CN104483872A - 立体化种植的阳光分配系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了立体化种植的阳光分配系统。基于温室大棚的智能化，对温度、湿度等调节功能均较为完善，然而现有采光方式对太阳能的利用率低。本发明的机械装置驱动太阳能接收板；光电检测装置固定在太阳能接收板上，并通过检测电路与中心处理器连接；多块光纤安装板分别固定在种植架的一块隔板底部；每块光纤安装板的底部与一个漫射器固定；每束光纤束与一块光纤安装板连接；光纤束包括多根光纤，每根光纤的输出端固定在对应光纤安装板的一个光纤孔内，并对准对应的漫射器。本发明采用光电法自动追踪系统，菲涅尔透镜组聚光，经耦合，通过光导纤维的传导，输入漫射器，散射后，对植物进行光照，具有自动追踪太阳光和光谱波段的可调节功能。
Description
技术领域
本发明属于植物大棚种植领域，涉及光纤导光系统，具体涉及一种立体化种植的阳光分配系统。
背景技术
目前，国内部分企业提出利用光导管将户外阳光引入室内用于照明，采用光导管传导阳光，该技术广泛应用于家居、军事和采矿业等领域。此外，一些研究者提出将导光技术用于植物生长的设想，主要针对单株植物的生长照射，如房间里的盆栽等，但尚未出现相应的具体商用产品和实施方案。国外对立体化种植的阳光分配系统的研究与应用也不多。
阳光自动跟踪技术的发展，促进阳光实时追踪技术的进步，提高了光纤导光系统对太阳光的利用率。其中透镜等装置是光纤导光系统中的重要组成部分，国内外对透镜技术研究和制造水平近年来显著提高，成本也随之降低。基于温室大棚的智能化，对温度、湿度等调节功能均较为完善，然而在光照强度的调节方面，一般仍然采用以下四种方法：（1）改善设施的透光率；（2）遮光；（3）采用反光幕；（4）人工补光。这些传统的采光方式都大大降低了太阳能的利用率。
发明内容
本发明的目的是针对温室大棚立体种植的采光问题，提供一种立体化种植的阳光分配系统，将太阳光引进大棚内搭建的多层种植架结构中，增加可种植面积；采用光电法自动追踪系统，菲涅尔透镜组聚光，经耦合，通过光导纤维的传导，输入漫射器，散射后，对植物进行光照，具有自动追踪太阳光和光谱波段的可调节功能。
本发明采用下述技术方案：
本发明包括太阳能自动追踪器、菲涅尔透镜组、漫射器、太阳能电池板和灯光组；所述的太阳能电池板给灯光组供电；所述的太阳能自动追踪器包括光电检测装置、机械装置、中心处理器和检测电路。所述的机械装置包括第一电机、第二电机、第一蜗轮、第一蜗杆、传动轴、第二蜗杆和第二蜗轮；所述第一电机和第二电机的电源输入端均连接中心处理器的电源输出端；第一电机的输出轴与第一蜗杆通过联轴器连接，第一蜗轮固定在传动轴的一端，并与第一蜗杆啮合；传动轴的另一端与太阳能接收板沿水平轴铰接；第二电机的底座通过支架固定在传动轴上；第二电机的输出轴与第二蜗杆通过联轴器连接，第二蜗轮与太阳能接收板固定，并与第二蜗杆啮合；第二蜗轮的转轴与太阳能接收板的铰接轴同轴设置。所述的菲涅尔透镜组包括固定在太阳能接收板上的多个菲涅尔透镜；光电检测装置与菲涅尔透镜组垂直设置，且底部固定在菲涅尔透镜组的中心处；每个菲涅尔透镜的一个焦点与一束光纤束的输入端耦合；所述的光电检测装置为柱形，开设有光接收孔，且内部固定设有主光敏二极管、第一辅光敏二极管、第二辅光敏二极管、第三辅光敏二极管和第四辅光敏二极管；主光敏二极管设置在光接收孔正下方，第一辅光敏二极管、第二辅光敏二极管、第三辅光敏二极管和第四辅光敏二极管以主光敏二极管为圆心沿圆周均布设置；主光敏二极管、第一辅光敏二极管、第二辅光敏二极管、第三辅光敏二极管和第四辅光敏二极管的信号输出端均通过检测电路与中心处理器连接；多块光纤安装板分别固定在种植架的一块隔板底部；每块光纤安装板的底部与一个漫射器固定；光纤安装板的数量与菲涅尔透镜的数量相等，每束光纤束与一块光纤安装板连接；光纤束包括多根光纤，每根光纤的输出端固定在对应光纤安装板的一个光纤孔内，并对准对应的漫射器。所述的中心处理器与灯光组连接，灯光组均分为多组，组数与菲涅尔透镜的数量相等；每组灯光组与一块光纤安装板连接；每组的一个灯光设置在对应光纤安装板的一个光纤孔内。
所述的中心处理器采用AT89C51单片机。
本发明的有益效果：
1、本发明利用光纤具有透光性高、损耗率低、柔韧性好和安装方便的特点，可以顺利将光线传导至有光照需求的位置。
2、本发明通过漫射器有效地将太阳光还原，并均匀地将光线分布到所需位置，如有其它光线要求，可通过调节不同漫射器实现。
3、本发明的光纤束与菲涅尔透镜组形成分光装置，通过调节光纤束的输入端口到菲涅尔透镜的中心距离，实现了不同波段光谱的传导。
4、本发明的太阳能接收板能够沿水平轴和竖直轴转动，从而实现光电检测装置对太阳光的全方位自动追踪；菲涅尔透镜组与光电检测装置垂直设置，使阳光总趋于垂直入射，增加太阳能的利用率。
5、本发明针对种植架种植的各层植物分别安装漫射器漫射光线，将光均匀分布到各株植物上，可以解决立体化种植的太阳光采光问题，实现立体种植的充足采光。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2-1为本发明中光电检测装置的结构立体图；
图2-2为本发明中主光敏二极管、第一辅光敏二极管、第二辅光敏二极管、第三辅光敏二极管和第四辅光敏二极管的分布图；
图3为本发明的光纤安装板和漫射器在种植架上的安装位置示意图；
图4为本发明中光纤安装板的结构立体图；
图5为本发明中漫射器的结构立体图；
图6为本发明判断天气情况的工作流程框图；
图7为本发明的控制流程图；
图8为本发明的功能原理框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行进一步描述。
如图1、2-1、2-2、3、4、5和7所示，立体化种植的阳光分配系统，包括太阳能自动追踪器1、菲涅尔透镜组2、漫射器3、太阳能电池板10和灯光组11；太阳能电池板10给灯光组11供电；太阳能自动追踪器1包括光电检测装置4、机械装置、中心处理器和检测电路；中心处理器采用AT89C51单片机。机械装置包括第一电机5-1、第二电机5-2、第一蜗轮5-3、第一蜗杆5-4、传动轴5-5、第二蜗杆5-6和第二蜗轮5-7；第一电机5-1和第二电机5-2的电源输入端均连接中心处理器的电源输出端；第一电机5-1的输出轴与第一蜗杆5-4通过联轴器连接，第一蜗轮5-3固定在传动轴5-5的一端，并与第一蜗杆5-4啮合；传动轴5-5的另一端与太阳能接收板6沿水平轴铰接；第二电机5-2的底座通过支架固定在传动轴5-5上；第二电机5-2的输出轴与第二蜗杆5-6通过联轴器连接，第二蜗轮5-7与太阳能接收板6固定，并与第二蜗杆5-6啮合；第二蜗轮5-7的转轴与太阳能接收板6的铰接轴同轴设置。菲涅尔透镜组2包括固定在太阳能接收板6上的五个菲涅尔透镜；光电检测装置4与菲涅尔透镜组2垂直设置，且底部固定在菲涅尔透镜组2的中心处；每个菲涅尔透镜的一个焦点与一束光纤束9的输入端耦合；光纤束9与菲涅尔透镜组2形成分光装置，通过调节光纤束9的输入端口到菲涅尔透镜的中心距离，实现不同波段光谱的传导。光电检测装置4为柱形，开设有光接收孔4-1，且内部固定设有主光敏二极管D0、第一辅光敏二极管D1、第二辅光敏二极管D2、第三辅光敏二极管D3和第四辅光敏二极管D4；主光敏二极管D0设置在光接收孔4-1正下方，第一辅光敏二极管D1、第二辅光敏二极管D2、第三辅光敏二极管D3和第四辅光敏二极管D4以主光敏二极管D0为圆心沿圆周均布设置；主光敏二极管D0、第一辅光敏二极管D1、第二辅光敏二极管D2、第三辅光敏二极管D3和第四辅光敏二极管D4的信号输出端均通过检测电路与中心处理器连接；五块光纤安装板8分别固定在种植架7的一块隔板7-1底部；每块光纤安装板8的底部与一个漫射器3固定；五束光纤束9分别与一块光纤安装板8连接；光纤束9包括六根光纤，每根光纤的输出端固定在对应光纤安装板8的一个光纤孔8-1内，并对准对应的漫射器3。中心处理器与灯光组11连接，灯光组均分为五组，每组灯光组与一块光纤安装板8连接；每组的一个灯光设置在对应光纤安装板8的一个光纤孔8-1内。
该立体化种植的阳光分配系统工作原理：
如图3所示，种植架7的每块隔板7-1下方间距设有一块种植板7-2，在每块种植板7-2上分层种植植物。
如图6、7和8所示，首先，通过光电检测装置4判断白天或者黑夜。主光敏二极管D0接收的光信号通过检测电路转换为电平信号INT，并输入中心处理器的I/O口；中心处理器的I/O口检测到的电平信号INT为0时，则为黑夜，进入等待状态，否则为白天。
然后，通过光电检测装置4判断阴雨天或者晴天。中心处理器的I/O口检测到的电平信号INT小于设定的电平值I0时，则为阴雨天，中心处理器控制灯光组11进行人工补光，灯光组11通过漫射器3对植物进行光照；中心处理器的I/O口检测到的电平信号INT大于或等于设定的电平值I0时，则为晴天，太阳能自动追踪器1追踪太阳光，光纤束9传导太阳光并通过漫射器3对植物进行光照。
太阳能自动追踪器1追踪太阳光的原理：如图1、2-1、2-2和7所示，晴朗天气时，若中心处理器对应主光敏二极管D0的引脚是低电位，说明主光敏二极管D0受到光照，则中心处理器控制第一电机5-1和第二电机5-2关闭10分钟。若D0没有受到光照，中心处理器逐一检测对应第一辅光敏二极管D1、第二辅光敏二极管D2、第三辅光敏二极管D3和第四辅光敏二极管D4的引脚；当检测出第一辅光敏二极管D1或第三辅光敏二极管D3对应的引脚为低电平时，中心处理器控制第二电机5-2关闭，第一电机5-1启动，传动轴5-5经太阳能接收板6带动光电检测装置4转动，直至主光敏二极管D0受到光照；当检测出第二辅光敏二极管D2或第四辅光敏二极管D4对应的引脚为低电平时，中心处理器控制第一电机5-1关闭，第二电机5-2启动，动力经第二蜗杆5-6和第二蜗轮5-7传给太阳能接收板6，太阳能接收板6带动光电检测装置4绕水平轴转动，直至主光敏二极管D0受到光照。太阳能接收板6能够沿水平轴和竖直轴转动，从而实现光电检测装置4对太阳光的全方位自动追踪；菲涅尔透镜组2与光电检测装置4垂直设置，使阳光总趋于垂直入射，增加太阳能的利用率。
光纤束9与菲涅尔透镜组2形成分光装置，通过调节光纤束9的输入端口到菲涅尔透镜的中心距离，实现不同波段光谱的传导。例如，在播种期间或秋冬季节，增大光纤束9的输入端口到菲涅尔透镜的中心距离，调至红外加热区，增加红外光的进入，以提高温室中温度；在收获季节过后，减小光纤束9的输入端口到菲涅尔透镜的中心距离，调至紫外消毒区，增加紫外光的进入，对温室进行消毒杀菌。通过漫射器3的漫射，将光均匀分布到各株植物上，可以解决立体化种植的太阳光采光问题。
Claims (2)
1. 立体化种植的阳光分配系统，包括太阳能自动追踪器、菲涅尔透镜组、漫射器、太阳能电池板和灯光组，其特征在于：所述的太阳能电池板给灯光组供电；所述的太阳能自动追踪器包括光电检测装置、机械装置、中心处理器和检测电路；所述的机械装置包括第一电机、第二电机、第一蜗轮、第一蜗杆、传动轴、第二蜗杆和第二蜗轮；所述第一电机和第二电机的电源输入端均连接中心处理器的电源输出端；第一电机的输出轴与第一蜗杆通过联轴器连接，第一蜗轮固定在传动轴的一端，并与第一蜗杆啮合；传动轴的另一端与太阳能接收板沿水平轴铰接；第二电机的底座通过支架固定在传动轴上；第二电机的输出轴与第二蜗杆通过联轴器连接，第二蜗轮与太阳能接收板固定，并与第二蜗杆啮合；第二蜗轮的转轴与太阳能接收板的铰接轴同轴设置；所述的菲涅尔透镜组包括固定在太阳能接收板上的多个菲涅尔透镜；光电检测装置与菲涅尔透镜组垂直设置，且底部固定在菲涅尔透镜组的中心处；每个菲涅尔透镜的一个焦点与一束光纤束的输入端耦合；所述的光电检测装置为柱形，开设有光接收孔，且内部固定设有主光敏二极管、第一辅光敏二极管、第二辅光敏二极管、第三辅光敏二极管和第四辅光敏二极管；主光敏二极管设置在光接收孔正下方，第一辅光敏二极管、第二辅光敏二极管、第三辅光敏二极管和第四辅光敏二极管以主光敏二极管为圆心沿圆周均布设置；主光敏二极管、第一辅光敏二极管、第二辅光敏二极管、第三辅光敏二极管和第四辅光敏二极管的信号输出端均通过检测电路与中心处理器连接；多块光纤安装板分别固定在种植架的一块隔板底部；每块光纤安装板的底部与一个漫射器固定；光纤安装板的数量与菲涅尔透镜的数量相等，每束光纤束与一块光纤安装板连接；光纤束包括多根光纤，每根光纤的输出端固定在对应光纤安装板的一个光纤孔内，并对准对应的漫射器；所述的中心处理器与灯光组连接，灯光组均分为多组，组数与菲涅尔透镜的数量相等；每组灯光组与一块光纤安装板连接；每组的一个灯光设置在对应光纤安装板的一个光纤孔内。
2.根据权利要求1所述的立体化种植的阳光分配系统，其特征在于：所述的中心处理器采用AT89C51单片机。
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