以摄像头检测植物冠层面积和形状，将检测结果反馈给控制系统，以控制系统控制进行如下操作：
1)在生菜植物冠层面积较小时，调节电源使人工光源的光强较小，调节升降机构使光源架距离植物冠层较短(10cm)，调节调焦透镜距离人工光源的距离(5cm)，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小(直径4cm)在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，再次调节电源使人工光源的功率为0.5W(不加透镜需功率为1.5W)，到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强100μmol·m-2·s-1；
2)随着生菜逐渐长大，逐渐调节升降机构使光源架距离植物冠层稍远，调节调焦透镜距离人工光源的距离，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小在全覆盖长大的植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，调节电源，使到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强。当生菜长成时，光源架距离植物冠层15cm，调焦透镜距离人工光源的距离1cm，植物冠层形成的光斑直径20cm，人工光源的功率为2W(不加透镜需功率为3W)，本阶段植物生长所需的光强150μmol·m-2·s-1。
按照本实施的方法，以全人工光照的方式种植一茬24棵生菜所用的电能为8KW，比常规全人工光照的方式节省电能68％。
本实施例在确保提供植物所需光的前提下，通过精准照明节最大可能地减少了人工光投射到植物之间的间隙造成的浪费；同时本实施通过距离和光强的调节，在满足各个时期植物所需光强的前提下，尽可能使人工光源的功率较小，最大幅度地节能；而且本实施例以机械智能调节电源、升降机构和调焦透镜，在达到及时调整、精准调整的同时，大大节约了人力劳动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种植物人工光栽培智能精准照明节能方法，其特征在于，包括如下步骤：
A调整人工光源强度；
B调节人工光源距离植物冠层的距离；
C对人工光源上设置的调焦透镜进行调焦，以控制人工光源透过调焦透镜后的投射到植物冠层的光斑大小；
通过C与A和\或B的协同运作，将强度尽量低的人工光源置于植物冠层上方适合距离处，使透过调焦透镜射出的光以能满足植物生长所需的光强投射到植物冠层，形成的光斑大小在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙。
2.如权利要求1所述的植物人工光栽培智能精准照明节能方法，其特征在于，所述C与A和\或B的协同运作，通过以下方式实现：
I人工手动调节；
或II机械智能调节。
3.如权利要求2所述的植物人工光栽培智能精准照明节能方法，其特征在于，所述II机械智能调节，为以摄像头检测植物冠层的面积和形状，将检测结果反馈给控制系统，以控制系统调控C与A和\或B的协同运作。
4.用于权利要求1-3任一项所述植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置，其特征在于，主要由光源架、升降机构、n个光源-透镜单元和电源构成；所述光源-透镜单元分若干排安装在光源架上，光源-透镜单元由人工光源和设置在其上的一组调焦透镜构成：通过升降机构调整光源架的高度，电源为光源-透镜单元中的人工光源提供电能并调节其光强；n为自然数。
5.如权利要求4所述的用于权利要求1-3任一项植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置，其特征在于，所述一组调焦透镜为至少一个的调焦透镜，所述调焦透镜为凸透镜和/或菲涅尔透镜。
6.如权利要求4所述的用于权利要求1-3任一项植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置，其特征在于，还包括摄像头和控制系统：以摄像头检测植物冠层面积和形状，将检测结果反馈给控制系统，以控制系统对电源、升降机构和调焦透镜进行调节来调控C与A和\或B的协同运作。
7.使用权利要求4-6任一项所述装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)在植物冠层面积较小时，调节电源使人工光源的光强较小，调节升降机构使光源架距离植物冠层较短，调节调焦透镜距离人工光源的距离，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，再次调节电源，使到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强；
2)随着植物逐渐长大，逐渐调节升降机构使光源架距离植物冠层稍远，调节调焦透镜距离人工光源的距离，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小在全覆盖长大的植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，调节电源，使到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强。
8.使用权利要求6所述装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：以摄像头检测植物冠层面积和形状，将检测结果反馈给控制系统，以控制系统控制进行操作：
1)在植物冠层面积较小时，调节电源使人工光源的光强较小，调节升降机构使光源架距离植物冠层较短，调节调焦透镜距离人工光源的距离，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小在全覆盖植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，再次调节电源，使到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强；
2)随着植物逐渐长大，逐渐调节升降机构使光源架距离植物冠层稍远，调节调焦透镜距离人工光源的距离，使得透过调焦透镜射出的光在植物冠层形成的光斑大小在全覆盖长大的植物冠层的前提下尽量少地投射到植物之间的间隙，调节电源，使到达植物冠层的光强为能满足本阶段植物生长所需的光强。
9.权利要求1-3任一项所述植物人工光栽培智能精准照明节能方法在植物栽培中的应用。
10.权利要求4-6任一项所述用于植物人工光栽培智能精准照明节能方法的装置在植物栽培中的应用。
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