CN104982242B - 一种作物生长过程中的智能调光系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种作物生长过程中的智能调光系统及方法，属于农业生产领域。所述智能调光系统包括：参数测量设备、参数处理设备、光源控制设备以及光源组件；所述参数测量设备用于测量作物在生长过程中的指定参数；所述参数处理设备用于根据所述指定参数，获取所述光源控制设备的光源参数；所述光源控制设备，用于根据所述光源参数，对所述光源组件的发光进行控制。本发明以作物在补光过程中的某一项指定参数作为调整基础，能够反映出作物的光合作用效率，可以从作物生长的角度来调整光照条件。

Description

一种作物生长过程中的智能调光系统及方法
技术领域
本发明涉及农业生产领域，特别涉及一种作物生长过程中的智能调光系统及方法。
背景技术
随着农业生产的智能化,在很多农业领域均会采用人工光源代替自然光源来培养作物。现有的自动补光系统中，通常以外界光照强度为标准进行补光，该方法设计简单、参数调整方便，但不能从作物的内在因素分析其生长状态。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种作物生长过程中的智能调光系统及方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种作物生长过程中的智能调光系统，所述智能调光系统包括：参数测量设备、参数处理设备、光源控制设备以及光源组件；
所述参数测量设备用于测量作物在生长过程中的指定参数；
所述参数处理设备用于根据所述指定参数，获取所述光源控制设备的光源参数；
所述光源控制设备，用于根据所述光源参数，对所述光源组件的发光进行控制。
可选地，所述指定参数为叶绿素荧光参数。
可选地，所述参数测量设备包括：光敏元件、传感元件、信号调节转换电路和辅助电路；所述光敏元件用于对光照进行感应，将感应到的光照转换为有效光信号，将该有效光信号发送至所述传感元件；所述传感元件用于将所述有效光信号转换为电信号，并将所述电信号发送至所述信号调节转换电路；所述信号调节转换电路用于对所述电信号中的有效信号进行放大并滤除非有效的杂波信号，以得到有效电信号，将所述有效电信号发送至所述参数处理设备；所述辅助电路用于根据所述传感元件的输出和所述信号调节转换电路的输出进行对比以及反馈。
可选地，所述光敏元件包括：测试光源、反射杯、光电检测器和信号扩大器；所述测试光源用于为作物提供照明；所述反射杯用于对光进行汇聚以提高光利用率；所述光电检测器用于对所述反射杯所汇聚的光进行检测，将检测得到的光信号转换为电信号，将所述电信号发送至所述信号扩大器；所述信号扩大器用于对所述电信号进行扩大，得到有效电信号。
可选地，所述光源控制设备包括：
微控制单元，用于接收参数处理设备输出的光源参数，基于该光源参数对脉冲宽度调制单元进行控制；
脉冲宽度调制单元，用于基于所述微控制单元的控制，输出电流以调节光源组件的亮度。
可选地，所述参数测量设备用于当测量得到的指定参数大于第一预设阈值时，将所述指定参数发送至所述参数处理设备；
所述参数测量设备还用于当测量得到的指定参数小于第二预设阈值时，将所述指定参数发送至所述参数处理设备，其中，第一预设阈值大于第二预设阈值。
可选地，所述参数处理设备用于如果当前测量得到的指定参数大于第三预设阈值时，输出第一光源参数，以降低所述光源组件的亮度；
所述参数处理设备还用于如果当前测量得到的指定参数小于第四预设阈值时，输出第二光源参数，以提高所述光源组件的亮度，所述第三预设阈值大于第四预设阈值。
可选地，所述光源组件包括多个发光二极管LED。
另一方面，提供了一种作物生长过程中的智能调光方法，包括：
测量作物在生长过程中的指定参数；
根据所述指定参数，调整对所述作物进行补光的光源组件的光源参数。
可选地，如果当前测量得到的指定参数大于第三预设阈值，降低所述光源组件的亮度；
如果当前测量得到的指定参数小于第四预设阈值，提高所述光源组件的亮度，所述第三预设阈值大于第四预设阈值。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过作物在补光过程中的某一项指定参数作为调整基础，能够反映出作物的光合作用效率，可以从作物生长的角度来调整光照条件，提高补光的准确性和效率，能够更有助于作物的生长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种作物生长过程中的智能调光系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的参数测量设备101的一种优选实施结构的示意图；
图3是本发明实施例提供的光敏元件1011的一种优选实施结构的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种光源控制设备103的一种优选实施结构的示意图。
图5是本发明实施例提供的一种脉冲宽度调制单元1302和驱动电路1303的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的一种作物生长过程中的智能调光方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种作物生长过程中的智能调光系统的结构示意图。参见图1，所述智能调光系统包括：参数测量设备101、参数处理设备102、光源控制设备103以及光源组件104。下面分别就该智能调光系统中的各个组成结构进行说明：
参数测量设备101，该参数测量设备101用于测量作物在生长过程中的指定参数。该指定参数为叶绿素荧光参数。
该参数测量设备101可以设置于作物的生长环境中，如，该参数测量设备可以设置于种植大棚中。可选地，所述参数测量设备101用于当测量得到的指定参数大于第一预设阈值时，将所述指定参数发送至所述参数处理设备。需要说明的是，该智能调光系统的调光过程可以是由一定条件触发，如，该指定参数大于第一预设阈值时，说明作物已经得到过分的光照，需要进行减光，则参数测量设备101需要将指定参数发送到参数处理设备102，使得参数处理设备102基于该指定参数对光照进行调节。
进一步地，该参数测量设备101还用于当测量得到的指定参数小于第二预设阈值时，将所述指定参数发送至所述参数处理设备102，其中，第一预设阈值大于第二预设阈值。需要说明的是，该智能调光系统的调光过程可以是由一定条件触发，如，该指定参数大于第二预设阈值，且小于第一预设阈值时，说明作物已经得到充分的光照，可以不对当前光源进行调节，则参数测量设备101无需将指定参数发送到参数处理设备，而如果指定参数小于或等于第二预设阈值，则说明作物所得到的光照不足，需要进行补光，则参数测量设备101需要将指定参数发送到参数处理设备102，使得参数处理设备102基于该指定参数对光照进行调节。
参见图2，该参数测量设备101的一种优选实施结构包括：光敏元件1011、传感元件1012、信号调节转换电路1013和辅助电路1014。
其中，上述参数测量设备101中各个元件的工作原理如下：所述光敏元件1011用于对光照进行感应，将感应到的光照转换为有效光信号，将该有效光信号发送至所述传感元件1012；在本发明实施例中，光敏元件1011可以检测到待测空间中由于光合作用过程中光化反应所产生的荧光物质含量，即光信号。光敏元件1011将荧光物质含量(即非电量信号)转化为有效光信号，该有效光信号是对应荧光物质的含量。
所述传感元件1012用于将所述有效光信号转换为电信号，并将所述电信号发送至所述信号调节转换电路1013。
所述信号调节转换电路1013用于对所述电信号中的有效信号进行放大并滤除非有效的杂波信号，以得到有效电信号，将所述有效电信号发送至所述参数处理设备，以进行后续的调光控制。
该辅助电路1014可以用于根据传感元件1012的输出和信号调节转换电路1013的输出进行对比以及反馈，以提高整个检测的精确度以及保证系统的可靠性与稳定性。
参见图3，所述光敏元件1011的一种优选实施结构包括：测试光源1011A、反射杯1011B、光电检测器1011C和信号扩大器1011D。所述测试光源1011A用于为作物提供照明；所述反射杯1011B用于对光进行汇聚以提高光利用率；所述光电检测器1011C用于对所述反射杯所汇聚的光进行检测，将检测得到的光信号转换为电信号，将所述电信号发送至所述信号扩大器1011D；所述信号扩大器1011D用于对所述电信号进行扩大，得到有效电信号。
反射杯1011B放置于被选作测试样品的作物叶片上方，该作物叶片可以通过光导纤维与各个测试光源连接。
其中，测试光源101A包括：测量光、光化光、饱和光、远红光。反射杯可以通过光导纤维与饱和光和光化光分别连接。
测量光(Measuring Radiation，MR)：是由发光二极管产生的很弱的红光，其PFD(单位时间单位面积上的光照射量)＜0.2μmol·m-2·s-1，波长为650nm。在发光二极管与样品之间通常加有长波截止滤光片(λ＜670nm，该长波截止滤光片用于保证照射到植物叶片上的光线为小于670的测量光)，样品吸收测量光的光能后，部分激发光以荧光的形式发出，通过光电检测器1011C检测到。在光电检测器1011C和样品之间加有短波截止滤光片(λ＞700nm，该短波截止滤光片用于截止大于700nm的测量光)和吸热滤光片(该吸热滤光片用于将测试光滤除，仅让荧光产生的信号通过)。
光化光(Actinic Radiation，AR):由一系列的二极管产生的波长在665nm的红光，其PFD一般为几百μmol·m-2·s-1。采用高选择性的放大系统可以避免非荧光信号的干扰，该精度高的高选择性放大系统相对而言具有更可靠的测试结果。样品吸收光化光的光能后，部分激发光会被样品反射或透射，反射光可被短波截止滤光片滤掉。
饱和光(Saturation Radiation，SR)：光源为可以发出强白光的卤钨灯(PFD可以达到10000μmol·m-2·s-1)。加上SR后，无任何光化学过程(kp＝0)，于是吸收的光能全部被转化为荧光和热能。在加SR时，为得到较高的信号/噪声比，一般将MR的频率调高。该饱和光的作用在于让光合作用荧光产物进行保持，而不是很快淬灭。
远红光(Far-red Radiation，FR)：是波长在735nm的远红光，从而诱导迅速还原光合作用中的还原反应，保证光合作用的测量过程的进行，使得荧光产物的有效信号能够被光电检测器探测到。
参数处理设备102，该参数处理设备102用于根据所述指定参数，获取所述光源控制设备103的光源参数。
可选地，所述参数处理设备102用于如果当前测量得到的指定参数大于第三预设阈值时，输出第一光源参数，以降低所述光源组件的亮度；所述参数处理设备102还用于如果当前测量得到的指定参数小于第四预设阈值时，输出第二光源参数，以提高所述光源组件的亮度，所述第三预设阈值大于第四预设阈值。
需要说明的是，参数处理设备102可以根据预设的参数设置数据库中所保存的指定参数与光源参数的对应关系，获取当前指定参数所对应的光源参数。如在参数测量设备101的描述中所述，可以通过指定参数的大小，来触发对光源参数的调节，从而提高或降低光源组件的亮度，以改变对作物的光照力度，从而更好的根据作物的实际光合作用状况，为作物提供灵活且高效的光照。
光源控制设备103，用于根据所述光源参数，对所述光源组件104的发光进行控制。
参见图4，所述光源控制设备103包括：
微控制单元1031，用于接收参数处理设备102输出的光源参数，基于该光源参数对脉冲宽度调制单元1031进行控制，其中，该微控制单元1031可以采用单片机、ARM等，将得到的光源参数进行处理，调整对LED光的控制。
脉冲宽度调制单元1302，用于基于所述微控制单元的控制，输出电流以调节光源组件的亮度。在本发明实施例中，可以采用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)的不同形式来控制LED灯的照明。该脉冲宽度调制过程可以是通过对占空比的控制进行。
进一步地，该光源控制设备103还可以包括LED驱动电路1033，该脉冲宽度调制单元1302可以通过该LED驱动电路1033实现对光源组件1302的调节。该LED驱动电路可以如图5中的结构。该驱动电路1033主要功能就是利用PWM控制来对LED进行供电。这里利用的是反激式拓扑结构，效率高，稳定性好，并且具有隔离效果，保证供电的精度调整，以及可靠性和稳定性。具体地，该驱动电路1033可以包括：MOSFET、光耦元件和误差放大器等。其工作模式具体包括：PWM的信号接到MOSFET上，这样可以控制MOSFET的开断，输入端的能量通过变压器传递给输出端，调整占空比可以实现不同的能量传递控制，这样就可以实现控制输出电流，对LED照明进行控制。
可选地，所述光源组件104包括多个发光二极管LED。
可选地，上述参数处理设备和光源控制设备的具体功能可以在于：通过对光合反应阶段作物进行测量所得到的指定参数M1和上一采样过程中所得到的指定参数M0进行比较，当M大于或等于M0时，可以控制电流降低一定数值，以在避免光能浪费的情况下保持光合作用的进行，而如果M小于M0，则说明光合作用不够充分，需要控制电流增加一定数值，以激发光合作用的充分进行，提高指定参数。
通过上述智能调光系统的具体结构，对光源组件中LED的电流调节可以达到0-100％亮度的调节，其调节精度可以达到±0.5％。这样高精度的电流调节可以使得对光照的控制更加精准，也不会产生叶绿素荧光参数的波动性较大的现象，对控制的稳定性有更好的保障。
另一方面，本发明实施例提供了一种作物生长过程中的智能调光方法，参见图6，该方法包括：
601、测量作物在生长过程中的指定参数。
602、根据所述指定参数，调整对所述作物进行补光的光源组件的光源参数。
可选地，如果当前测量得到的指定参数大于第三预设阈值，降低所述光源组件的亮度；
如果当前测量得到的指定参数小于第四预设阈值，提高所述光源组件的亮度，所述第三预设阈值大于第四预设阈值。
该具体调光过程可以基于上述实施例中所提供的智能调光系统进行，其具体实施原理也与上述智能调光系统中所示原理同理，在此不作赘述。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。
需要说明的是：上述实施例提供的作物生长过程中的智能调光应用于上述智能调光系统，其具体执行过程如系统实施例属于同一构思，其具体实现过程详见系统实施例，这里不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种作物生长过程中的智能调光系统，其特征在于，所述智能调光系统包括：参数测量设备、参数处理设备、光源控制设备以及光源组件；
所述参数测量设备用于测量作物在生长过程中的指定参数；
所述参数处理设备用于根据所述指定参数，获取所述光源控制设备的光源参数；
所述光源控制设备，用于根据所述光源参数，对所述光源组件的发光进行控制；
其中，所述指定参数是基于检测作物叶片在测试光的照射下以荧光的形式发出的光而得到的；所述测试光是单位时间单位面积上的光照射量小于0.2μmol·m-2·s-1的红光；
所述参数测量设备包括：光敏元件、传感元件、信号调节转换电路和辅助电路；
所述光敏元件用于对光照进行感应，将感应到的光照转换为有效光信号，将该有效光信号发送至所述传感元件；
所述传感元件用于将所述有效光信号转换为电信号，并将所述电信号发送至所述信号调节转换电路；
所述信号调节转换电路用于对所述电信号中的有效信号进行放大并滤除非有效的杂波信号，以得到有效电信号，将所述有效电信号发送至所述参数处理设备；
所述辅助电路用于根据所述传感元件的输出和所述信号调节转换电路的输出进行对比以及反馈。
2.根据权利要求1所述的智能调光系统，其特征在于，所述指定参数为叶绿素荧光参数。
3.根据权利要求1所述的智能调光系统，其特征在于，所述光源控制设备包括：
微控制单元，用于接收参数处理设备输出的光源参数，基于该光源参数对脉冲宽度调制单元进行控制；
脉冲宽度调制单元，用于基于所述微控制单元的控制，输出电流以调节光源组件的亮度。
4.根据权利要求1所述的智能调光系统，其特征在于，
所述参数测量设备用于当测量得到的指定参数大于第一预设阈值时，将所述指定参数发送至所述参数处理设备；
所述参数测量设备还用于当测量得到的指定参数小于第二预设阈值时，将所述指定参数发送至所述参数处理设备，其中，第一预设阈值大于第二预设阈值。
5.根据权利要求1所述的智能调光系统，其特征在于，所述参数处理设备用于如果当前测量得到的指定参数大于第三预设阈值时，输出第一光源参数，以降低所述光源组件的亮度；
所述参数处理设备还用于如果当前测量得到的指定参数小于第四预设阈值时，输出第二光源参数，以提高所述光源组件的亮度，所述第三预设阈值大于第四预设阈值。
6.根据权利要求1所述的智能调光系统，其特征在于，所述光源组件包括多个发光二极管LED。
7.一种作物生长过程中的智能调光方法，其特征在于，所述智能调光方法基于如权利要求1至6中任一项所述的智能调光系统进行，所述智能调光方法包括：
测量作物在生长过程中的指定参数；
根据所述指定参数，调整对所述作物进行补光的光源组件的光源参数；
其中，所述指定参数是基于检测作物叶片在测试光的照射下以荧光的形式发出的光而得到的；所述测试光是单位时间单位面积上的光照射量小于0.2μmol·m-2·s-1的红光。
8.根据权利要求7所述的智能调光方法，其特征在于，
如果当前测量得到的指定参数大于第三预设阈值，降低所述光源组件的亮度；
如果当前测量得到的指定参数小于第四预设阈值，提高所述光源组件的亮度，所述第三预设阈值大于第四预设阈值。
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