CN105050285A - 一种植物灯照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种植物灯照明系统，其包括设置模块、控制模块、存储模块、比较模块、调节模块、告警模块、输出模块、监控模块和至少一个LED灯。所述控制模块根据所述比较结果来动态调整不同波长的照度值；如果所述调整可控，则控制调节模块对输出模块进行调节；如果所述调整不可控，则通知告警模块进行报警。通过本发明能够实现对光照的自适应调节，并且对出现故障或光照减弱的情况进行报警。

Description

一种植物灯照明系统

技术领域

本发明属于LED灯领域，特别是一种植物灯照明系统。

背景技术

LED照明灯是利用第四代绿色光源LED做成的一种照明灯具，具有能耗低、发热量低、使用寿命长、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等诸多优点，已经越来越广泛地于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

而在现有农业生产中一般使用普通电光源补充光照和应用不同覆盖材料等农业技术措施，如采用单色荧光灯或彩色塑料薄膜，利用日光灯或白炽灯改变光环境以调控设施栽培环境中植物的生长发育。

但这些措施存在着不同程度的问题，如缺乏对具体光谱成分的分析导致光质处理不纯，光强不一致、接近甚至或低于植物的光补偿点，照射光源能效低，以如果光源出现衰退，无法保障光照强度等。LED在植物设施栽培环境中的大量应用研究结果表明，LED能够解决这些难题，特别适合应用于人工光控制型植物设施栽培环境。

发明内容

本发明的目的是解决现有植物生长灯存在的缺点，提供一种植物灯照明系统，其工作稳定性高，适合大型规模的种植场的模拟日光和月光的LED灯。

本发明提出了一种植物灯照明系统，其包括设置模块、控制模块、存储模块、比较模块、调节模块、告警模块、输出模块、监控模块和至少一个LED灯，其特征在于：

所述的控制模块分别与设置模块、存储模块、告警模块、比较模块和调节模块连接，调节模块与输出模块相连，比较模块的输出到监控模块，输出模块和监控模块与LED灯连接；

所述至少一个LED灯包括多个不同波长的LED灯；所述多个不同波长的LED灯构成一个LED光照单元，其模拟自然状态下不同时段的日光、月光；

所述设置模块用于获取外部输入参数并将外部输入参数存储在存储模块中，所述的外部输入参数包括植物生长曲线参数，不同波长的光的照度参数以及分配比例参数、温度参数和湿度参数；

所述控制模块从存储模块中获取所述外部输入参数，并得到与所述外部输入参数对应的各波长光的输出照度比例；

所述监控模块用于监控所述不同波长的光的照度，并将所述照度值传送给比较模块；

所述比较模块将所述照度值与不同波长的预设照度参数进行比较，将比较结果传送给所述控制模块；

所述控制模块根据所述比较结果来动态调整不同波长的照度值；如果所述调整可控，则控制调节模块对输出模块进行调节；如果所述调整不可控，则通知告警模块进行报警。

其中，所述控制模块控制输出模块按照所需照度比例的不同波长LED灯的相应控制电流或控制电压。

其中，所述不同波长的光的照度参数包括不同波长的光的照度阈值。

其中，设置所述不同波长的光的照度参数包括：设定所述LED光照单元中的蓝光为参照光，设定其理想输出照度，并设定其输出照度值的阈值，分别为理想输出照度的±10％，；设定其他波长LED灯与参照光的理想输出照度比例，并设定其他波长的LED灯与参照光之间的输出照度比例的阈值，分别为上述理想输出照度比例的±1％，；将设定的参照光的理想输出照度值及其阈值和其他LED光与参照光的输出照度比例的阈值预先存储到存储模块中。

其中，所述调整可控包含以下情况：各波长的光的照度未超过阈值或者LED灯未老化到无法调控；所述调整不可控包括以下情况：至少有一个波长的光的照度超过阈值或至少一个LED灯老化或故障而无法调节。

其中，所述LED光照单元包括若干数量的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光的LED，其中，UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED的数量均可取0，1，2，3，4，5…的非负整数。

本发明还提出了一种使用上述用于植物灯照明系统进行照度调节的方法，其包括以下步骤：

步骤一、设定LED光照单元中的蓝光为参照光，设定其理想输出照度，并设定其输出照度值的阈值，分别为理想输出照度的±10％，；设定其他波长LED灯与参照光的理想输出照度比例，并设定其他波长的LED灯与参照光之间的输出照度比例的阈值，分别为上述理想输出照度比例的±1％，；将设定的参照光的理想输出照度值及其阈值和其他LED光与参照光的输出照度比例的阈值预先存储到存储模块中；

步骤二、测量或计算参照光的输出照度，并判断其是否超出设定的参照光的输出照度的阈值，若超出则发出通知；

步骤三、测量或计算其他LED光的输出照度值，将其与参照光的输出照度相比得到其他LED光输出照度的比例值；当一个或者多个其他LED光的输出照度的比例值超出设定的比例阈值时，根据每个LED光在不同电流下对应的输出照度关系调整这一个或者多个其他LED光的驱动电流等使得其输出照度的比例值回到设定的比例阈值范围内；

步骤四、当LED光照单元的任意一个LED光的工作电流、电压超过一定值时发出报警通知。

本发明还提出了一种用于上述植物灯照明系统使用的LED灯，其采用OLED或激光二极管代替。

本发明还提出了一种用于上述植物灯照明系统使用的LED灯组，其包括至少一个LED光照单元，并由LED光照单元按照预定规律排列安装；其中LED光照单元由按照预设规律的不同波长LED灯组成，以便使得LED套件在其照射面上形成均匀的光强和光质。

本发明具有以下优点：

(1)耗电量低。LED灯耗电非常低，且光效非常高。

(2)使用寿命长。LED灯在恰当的电流和电压下，LED灯的使用寿命可达5万小时以上。

(3)环保。LED灯是由无毒的材料做成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED灯也可以回收再利用。

(4)坚固耐用。LED灯是被完全封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固，LED灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED灯不易损坏。

(5)颜色可变。LED灯可以方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红绿蓝多色发光。

(6)针对不同植物，自适应采用不同的光照策略。

(7)可以对LED出现损坏或光照强度不够的情况进行报警。

附图说明

图1为与本发明实施例一致的植物灯照明系统原理框图；

图2为与本发明实施例一致的LED光照单元构成图；

图3为与本发明实施例一致的LED灯组；

图4为与本发明实施例一致的LED套件；

图5为与本发明实施例一致的LED套件的植物生长状态示意图；

图6为与本发明实施例一致的LED灯组控制电路图；

图7为与本发明实施例一致的LED灯组驱动电路图；

图8为与本发明实施例一致的信号接收器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示的植物灯照明系统，其包含设置模块、控制模块、存储模块、比较模块、调节模块、输出模块、监控模块、告警模块和多个LED灯组成，所述的控制模块分别与设置模块、存储模块、告警模块、比较模块和调节模块连接，调节模块与输出模块相连，比较模块的输出到监控模块，输出模块和监控模块与LED灯连接。所述多个不同波长的LED灯构成一个LED光照单元，其包括若干数量的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光的LED。LED光照单元中的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED的数量均可取0，1，2，3，4，5…的非负整数，以便模拟自然状态下不同时段的日光、月光的光照强度和光谱比例。UV-BLED的峰值波长范围是280～320nm；UV-ALED的峰值波长范围是320～390nm；蓝光LED的峰值波长范围是390～500nm；绿光LED的峰值波长范围是500～580nm；黄光LED的峰值波长范围是580～600nm；红光LED的峰值波长范围是600～700nm；远红光LED的峰值波长范围是700～800nm。所述的控制模块为微处理器，其与比较模块、监控模块安装在一控制主板上，所述调节模块、输出模块安装在一控制驱动板上，多个LED灯组成一个LED光照单元，如图2所示。

如图3所示，是本发明可控光照的植物灯照明系统中采用LED光照单元51的LED灯组5的结构示意图。本优选实施例中，LED灯组5的LED灯选用LED光照单元51。当然，LED灯组5的光源也可以由单色的LED灯珠组成。LED光照单元安装在灯板上构成LED灯组，所述的设置模块可以进行远程控制或本地手动控制。

如图4所示为多个LED灯组并排，并以一定角度安装在支撑架上本发明的LED套件。

如图5所示为植物在LED套件下的模拟生长状态图。

参照图6，为本发明LED灯组控制装置电路图。它能完成对LED光源的光量(光照强弱)、光质(光谱成分及比例)和光周期(明暗期时间)实现调节，以适应不同植物生长的需求，监控模块和比较模块还可以进行照度与温、湿度检测及控制调节环节，可自动启/停空调、风扇、加湿机等装置，为植物生长提供适宜环境。

实施例一

首先，根据不同波段的光线的相对光谱分布，通过仿真模拟调控LED灯组的工作电流，确定不同波段光线以合适的光谱比例混合成符合植物生长所需的光照强度和光质，并建立相对应的光照强度和光质比例数据库；特别是在不同的光与对应的工作电流、电压之间建立工作模型，以实现光合成有效光子束密度PPFD(photosyntheticphotondensity)的精确调控。根据先期的植物栽培实验得到的某种植物在各种生长阶段内对光源光谱功率分布、光子通量强度和光周期的要求。具体实施时，可将这些数据输入、存储到本发明的存储模块，为不同植物在不同生长时期的提供智能、变化的光照条件。

对各种光的比例控制可采用如下步骤：

步骤一、设定LED光照单元中的蓝光为参照光，设定其理想输出照度，并设定其输出照度值的阈值，分别为理想输出照度的±10％，；设定其他波长LED灯与参照光的理想输出照度比例，并设定其他波长的LED灯与参照光之间的输出照度比例的阈值，分别为上述理想输出照度比例的±1％，；将设定的参照光的理想输出照度值及其阈值和其他LED光与参照光的输出照度比例的阈值预先存储到存储模块中；

步骤二、测量或计算参照光的输出照度，并判断其是否超出设定的参照光的输出照度的阈值，若超出则发出通知；

步骤三、测量或计算其他LED光的输出照度值，将其与参照光的输出照度相比得到其他LED光输出照度的比例值；当一个或者多个其他LED光的输出照度的比例值超出设定的比例阈值时，根据每个LED光在不同电流下对应的输出照度关系调整这一个或者多个其他LED光的驱动电流等使得其输出照度的比例值回到设定的比例阈值范围内；

步骤四、当LED光照单元的任意一个LED光的工作电流、电压超过一定值时发出报警通知。

所述的对输出照度的测量采用测量各个LED灯的pn结的结温，并通过结温与输出照度之间的关系曲线推算出其输出照度。每个LED发光颗粒的pn结的结温与其输出照度存在一个对应关系，通过测定不同LED灯的pn结的结温从而可推算得到不同LED灯各自实际输出照度，并通过控制pn结的工作电流调整其输出照度。

所述的对LED灯输出照度的测量采用计算各个LED灯的点亮时间,并通过LED灯的光衰曲线推算出输出照度。每个LED发光颗粒都有一条固有的使用时间与光衰的关系曲线。通过测定各个LED灯的点亮时间可以推算出实际输出照度，通过控制工作电流对输出照度加以调整。

所述的对LED灯输出照度的测量采用直接测量各个LED灯的输出照度。可分别对各个LED灯实际输出照度进行测量。

所述的对各个LED灯输出照度的测量为间隔设定时间测量。时间的设定根据实际需求、产品型号等因素灵活设置，LED光源光衰较缓慢，通过间隔设定时间测量将节省测量/推算/控制成本。

进一步的，用于实现LED灯组中的各个LED灯之间输出照度比例可控的方法还包括当任意一个LED灯的工作电流、电压或温度超过设定值时报警的步骤，该步骤可设在步骤一、二、三、四之后，当任意一个LED灯的工作电流、电压或温度超过一定值，即达到报废条件时，将影响整灯功能的实现，所以需对此现象作报警处理。

此外，为保证得到需要光谱比例的LED灯组中各种波段LED出射光子，应根据各种LED的数量配比、几何尺寸等参数，将它们均匀地安装在LED灯组的一个单元内。在使用本发明装置时，为保证每颗被栽培植株能够完全、均匀地接受到LED灯组中各个波段的光子的照射，应注意调整以下变化因素：⑴单元中各种光谱LED的光束角；⑵发光体距离被栽培植株的高度；⑶被栽培植株的间距，具体可参见图2-5。

实施例二

选择单元中的峰值波长为300nm、功率为0.05W的UV-BLED，峰值波长为370nm、功率为0.1W的UV-ALED，峰值波长为450nm、功率为0.5W的蓝光LED，峰值波长为520nm、功率为0.2W的绿光LED，峰值波长为590nm、功率为0.1W的黄光LED，峰值波长为650nm、功率为1W的红光LED，峰值波长为730nm、功率为0.1W的远红光LED各1颗组成发光体的基本单元，并均匀安置如图3中的正六边形结构。进一步地，可根据实际需要，将LED灯组的多个单元排列为线条状光源，如图3所示；或者将单元排列为面光源。在驱动电路设计上，将相同类型的LED以一定数量为一组串联在一起，由独立的驱动IC芯片供电。

电源控制电路采用共用交流电源的电源插座，每个电源插座上安装一个控制基板，LED灯通过电源控制线与控制基板的驱动电路连接。针对某一种植物在不同生长阶段对不同光质的需求，设置不同的生长曲线调节参数，将参数存储到存储模块，不同光线的比例根据生长曲线调节参数由控模块自动调整相应的各种光线的占空比。

由于不同植物所需要的各种光的光照强度阈值不同，相应的各种光的光照强度阈值也不同，所以生长曲线参数可以包括：UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光的光质比例以及光照强度阈值、与相应的光照强度阈值对应的工作电流以及与相应电流对应的光占空比，其中，不同的占空比对应的相应的波长和不同强度的光。

此时，根据所述生长曲线参数得到所述植物当前所需的各种光对应的光占空比，具体包括：根据植物所需的各种光质比例，以及获得与之对应的光的光照强度阈值，根据获得的光的光照强度阈值得到相应的光工作电流，根据工作电流到相应的光占空比。

PWM的占空比与LED光源的工作电流为非线性单调关系，而LED光源的工作电流与LED光量子密度为非线性单调关系，通过实验，建立PWM的占空比与各种LED光量子密度对应数据表，分别存入存储模块中。通过查表法，可以通过占空比的调节精确控制对应LED光量子密度，从而实现LED的光量子密度比例的精确调节。当该LED光源照明系统在温室、组培室等农业设施中工人进行作业时可以关闭红光LED(即输出的PWM占空比为零)，避免工人长期工作损害视力，以保护工人的视觉安全。采用测量自动感应人体存在，当系统感受到人体后，白光的光照强度自动降到500lux及以下，以保护工人的视觉安全。

实施例三

控制模块可使用增强型8位单片机AT89C55WD(U1)，其扩展U2-U6等多片串行接口芯片，这样大大节省了MPU有限的I/O口资源，并降低硬件成本。

所外扩的HD7279A(U2)串行键盘/显示接口芯片以及8位数码管和16键数字/功能键盘相配合，可对上述LED灯参数、以及光照时间，所需温度、湿度参数加以设定、修改及显示。所扩展的NE555(U3)芯片及周边电路组成施密特照度电路可用于白天天气阴暗的测量而自动点亮LED灯。到夜晚根据植物生长需要，模拟月光进行输出。所扩展的DS1302(U4)串行实时时钟芯片以及其周边相关电路构成不掉电实时时钟为开/关灯定时控制，计量光照时间，记录信息传送等提供准确计时。所扩展的ADC0832(U5)是具有2个通道，8位分辨率的串行A/D芯片，它将由温度传感器LM35DZ(U7)测得温度模拟信号经U8放大后加以转换成数字信号，以便MPU采集。同样湿度检测由湿度传感器808H5V5(U9)来完成，同样须经A/D转换、MPU采集。所扩展的X5045(U6)是μp监控器，它具有电压监控以及看门狗的功能，它为MPU提供了因外界干扰而引起程序死循环或跑飞状态的保护功能。此外，内部还具有512B的存贮器，可作为现场参数设定与修改使用。与上位机的通信。利用MPU的P3.0～P3.2UART口，通过光隔与RS-485通信芯片(SN74LBC184)连接，由软件实现与上位PC机联机通信，这样各控制器运行工况与数据等可由上位机统一管理与监控。

实施四

为了适应不同植物生长期间对光照与对环境温、湿度等不同的要求，设置有8组LED灯的控制电路，由P0.0～P0.7口输出控制信号(低/高电平)，经过零型晶闸管光电耦合器(MOC3081)驱动相应的双向晶闸管(Q2～Q9)导通/关断，于是所需投入的某几个LED光照单元被点亮。

对于某一LED光照单元的驱动电路见图7所示。图中以18WLED灯为例进行设计。采用宽输入电压范围(90～264Vac)及具有调光功能的驱动芯片GR8210，再外接NMOS管Q1，电感L2及快恢复二极管D5再与18个1WLED串接，构成BUCK开关变换器，可实现350mA的LED光照单元恒流驱动。其中U1的第3脚DIM端为调光控制脚。

如图8所示，是本发明可控光照的植物生长光照系统中信号接收器41的结构示意图。可控光照的植物生长光照系统还可以选择采用手动模式改变光照颜色和亮度。手动模式下的可控光照的植物生长光照系统，信号接收器41的输出端通过连接控制线4连接LED灯组5。

信号接收器41外壳上设置有多个调节旋钮42、43、和多个接线孔44，接线孔44用于连接电源和连接控制线4，调节旋钮42用于调节各种光的光照强度。通过信号接收器41设置的调节旋钮42、43，可以手动操作来控制LED灯组5的各种光强。

信号接收器41中，调节旋钮43分别为不同光的比例调节按钮，每个光的调节按钮43都分别有多个档位，当调节按钮43对应不同的档位时，可以控制LED灯组5发出的不同光线的比例关系。接线孔44可以连接多个不同连接控制线4，可以实现同时控制多个LED灯组5。当连接上多个LED灯组5后，手动设置好调节按钮43、42时，就可以控制相应的LED灯组5发出设定光强和比例的光照。

以上参数设置采用人工手动调节由肉眼进行判断，当然也可以使用数字化控制手段，由人工输入具体的参数值，可以对各种光的光强以及比例进行输入调节。

本发明实施例中的各个LED灯的光谱曲线可根据实际应用场合和用户需求进行设定。其中，对光源输出照度的测量采用计算待测光源的点亮时间，通过该待测光源的光衰曲线推定其实际输出照度值。LED光源控制电路对光源输出照度信号的接收、比较、测定、对工作电流的控制、发出报警信号等动作以及对输出照度的测量均可通过现有技术实现。

本发明可实现多波长LED光源的输出照度比例恒定，同时具有测量误差小、结构简单、成本低等优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种植物灯照明系统，其包括设置模块、控制模块、存储模块、比较模块、调节模块、告警模块、输出模块、监控模块和至少一个LED灯，其特征在于：

所述的控制模块分别与设置模块、存储模块、告警模块、比较模块和调节模块连接，调节模块与输出模块相连，比较模块的输出到监控模块，输出模块和监控模块与LED灯连接；

所述至少一个LED灯包括多个不同波长的LED灯；所述多个不同波长的LED灯构成一个LED光照单元，其模拟自然状态下不同时段的日光、月光；

所述设置模块用于获取外部输入参数并将外部输入参数存储在存储模块中，所述的外部输入参数包括植物生长曲线参数，不同波长的光的照度参数以及分配比例参数、温度参数和湿度参数；

所述控制模块从存储模块中获取所述外部输入参数，并得到与所述外部输入参数对应的各波长光的输出照度比例；

所述监控模块用于监控所述不同波长的光的照度，并将所述照度值传送给比较模块；

所述比较模块将所述照度值与不同波长的预设照度参数进行比较，将比较结果传送给所述控制模块；

所述控制模块根据所述比较结果来动态调整不同波长的照度值；如果所述调整可控，则控制调节模块对输出模块进行调节；如果所述调整不可控，则通知告警模块进行报警。

2.如权利要求1所述用于植物灯照明系统，所述控制模块控制输出模块按照所需照度比例的不同波长LED灯的相应控制电流或控制电压。

3.如权利要求1所述用于植物灯照明系统，所述不同波长的光的照度参数包括不同波长的光的照度阈值。

4.如权利要求3所述用于植物灯照明系统，设置所述不同波长的光的照度参数包括：设定所述LED光照单元中的蓝光为参照光，设定其理想输出照度，并设定其输出照度值的阈值，分别为理想输出照度的±10％，；设定其他波长LED灯与参照光的理想输出照度比例，并设定其他波长的LED灯与参照光之间的输出照度比例的阈值，分别为上述理想输出照度比例的±1％，；将设定的参照光的理想输出照度值及其阈值和其他LED光与参照光的输出照度比例的阈值预先存储到存储模块中。

5.如权利要求1所述用于植物灯照明系统，所述调整可控包含以下情况：各波长的光的照度未超过阈值或者LED灯未老化到无法调控；所述调整不可控包括以下情况：至少有一个波长的光的照度超过阈值、或至少一个LED灯老化或故障而无法调节。

6.如权利要求1所述用于植物灯照明系统，所述LED光照单元包括若干数量的UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光的LED，其中，UV-B、UV-A、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光LED的数量均可取0，1，2，3，4，5…的非负整数。

7.一种使用如权利要求1-6的用于植物灯照明系统进行照度调节的方法，其包括以下步骤：

步骤一、设定LED光照单元中的蓝光为参照光，设定其理想输出照度，并设定其输出照度值的阈值，分别为理想输出照度的±10％，；设定其他波长LED灯与参照光的理想输出照度比例，并设定其他波长的LED灯与参照光之间的输出照度比例的阈值，分别为上述理想输出照度比例的±1％，；将设定的参照光的理想输出照度值及其阈值和其他LED光与参照光的输出照度比例的阈值预先存储到存储模块中；

步骤二、测量或计算参照光的输出照度，并判断其是否超出设定的参照光的输出照度的阈值，若超出则发出通知；

步骤三、测量或计算其他LED光的输出照度值，将其与参照光的输出照度相比得到其他LED光输出照度的比例值；当一个或者多个其他LED光的输出照度的比例值超出设定的比例阈值时，根据每个LED光在不同电流下对应的输出照度关系调整这一个或者多个其他LED光的驱动电流等使得其输出照度的比例值回到设定的比例阈值范围内；

步骤四、当LED光照单元的任意一个LED光的工作电流、电压超过一定值时发出报警通知。

8.一种如在权利要求1-6的用于植物灯照明系统使用的LED灯，其采用OLED或激光二极管代替。

9.一种如在权利要求1-6的用于植物灯照明系统使用的LED灯组，其包括至少一个LED光照单元，并由LED光照单元按照预定规律排列安装；其中LED光照单元由按照预设规律的不同波长LED灯组成，以便使得LED套件在其照射面上形成均匀的光强和光质。