CN105180018A - 一种基于组合光谱的led农业照明系统及方法 - Google Patents

一种基于组合光谱的led农业照明系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于组合光谱的LED农业照明系统，包括LED植物生长灯、光环境控制模块、光谱采集装置、光辐射照度计、组合光谱数据库和处理器，所述的处理器分别与光环境控制模块、光谱采集装置、光辐射照度计、组合光谱数据库相连，所述的光环境控制模块与LED植物生长灯相连。本发明所述的LED农业照明系统及方法，为不同植物不同生长周期提供最佳光谱的照明光环境，提高生长效率并达到节能环保的效果。

Description

一种基于组合光谱的LED农业照明系统及方法
技术领域
本发明涉及自动化控制及现代化农业照明研究领域，特别涉及一种基于组合光谱的LED农业照明系统及方法。
背景技术
我国基于现代化农业发展需求和促使我国从农业大国向农业强国转变的目标，农业照明现代化是农业现代化主要内容之一。近几年在我国大力推动半导体照明应用推广的同时，各级政府、科研院校、农产品生产企业、LED企业也开始关注LED农业照明技术发展趋势和应用推广潜力，开始进行包括LED农业照明技术研究、LED植物生长灯具设计开发、LED农业照明应用示范推广的工作，积累了一定的研究开发经验并获得相关的科研成果和较好的示范效果。
首先，在农业照明领域，相比传统光源，LED光源优势更突出体现在：1)利用LED可调可控的特点，集中有效波长照射使生物能效高。2)LED是冷光源，可以近距离照射，可大大提高植物栽培密度。3)LED农业照明应用产生的节能效果显著。不难看出，从LED光源本身特点或者植物生长光照需求，与传统光源相比，在农业照明领域，LED光源是目前最具有应用潜力的绿色光源，具有广阔的应用前景。
然而，综观全国在LED农业照明领域的研究集中在植物生长灯开发或者只针对某种植物生长方面照明研究，而同时包括半导体照明技术与农业生长学科的交叉研究还相对缺乏，而这恰恰是LED农业照明应用及植物生长相关性规律研究的重点内容。
因此，有必要提供一种新的农业照明系统来满足人们的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于组合光谱的LED农业照明系统，整合光生物信息技术、LED智能照明、光电传感测控和计算机软件多种技术，开发一套集光谱组合及智能调节、光环境在线监测记录并实时反馈及联动调节、人为建立或修改光谱数据库等功能的LED智能化农业照明系统。
本发明的另一目的在于提供一种基于组合光谱的LED农业照明方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于组合光谱的LED农业照明系统，包括LED植物生长灯、光环境控制模块、光谱采集装置、光辐射照度计、组合光谱数据库和处理器，所述的处理器分别与光环境控制模块、光谱采集装置、光辐射照度计、组合光谱数据库相连，所述的光环境控制模块与LED植物生长灯相连。
所述的LED植物生长灯包括LED芯片级光源组合，以及驱动LED芯片级光源组合的驱动电路；所述的LED芯片级光源组合是由蓝光(420～500nm)、红光(610～720)、近红外光(720～1000nm)的LED芯片级光源按照10:1:0、10:1:1、10:1:2、10:2:1、10:3:0、10:3:1、10:3:2、9:1:0、9:1:1、9:1:2、9:2:0、9:2:1、9:2:2、9:3:0、9:3:1、9:3:2、8:1:0、8:1:1、8:1:2、8:2:1、8:3:0、8:3:1、8:3:2、7:1:0、7:1:1、7:1:2、7:2:0、7:2:1、7:2:2、7:3:0、7:3:1、7:3:2、6:1:0、6:1:1、6:1:2、6:2:1、6:3:1、6:3:2、5:1:0、5:1:1、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2、5:3:0、5:3:1、5:3:2、4:1:0、4:1:1、4:1:2、4:2:1、4:3:0、4:3:1、4:3:2、3:1:0、3:1:1、3:1:2、3:2:0、3:2:1、3:2:2、3:3:1、3:3:2、2:1:0、2:1:1、2:1:2、2:2:1、2:3:0、2:3:1、2:3:2、1:1:0、1:1:1、1:1:2、1:2:0、1:2:1、1:2:2、1:3:0、1:3:1、1:3:2配比组成；所述的驱动电路采用PWM(脉冲宽度调制)恒流驱动技术、可控硅调光技术、DMX512调光技术对每个LED芯片级光源进行0-100级恒流调光。本发明的LED植物生长灯使得LED植物生长灯可输出不同组合光谱并确保在植物生长照射面的照明值符合设定，同时确保输出光谱与设定光谱、照射面辐射照度值与设定辐射照度值的误差均控制在设定的阈值K以内。
所述的LED植物生长灯还包括散热结构，散热结构采用铝基板，LED芯片组光源的基底固定在铝基板上。
所述的基底和铝基板表面涂上导热硅胶。导热硅胶提升导热效果，进一步提升散热结构的散热效果。
所述的光环境控制模块通过有线通信(电力载波通信方式、RS485总线通信方式、CAN总线通信方式、基于TCP/IP协议的网络通信方式)或无线通信(zigbee通信方式、WIFI通信方式、蓝牙通信方式、BLE通信方式)对多盏LED植物生长灯输出光的光谱(光质)、光辐射照度(光密度)和光周期进行远程控制和调节。
所述的光谱采集装置包括光谱仪，以及与光谱仪连接的导光光纤，所述的的光谱仪采用便携式的阵列CCD探测器光谱仪，所述的导光光纤的输入端对着LED植物生长灯发光面，导光光纤的输出端连接到光谱仪的接收光口，LED植物生长灯的输出光是通过导光光纤进入光谱仪从而实现光谱采集。便携式的阵列CCD探测器光谱仪实现对可见光谱380nm～780nm及近红外光谱780nm～900nm的毫秒级快速精确采集。
所述的光辐射照度计采用数字式光辐射照度计，光辐射照度计包括光电探头、与光电探头相连的处理模块，所述光电探头由顺序相连的光电传感器、余弦修正器组成。其中光电传感器是一种光电器件，利用光电转换即将光信号转换成电信号的原理，并通过放大电路及滤波电路对电信进行放大滤波处理，实现光辐射照度的采集；余弦修正器是用来校正光电传感器的角度响应特性不符合余弦特性。
所述的组合光谱数据库是针对不同植物不同生长周期与光照环境的光谱及光辐射照度的相关性规律而得到最佳光照环境的光参数指标而建立的数据库，通过组合光谱数据库指导和调节LED植物生长灯的光输出；同时通过与处理器相连的人机界面自行建立和修改组合光谱数据库。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
一种基于组合光谱的LED农业照明方法，包含以下顺序的步骤：
(1)针对植物某个生长阶段，调用组合光谱数据库的相应数据设定值通过光环境控制模块智能调节LED植物生长灯的输出光的包括光谱和光辐射照度两方面的光参数指标，使得LED植物生长灯的输出光符合该植物生长要求；
(2)在LED植物生长灯正常工作过程中，由光谱采集装置和光辐射照度计对实际输出光的光参数的实时监测并反馈给处理器，对实时采集的光参数与系统设定的光参数值进行匹配分析确保两者偏差不超过设定的阈值K：若超过设定的阈值K，则通过光环境控制模块微调LED植物生长灯的输出光的光参数指标，从而实现对不同植物不同生长阶段提供最符合生长要求且光谱可调的光照环境；
(3)当植物进入下一个生长阶段时，按照步骤(1)调用组合光谱数据库的相应数据设定值调节LED植物生长灯的输出符合植物生长要求的输出光，然后执行步骤(2)；
(4)反复执行步骤(1)、(2)、(3)直至植物完成生长全阶段，植物生长完成后自动停止运行照明系统，并跳出植物生长完成提示窗来提醒工作人员。
所述的设定的阈值K可根据实践经验而人为设定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明所述的基于组合光谱的LED农业照明系统是利用光谱仪和光辐射照度计实时监测LED植物生长灯输出光的光谱和植物接收光面的光辐射照度，将光环境实际监测数据反馈到回系统软件并与设定的组合光谱进行差异匹配分析并对LED植物生长灯的输出光进行微调，实现组合光谱和光辐射照度的联动调节，确保LED植物生长灯的输出光的光谱和光辐射照度值与系统设定值不会超过阈值K的偏差。
2、本发明基于LED的PWM、可控硅、DMX512调光技术与多种颜色的LED芯片级光源按照不同配比组合相结合的方式，实现更灵活更多种的组合光谱，也使本照明系统的适用范围更广和通用性更好。
3、本发明利用光谱仪和光辐射照度计实时监测照明系统的输出光的光参数并反馈给系统进行差异匹配分析后再对输出光进行微调，实现组合光谱和光辐射照度的联动调节功能。
4、本发明基于现代化农业照明发展需求，结合植物室内栽培实际照明需求，利用LED组合光谱对植物生长的影响相关性规律及研究成果，开发一套适合多种植物生长并具有光谱组合、智能控制和实时监测的光照系统，为不同植物不同生长周期提供最佳光谱的照明光环境，提高生长效率并达到节能环保的效果。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于组合光谱的LED农业照明系统的结构示意框图。
图2为图1所述LED农业照明系统的LED植物生长灯的装配图。
图3为图2所示LED植物生长灯的驱动电路设计图。
图4为本发明所述的一种基于组合光谱的LED农业照明方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，基于组合光谱的LED农业照明系统由LED植物生长灯、光环境控制模块、光谱采集装置、光辐射照度计、组合光谱数据库、系统软件和计算机组成，该系统整合光生物信息技术、LED智能照明、光电传感测控和计算机软件多种技术，开发一套集光谱组合及智能调节、光环境在线监测记录并实时反馈及联动调节、人为建立或修改光谱数据库等功能的智能化LED植物补光照明系统。
如图1所示，光谱采集装置由光谱仪和导光光纤组成，光谱仪通过导光光纤对LED植物生长灯进行光谱采集并实时传输至计算机由系统软件进行匹配分析处理。光辐射照度计由光电探头和主机组成，通过光辐射照度计采集LED植物生长灯的输出光在植物照射面的照度值并实时传输至计算机由系统软件进行匹配分析处理。组合光谱数据库是针对不同植物不同生长周期与光照环境的光谱及光辐射照度的相关性规律而得到最佳光照环境的光参数指标而建立的数据库，通过组合光谱数据库指导和调节LED植物生长灯的光输出，同时有使用者还可通过系统软件人机界面自行建立和修改组合光谱数据库，于是本系统也是LED农业照明科学工作者进行本领域科学研究的极佳工具。
如图2所示，LED植物生长灯由LED芯片级光源组合、驱动电路和散热结构组成。LED芯片级光源组合是由分别为蓝光(420～500nm)、红光(610～720nm)和近红外光(720～1000nm)的LED芯片级光源按照一定配比组成，配比为下列比例中的一种：10:1:0、10:1:1、10:1:2、10:2:1、10:3:0、10:3:1、10:3:2、9:1:0、9:1:1、9:1:2、9:2:0、9:2:1、9:2:2、9:3:0、9:3:1、9:3:2、8:1:0、8:1:1、8:1:2、8:2:1、8:3:0、8:3:1、8:3:2、7:1:0、7:1:1、7:1:2、7:2:0、7:2:1、7:2:2、7:3:0、7:3:1、7:3:2、6:1:0、6:1:1、6:1:2、6:2:1、6:3:1、6:3:2、5:1:0、5:1:1、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2、5:3:0、5:3:1、5:3:2、4:1:0、4:1:1、4:1:2、4:2:1、4:3:0、4:3:1、4:3:2、3:1:0、3:1:1、3:1:2、3:2:0、3:2:1、3:2:2、3:3:1、3:3:2、2:1:0、2:1:1、2:1:2、2:2:1、2:3:0、2:3:1、2:3:2、1:1:0、1:1:1、1:1:2、1:2:0、1:2:1、1:2:2、1:3:0、1:3:1、1:3:2。由驱动电路通过恒流驱动LED芯片级光源正常工作，同时采用PWM(脉冲宽度调制)恒流调光控制技术对各种颜色系列的LED芯片级光源光进行0-100级恒流调光，从而实现可调的组合光谱输出。散热结构采用铝基板，LED芯片组光源的基底固定在铝基板上，基底和铝基板表面还涂上导热硅胶提升导热效果。
图2中，标号1为面盖、2为透镜、3为LED芯片级光源所在的电路板、4为散热器(即灯壳)、5为驱动电路及控制电路、6为供电线、7为控制线。
如图3所示，LED植物生长灯的驱动电路采用3通道的PWM、可控硅、DMX512恒流输出设计分别调控包括蓝光(420～500nm)、红光(610～720nm)和近红外光(720～1000nm)这三种颜色的LED芯片级光源的输出光，使得LED植物生长灯可输出不同组合光谱的输出光并确保在植物生长照射面的照明值符合设定要求。
如图4所示，LED农业照明系统的工作流程是：
1)针对植物某个生长阶段，由系统软件调用组合光谱数据库的相应数据设定值通过光环境控制模块智能调节LED植物生长灯的输出光的包括光谱和光辐射照度两方面的光参数指标，使得LED植物生长灯的输出光符合该植物生长要求
2)在LED植物生长灯正常工作过程中，由光谱采集装置和光辐射照度计对实际输出光的光参数的实时监测并反馈给计算机，通过系统软件对实时采集的光参数与系统设定的光参数值进行匹配分析确保两者偏差不超过预先设定阈值K的允许范围，若超过允许偏差范围即通过光环境控制模块微调LED植物生长灯的输出光的光参数指标，从而实现对不同植物不同生长阶段提供最符合生长要求且光谱可调的光照环境。
3)当植物进入下一个生长阶段时，系统会自动按照以上步骤1)调用组合光谱数据库的相应数据设定值调节LED植物生长灯的输出符合植物生长要求的输出光，同时也按照以上步骤2)实时监控输出光的光参数指标与设定值偏差不超过预先设定的阈值K的允许范围。
4)LED农业照明系统反复执行以上步骤1)至3)直至植物完成生长全阶段，系统将会自动停止运行照明系统，并跳出植物生长完成提示窗来提醒工作人员。
所述的设定的阈值K为8％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：包括LED植物生长灯、光环境控制模块、光谱采集装置、光辐射照度计、组合光谱数据库和处理器，所述的处理器分别与光环境控制模块、光谱采集装置、光辐射照度计、组合光谱数据库相连，所述的光环境控制模块与LED植物生长灯相连。
2.根据权利要求1所述的基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：所述的LED植物生长灯包括LED芯片级光源组合，以及驱动LED芯片级光源组合的驱动电路；所述的LED芯片级光源组合是由蓝光、红光、红外光的LED芯片级光源按照预设比例组成；
所述预设比例为以下比例中的一种：10:1:0、10:1:1、10:1:2、10:2:1、10:3:0、10:3:1、10:3:2、9:1:0、9:1:1、9:1:2、9:2:0、9:2:1、9:2:2、9:3:0、9:3:1、9:3:2、8:1:0、8:1:1、8:1:2、8:2:1、8:3:0、8:3:1、8:3:2、7:1:0、7:1:1、7:1:2、7:2:0、7:2:1、7:2:2、7:3:0、7:3:1、7:3:2、6:1:0、6:1:1、6:1:2、6:2:1、6:3:1、6:3:2、5:1:0、5:1:1、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2、5:3:0、5:3:1、5:3:2、4:1:0、4:1:1、4:1:2、4:2:1、4:3:0、4:3:1、4:3:2、3:1:0、3:1:1、3:1:2、3:2:0、3:2:1、3:2:2、3:3:1、3:3:2、2:1:0、2:1:1、2:1:2、2:2:1、2:3:0、2:3:1、2:3:2、1:1:0、1:1:1、1:1:2、1:2:0、1:2:1、1:2:2、1:3:0、1:3:1、1:3:2；
所述的驱动电路采用PWM恒流驱动技术、可控硅调光技术、DMX512调光技术对每个LED芯片级光源进行0-100级恒流调光。
3.根据权利要求2所述的基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：所述的LED植物生长灯还包括散热结构，散热结构采用铝基板，LED芯片组光源的基底固定在铝基板上。
4.根据权利要求3所述的基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：所述的基底和铝基板表面涂上导热硅胶。
5.根据权利要求1所述的基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：所述的光环境控制模块通过有线通信方式或无线通信方式控制多盏LED植物生长灯输出光的光谱、光辐射照度和光周期进行远程控制和调节。
6.根据权利要求5所述的基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：所述的有线通信方式包括电力载波通信方式、RS485总线通信方式、CAN总线通信方式、基于TCP/IP协议的网络通信方式，所述的无线通信方式包括zigbee通信方式、WIFI通信方式、蓝牙通信方式、BLE通信方式。
7.根据权利要求1所述的基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：所述的光谱采集装置包括光谱仪，以及与光谱仪连接的导光光纤，所述的的光谱仪采用便携式的阵列CCD探测器光谱仪，所述的导光光纤的输入端对着LED植物生长灯发光面，导光光纤的输出端连接到光谱仪的接收光口，LED植物生长灯的输出光是通过导光光纤进入光谱仪从而实现光谱采集。
8.根据权利要求1所述的基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：所述的光辐射照度计采用数字式光辐射照度计，光辐射照度计包括光电探头、与光电探头相连的处理模块，所述光电探头由顺序相连的光电传感器、余弦修正器组成。
9.根据权利要求1所述的基于组合光谱的LED农业照明系统，其特征在于：所述的组合光谱数据库是针对不同植物不同生长周期与光照环境的光谱及光辐射照度的相关性规律而得到最佳光照环境的光参数指标而建立的数据库，通过组合光谱数据库指导和调节LED植物生长灯的光输出；同时通过与处理器相连的人机界面自行建立和修改组合光谱数据库。
10.一种基于组合光谱的LED农业照明方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
(1)针对植物某个生长阶段，调用组合光谱数据库的相应数据设定值通过光环境控制模块智能调节LED植物生长灯的输出光的包括光谱和光辐射照度两方面的光参数指标，使得LED植物生长灯的输出光符合该植物生长要求；
(2)在LED植物生长灯正常工作过程中，由光谱采集装置和光辐射照度计对实际输出光的光参数的实时监测并反馈给处理器，对实时采集的光参数与系统设定的光参数值进行匹配分析确保两者偏差不超过预先设定的阈值K：若超过设定的阈值K，则通过光环境控制模块微调LED植物生长灯的输出光的光参数指标，从而实现对不同植物不同生长阶段提供最符合生长要求且光谱可调的光照环境；
(3)当植物进入下一个生长阶段时，按照步骤(1)调用组合光谱数据库的相应数据设定值调节LED植物生长灯的输出符合植物生长要求的输出光，然后执行步骤(2)；
(4)反复执行步骤(1)、(2)、(3)直至植物完成生长全阶段，植物生长完成后自动停止运行照明系统，并跳出植物生长完成提示窗来提醒工作人员。
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