CN104994618A - 智能led综合光照系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能LED综合光照系统，其包括WIFI通信单元、主控单元、可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源，所述可调恒流电源一通过线路连接有白光LED阵列，所述可调恒流电源二通过线路连接有红光LED阵列，所述恒流电源通过线路连接有紫外LED阵列和红外LED阵列，并且，所述白光LED阵列、红光LED阵列紫外LED阵列和红外LED阵列呈组合一体式排列，其中，以白光LED阵列和红光LED阵列为主要阵列，紫外LED阵列和红外LED阵列为辅助阵列。本发明通过设置的LED阵列可调整红蓝光的比例，即便是在室内环境中，植物也能正常生长；智能LED光照系统可根据植物生长所需温度进行智能调节，通过调节LED光照强度给植物提供适宜的生长环境。

Description

智能LED综合光照系统

技术领域

本发明涉及LED照明技术领域，具体涉及一种智能LED综合光照系统。

背景技术

目前市场上用于植物生长的人工光源包括白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和日光色镝灯等，这些传统人工光源普遍具有功率大、发光效率低、发热量大、耗电高等缺点，局限了其应用范围。随着LED光源的发展，利用LED光源进行植物生长照明的研究受到广泛。研究发现，红光促进碳水化合物的积累，而蓝有利于可溶性蛋白的合成，远红光提高植物体内赤霉素的含量，从而增加植株节间长度和高度，短波段光促进黄酮等物质的合成。

目前市场上的LED植物生长灯只有红光或者蓝光亦或是一定比例的红蓝光配合光源，且基本都是固定功率，无法对功率进行自由调节。这种红、蓝或者一定比例的红蓝光，只适合做部分植物的补光，或者配合太阳光照射使用，因为其红、蓝光光功率无法调节，导致占整个光源主导部分的红、蓝光不能被合理利用，许多不被植物吸收，而完全变成热量散失掉，增加了功耗的同时，也增了降温系统的负载。

所以关于光照，需要红、蓝光可控，以便达到植物生长的最佳红蓝光比例。目前在关于植物生长光方面的研究很多，但植物仍旧对几乎所有光都有吸收，只是绿光等吸收的甚少。虽然各色光的作用机理和必要性方面，各国科学家做了大量的研究，几乎所有光对植物生长都有影响，因此，对于光的调节比例直接关系到能否对植物创造比较适宜的生长环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于植物生长的智能LED综合光照系统，该光照系统适度提高了红光和蓝光的比例，并能对红蓝光的功率比例实现2:1以上的任意比，本发明可实现对光能量、光质分布、光照周期进行控制。

其技术解决方案包括：

一种智能LED综合光照系统，其包括WIFI通信单元、主控单元、可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源，所述WIFI通信单元和主控单元连接，WIFI通信单元用于将硬件信息传递至所述主控单元，所述主控单元的输出端分别与可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源连接，并且，可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源之间为并联；

所述可调恒流电源一通过线路连接有白光LED阵列，所述可调恒流电源二通过线路连接有红光LED阵列，所述恒流电源通过线路连接有紫外LED阵列和红外LED阵列，并且，所述白光LED阵列、红光LED阵列紫外LED阵列和红外LED阵列呈组合一体式排列，其中，以白 光LED阵列和红光LED阵列为主要阵列，紫外LED阵列和红外LED阵列为辅助阵列；

每个LED阵列均由对应的LED灯排布而成，所述白光LED阵列设置有奇数排、奇数列个白光LED灯，所述红光LED灯交叉设置在相邻的白光LED灯列之间，所述红光LED阵列的排数比白光LED阵列的排数少两排，所述红外LED阵列分布在白光LED阵列的奇数列上，并且在每一列上设置有两个，分别位于所述白光LED灯所在列的中上部和中下部；

所述紫外LED阵列分布在白光LED阵列的偶数列上，在每个偶数列上设置有两个，所述紫外LED灯位于所述红外LED灯所在列数水平线的靠上一格、靠下一格位置处。

本发明根据叶绿素a分子和全部的叶绿素b分子吸收光能，对光有两个最强的吸收区：红光部分(波长范围为640～660nm)和蓝紫光部分(波长范围为430～450nm)，在涵盖太阳光谱的长波长的红外光到短波长的紫外光，适度提高了红光和蓝光的比例，并能对红蓝光的功率比例实现2:1以上的任意比。

优选的，所述可调恒流电源一、可调恒流电源二通过PWM控制器进行控制，所述恒流电源通过开关进行控制。

优选的，所述白光LED阵列包括白光LED灯30个，红光LED阵列包括红光LED灯28个，所述紫外LED阵列包括紫外LED灯4个，所述红外LED阵列包括红外LED灯6个。

优选的，所述白光LED阵列设置有5列，红光LED阵列设置有4列。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明通过将WIFI通信单元和主控单元连接，WIFI通信单元可连接至硬件如手机，进行时间同步，有效避免因掉电等原因造成的内外时间不对称，并传输控制信息。

白光LED采用业界植物光照最新技术LED，模拟太阳全光谱，包括蓝光波段、红光波段、红外波段。其光谱更贴近植物生长需要，在种植效果和节能方面效果提高100％以上。

本发明通过高仿真植物生长环境，通过设置的LED阵列可调整红蓝光的比例，即便是在室内环境中，植物也能正常生长；智能LED光照系统可根据植物生长所需温度进行智能调节，通过调节LED光照强度给植物提供适宜的生长环境。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明光照系统的结构示意图；

图2为本发明LED阵列的组合示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明以白光LED阵列和红光LED阵列为主，外加紫外LED阵列和红外LED阵列，来简 洁、高效的模拟植物生长所需的太阳光。

如图1所示，本发明，一种智能LED综合光照系统，其包括WIFI通信单元、主控单元、可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源，WIFI通信单元和主控单元连接，WIFI通信单元用于将硬件信息传递至主控单元，主控单元的输出端分别与可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源连接，并且，可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源之间为并联；

可调恒流电源一通过线路连接有白光LED阵列，可调恒流电源二通过线路连接有红光LED阵列，恒流电源通过线路连接有紫外LED阵列和红外LED阵列，并且，白光LED阵列、红光LED阵列紫外LED阵列和红外LED阵列呈组合一体式排列，其中，以白光LED阵列和红光LED阵列为主要阵列，紫外LED阵列和红外LED阵列为辅助阵列；

每个LED阵列均由对应的LED灯排布而成，白光LED阵列设置有奇数排、奇数列个白光LED灯，红光LED灯交叉设置在相邻的白光LED灯列之间，红光LED阵列的排数比白光LED阵列的排数少两排，红外LED阵列分布在白光LED阵列的奇数列上，并且在每一列上设置有两个，分别位于所述白光LED灯所在列的中上部和中下部；

紫外LED阵列分布在白光LED阵列的偶数列上，在每个偶数列上设置有两个，并且，紫外LED灯位于红外LED灯所在列数水平线的靠上一格、靠下一格位置处。

实施例1：

光照系统采用模拟夏天日光照射，以光合作用最重要载体叶绿素a和叶绿素b所吸收的的蓝光(波长430nm到460nm)和红光(波长600nm到700nm)为主，并涵盖太阳光谱的波长长的红外光到短波长的紫外光，适度提高了红光的比例，并能对红蓝光的功率比实现3:1以上的任意比，且总功率可控；

白光LED阵列、红光LED阵列、紫外LED和红外LED阵列组成统一的光板，对植物进行照射，其中白光LED的光谱涵盖400nm到800nm的光，以蓝光(440nm)和红光(610nm)这两个峰值为中心；光照系统中再补充650nm到660nm的红光，UV-A、UV-B的紫外光(对人体无害的紫外光)以及红外光；白光LED采用业界植物光照最新技术LED，模拟太阳光谱，包括蓝光波段、红光波段、红外波段。波长峰值为双峰值，分别在440nm附近和600nm附近，更贴近植物生长需要，更节能，更高效。

灯板采用高亮白光LED灯、高亮红光LED灯、紫外LED灯和红外LED灯组成，其中，白光LED阵列采用白光LED 30个，红光LED阵列采用红光LED 28个，紫外LED阵列采用紫外LED 4个，红外LED阵列采用红外LED 6个。白光LED灯、红光LED灯、紫外LED灯和红外LED矩阵排列可实现更均匀的光源，产生的光能量红蓝比例(其后称为RB比)，可实现3:1以上的任意比，白光LED采用串联形式，6个一列，共5列；红光LED采用串联形式，7个 串联，总共4列；白红交替排列并穿插红外以及紫外LED，排列形式如图2所示。

可调恒流源一和可调恒流源二分别驱动白光LED阵列和红光LED阵列，其电流大小通过PWM控制器调节控制，PWM控制器占空比为0到1。

采用STM32(或者单片机以及其它MCU)生成特定频率的PWM控制器控制信号，分别对红、白光LED组的驱动电源进行PWM控制，实现控制流过红、白光LED电流，进而控制蓝光和红光的能量以及红蓝光的能量比，达到适合不同植物各个生长期的最合理光照条件。

白光LED本身的红蓝比决定了RB比的最小值，本发明白光LED的RB比为3:1，则其RB比调节范围为3:1及其以上的连续比。紫外以及红外LED的光照强度控制，采用开关形式控制，可通过一定频率的开关时间以及占空比，控制光强。在控制可调恒流源1和可调恒流源2的电流时，需根据控制柜的温度，换算成对应光强。一般植物的吸光单位为μmol/m²*S,对此我们换算成W/m²。根据光子的能量公式，E＝hc/λ，h为普朗克常量6.63x 10e-34J*s，根据蔬菜种植柜的面积m²，推算出植物所需的各种光子的数量n＝植物吸光量*面积，再转化成功率根据LED的发光效率η(与温度、电流相关)，再换算出所需的电能为P/η。进行多种照射对比试验，寻找适合各种蔬菜种植的最佳光源。

WiFi单元可以提供手机与光照系统通信，把控制信号通过手机APP(应用程序)传递给主控MCU，MCU主控单元建有部分植物的光照条件数据库，并可联接internet更新，调光系统根据数据库中不同植物不同生长期以及其光敏不同，运行特定的的光照方案，通过STM32对光源的RB比以及红蓝光总能量进行控制，分别对植物幼苗期、生长期、成熟期(出菜期)进行有效光照，并辅以温度和CO₂控制。

对比试验1：

智能植物生长灯与玻璃温室大棚中的太阳光对比。选取两组育龄、长势一致的结球生菜幼苗各60株，随机分成A、B两组，每组30株。对两组植物的株高、冠围等进行观察测量。A组采用智能植物生长灯照射，周围遮挡阳光；B组采用玻璃温室大棚中的太阳光照射。保持A、B两组的空气流通，以及温度，浇水次数、浇水量等相同，对比4周的生长情况。时间为：阳历3月份和4月份。

该对比实验1结果如下： 

A组生菜样本明显高于B组的生菜样本，A组生长3周左右的植株大小相当于B组生长4周左右的大小，且A组生菜口感较鲜嫩，叶肥大、厚实。此实验结果表明，采用智能植物生长灯照射的蔬菜优于春季大鹏蔬菜，智慧植物生长灯完全可以取代春秋以及冬季太阳光照， 性能超过春、秋、冬季这三个季节的阳光。

对比试验2：

智能植物生长灯与普通蓝(430nm)、红(650nm)组合的LED光照(红蓝功率比6:1)对比。选取两组育龄、长势一致的结球生菜幼苗各60株，随机分成A、B两组，每组30株。对两组植物的株高、冠围等进行观察测量。A组采用智能植物生长灯照射，周围遮挡阳光；B组采用蓝光(430nm)、红光(650nm)组合的LED光照射，周围遮挡阳光，两组所耗电能相等。保持A、B两组的空气流通，以及温度，浇水次数、浇水量等相同，对比4周的生长情况。时间为：阳历3月份和4月份。

该组对比实验2结果如下： 

A组生菜样本更粗壮，冠围明显大于B组。B组的生菜样本较细，个头略高，叶小且薄，口感相当。此实验结果表明，采用智慧植物生长灯照射的蔬菜优于市面上常见的红蓝组合光照下生长的蔬菜，更适合蔬菜生长发育。

应当理解的是，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换、简单组合等多种变形，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种智能LED综合光照系统，其包括WIFI通信单元、主控单元、可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源，所述WIFI通信单元和主控单元连接，WIFI通信单元用于将硬件信息传递至所述主控单元，所述主控单元的输出端分别与可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源连接，并且，可调恒流电源一、可调恒流电源二和恒流电源之间为并联，其特征在于：

所述可调恒流电源一通过线路连接有白光LED阵列，所述可调恒流电源二通过线路连接有红光LED阵列，所述恒流电源通过线路连接有紫外LED阵列和红外LED阵列，并且，所述白光LED阵列、红光LED阵列紫外LED阵列和红外LED阵列呈组合一体式排列，其中，以白光LED阵列和红光LED阵列为主要阵列，紫外LED阵列和红外LED阵列为辅助阵列；

每个LED阵列均由对应的LED灯排布而成，所述白光LED阵列是由偶数排数、奇数列数的白光LED灯组成，所述红光LED灯交叉设置在相邻的白光LED灯列数之间，所述红光LED阵列比白光LED阵列少一排，所述红外LED阵列分布在白光LED阵列的奇数列上，并且在每一列上设置有两个，分别位于所述白光LED灯所在列的中上部和中下部；

所述紫外LED阵列分布在白光LED阵列的偶数列上，在每个偶数列上设置有两个。

2.根据权利要求1所述的智能LED综合光照系统，其特征在于：所述可调恒流电源一、可调恒流电源二通过PWM控制器进行控制，所述恒流电源通过开关进行控制。

3.根据权利要求1所述的智能LED综合光照系统，其特征在于：所述白光LED阵列包括白光LED灯30个，红光LED阵列包括红光LED灯28个，所述紫外LED阵列包括紫外LED灯4个，所述红外LED阵列包括红外LED灯6个。

4.根据权利要求3所述的智能LED综合光照系统，其特征在于：所述白光LED阵列设置有5列，红光LED阵列设置有4列。