CN105517240B - 一种有利于植物生长的led智能调光系统 - Google Patents

一种有利于植物生长的led智能调光系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有利于植物生长的LED智能调光系统,包括RGB智能调光系统模块,驱动电路,无线网络控制模块,光源模组设计模块以及植物光度学与人眼光度学换算算法;克服现有市场上植物生长灯单一的波长与光照强度的问题,利用软件提供的计算技术,根据不同植物在不同生长阶段所需的光照需求不同,通过无线网络,将不同植物生长所需光照波长与光照强度数据传送给该智能调光系统,系统通过RGB调光产生不同波长和光照强度的灯光,通过最佳的光源模组设计,从而提供最适合植物健康生长所需的光照。

Description

一种有利于植物生长的LED智能调光系统
技术领域
本发明涉及一种有利于植物生长的LED智能调光系统,属于植物光合作用的光质光照技术领域。
背景技术
光合作用对植物的生长有着十分重要的作用,是地球上所有生物赖以生存的基础。植物的生长发育需要的光照通常依赖太阳光,但是有些蔬菜、花卉等经济作物,如反季节果蔬的繁殖还需要人工光源进行补充光照。同时,冬季光照时间短,甚至雨雪天气,太阳光照严重匮乏,会对农作物产生很大的影响。
LED作为新一代革命性光源,凭借近年来技术研发的突飞猛进,其高效节能且寿命长久的优势不断扩大。LED的迅速发展为园艺照明、城市夜景照明提供了广泛的发展前景。但夜晚大量景观灯的开启已经影响到被照植物的休息,较高的光强已经启动了植物的光合作用,有些光强过大的光源甚至已经伤害到了被照植物。
市面上的植物生长灯的光质往往是固定的波长和光照强度,无法适应不同植物生长对于不同生长阶段对于不同波长与光照强度的需求。针对上述问题,需要提供一种有利于植物生长的LED智能调光系统,解决因日照不足与光照过大而影响植物健康生长的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有利于植物生长的LED智能调光系统,其目的是克服现有市场上植物生长灯单一的波长与光照强度的问题,利用软件提供的计算技术,根据不同植物在不同生长阶段所需的光照需求不同,通过无线网络,将不同植物生长所需光照波长与光照强度数据传送给该智能调光系统,系统通过RGB调光产生不同波长和光照强度的灯光,通过最佳的光源模组设计,从而提供最适合植物健康生长所需的光照,同时还可以通过红外感应装置,在感应到有害虫接近时,通过单片机调控自动打开除虫灯。其具体技术方案如下:
一种有利于植物生长的LED智能调光系统,由RGB智能调光模块、无线网络模块、红外感应除虫模块、光源模组设计模块组成,根据不同植物在不同生长阶段所需的光照需求不同,上位机通过无线网络模块,将不同植物生长所需光照波长与光照强度数据传送给该RGB智能调光模块,该RGB智能调光模块通过RGB调光产生不同波长和光照强度的灯光,通过最佳的光源模组设计,从而提供最适合植物健康生长所需的光照。
进一步的,上位机中包括植物光度学与人眼光度学的换算:先根据光合光子通量PPF和光量子学-植物量子学的换算系数通过公式
(1)
算出光合辐照度,再由和光度辐射的光合效率算出对应的光照度
(2)
其中表示植物光合敏感曲线,表示光谱光效率最大值,表示光谱光合光子通量,表示光谱辐照度,表示波长,单位为nm。
进一步的,上位机中还包括植物有效光合光子通量的空间分布计算:以LED灯光源为原点建立三维坐标系,设光源处的光照度为,树叶的阻挡系数为α,则空间任意一点的光照度为:
(3)
建立在促进植物光合作用的波长范围400-700nm基础上的光照度表达式为:
(4)
则空间任意一点的光照度为:
(5)
考虑到LED灯中的光合有效辐射系数,直接辐照中光合有效辐射与LED灯直接辐射之比β,以及LED灯直射与植物之间不同角度而产生的角度系数θ,通过建立球坐标系,通过球坐标变换,可得空间任意一点的有效光照度为:
(6)
其中,为光谱辐照度,为光谱光效率函数的最大值,为光谱光效率函数。
进一步的,所述RGB智能调光模块的串口接收到上位机发送的RGB三色数值信号,在单片机分别输出三路PWM信号控制RGB三色LED达到调光,上位机发送数值格式为RGB的值,各色256级,单片机得到串口这个数据后取出三色数值控制三路PWM输出脉宽,从而实现色温调控功能;根据光度辐射的光合效率与色温的关系曲线,通过RGB调节LED灯的色温,使得植物光合作用达到最佳值。
进一步的,所述上位机计算出不同植物在不同生长阶段所需的光照波长和光照强度,通过无线网络模块,将数据传送给RGB智能调光模块的单片机,从而实现数据的传输。
进一步的,所述红外感应除虫模块通过热释电红外传感装置,在感应到有害虫接近时,通过单片机调控,自动打开除虫灯。
进一步的,在光源模组设计模块中,为了保证植物栽培面上的光合有效光量子流密度分布均匀,合理分布红光,蓝光,绿光LED灯的数量,排列顺序,光源间距,光源与植物之间的距离及各LED灯比例。
附图说明
图1为本发明的RGB智能调光模块的电路图;
图2为本发明的无线网络模块的电路图;
图3为本发明的红外感应除虫模块的电路图;
图4为本发明的光源模组设计的LED组合实施例一;
图5为本发明的光源模组设计的LED组合实施例二。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
本发明的有利于植物生长的LED智能调光系统包括以下模块:RGB智能调光模块、无线网络模块、红外感应除虫模块、光源模组设计、植物光度学与人眼光度学换算、植物有效光合光子通量的空间分布计算模块。
植物光度学与人眼光度学量值间的转换。在考虑植物照明用灯时,我们可以根据光合光子通量PPF和光量子学-植物量子学的换算系数算出光合辐照度,再由和光度辐射的光合效率算出对应的光照度,从而得到植物光照的参考范围。具体计算方法为先根据光合光子通量PPF和光量子学-植物量子学的换算系数算出光合辐照度
(1)
再由和光度辐射的光合效率算出对应的光照度:具体计算方法为先根据光合光子通量PPF和光量子学-植物量子学的换算系数算出光合辐照度
(1)
(2)
其中表示植物光合敏感曲线,表示光谱光效率最大值,表示光谱光合光子通量,表示光谱辐照度,表示波长,单位为nm。
植物有效光合光子通量的空间分布计算。以LED灯光源为原点建立三维坐标系,设光源处的光照度为,树叶的阻挡系数为α,则空间任意一点的光照度为:
(3)
再建立在促进植物光合作用的波长范围400-700nm基础上的光照度表达式为:
(4)
则空间任意一点的光照度为:
(5)
同时考虑到LED灯中的光合有效辐射系数,直接辐照中光合有效辐射与LED灯直接辐射之比β,以及LED灯直射与植物之间不同角度而产生的角度系数θ,通过建立球坐标系,通过球坐标变换,可得空间任意一点的有效光照度为:
(6)
其中,为光谱辐照度,为光谱光效率函数的最大值,为光谱光效率函数。
图1为本发明的RGB智能调光模块电路图。RGB智能调光模块包括MEGA8单片机,上位机软件,RGB三色LED灯,驱动电路。MEGA8单片机1管脚接10K上拉电阻接5V电源;9、10管脚分别接电容C1,C2一端,电容另一端接地;7、20、21管脚直接接5V电源;8、22管脚直接接地;2、4管脚分别接电阻R2,R6一端,另一端接+5V电压;11、12、13管脚分别接三个RGB的LED灯;17、18、19管脚分别接SV1的1、7、9管脚;串口接收到上位机发送的RGB三色数值信号,在单片机分别输出三路PWM信号控制RGB三色LED达到调光。上位机发送数值格式为RGB的值,各色256级,单片机得到串口这个数据后取出三色数值控制三路PWM输出脉宽,从而实现色温调控功能。根据光度辐射的光合效率与色温的关系曲线,通过RGB调节LED灯的色温,使得植物光合作用达到最佳值。
图2为本发明的无线网络模块的电路图。无线网络模块包括PT2262红外遥控发射接收芯片,2SC4226超高频低噪声功率管,MEGA8单片机,驱动电路等组成。MEGA8单片机1管脚接10K上拉电阻接5V电源;8、22管脚直接接地;PB2,3,4,5管脚分别接PT2262红外遥控发射接收芯片的10,11,12,13管脚;PT2262红外遥控发射接收芯片1-8管脚分别接开关S1-S8;9,14管脚接地;18管脚分三路,一路接R1接D1接8个开关一端,一路接8个开关另一端,第三路接R4后分两路,一路接C3接地,一路接电感L1后一路接SC4226超高频低噪声功率管一端另一路接电容C2,C3后接地;17管脚接R2后接2SC4226超高频低噪声功率管一端;17管脚接R2后接16管脚;SC4226超高频低噪声功率管另一端接R5后接地。
图3为本发明的红外感应除虫模块的电路图。害虫所发出的红外通过透镜增强后聚焦到红外感应器上,红外感应器采用热释电元件,当接收到害虫红外辐射温度发生变化时会失去电荷平衡,向外释放电荷,该电荷信号很微弱,最大幅度只有2mV,这样微弱的信号利用运算放大器U2A组成传感信号预处理电路,将信号放大并将之传送到单片机中去。单片机在接收到信号后,通过调节IO口控制除虫灯的开关,从而起到自动杀虫功能。
图4为本发明的光源模组设计的LED组合实施一。植物通过体内多样的色素系统,感应不同波长范围的光线,调节植物的生长发育和代谢,适宜的红光与蓝光之比才能保证培育出形态健全的植物。如图所示,每行每列中红绿LED灯交错排列。
图5为本发明专利的一种光源模组设计的LED组合实施例二。在红绿LED组合光中加入绿光能够促进植物生长,因为绿光比红蓝光的透射比更高,能够更好的穿透叶片到达植物冠层,底下的叶片才能更好的进行光合作用。如图所示,每行每列中红光、蓝光、绿光LED均为4颗、2颗和2颗。且每行中两个绿光LED的间距、两个蓝光LED的间距,都是相邻红光LED间距的2倍。

Claims (5)

1.一种有利于植物生长的LED智能调光系统,由RGB智能调光模块、无线网络模块、红外感应除虫模块、光源模组设计模块组成,其特征在于:根据不同植物在不同生长阶段所需的光照需求不同,上位机通过无线网络模块,将不同植物生长所需光照波长与光照强度数据传送给该RGB智能调光模块,该RGB智能调光模块通过RGB调光产生不同波长和光照强度的灯光,通过最佳的光源模组设计,从而提供最适合植物健康生长所需的光照;
先根据光合光子通量PPF和光量子学-植物量子学的换算系数KPPF,P通过公式
EP=PPF/KPPF,P (1)
算出光合辐照度EP,再由EP和光度辐射的光合效率KPV算出对应的光照度EV
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mo>,</mo> <mi>V</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;lambda;</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;lambda;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中P(λ)表示植物光合敏感曲线,Em表示光谱光效率最大值,V(λ)表示光谱光合光子通量,Ee(λ)表示光谱辐照度,λ表示波长,单位为nm;
上位机中还包括植物有效光合光子通量的空间分布计算:以LED灯光源为原点建立三维坐标系,设光源处的光照度为EV,树叶的阻挡系数为α,则空间任意一点的光照度为:
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>V</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>,</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;E</mi> <mi>V</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
建立在促进植物光合作用的波长范围400-700nm基础上的光照度表达式为:
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>V</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>m</mi> </msub> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>400</mn> <mn>700</mn> </msubsup> <msub> <mi>E</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
则空间任意一点的光照度为:
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>V</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>,</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;K</mi> <mi>m</mi> </msub> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>400</mn> <mn>700</mn> </msubsup> <msub> <mi>E</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>d&amp;lambda;e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
考虑到LED灯中的光合有效辐射系数,直接辐照中光合有效辐射与LED灯直接辐射之比β,以及LED灯直射与植物之间不同角度而产生的角度系数θ,通过建立球坐标系,通过球坐标变换可得空间任意一点的有效光照度为:
其中,Ee(λ)为光谱辐照度,Km为光谱光效率函数的最大值,V(λ)为光谱光效率函数。
2.根据权利要求1所述的有利于植物生长的LED智能调光系统,其特征在于:所述RGB智能调光模块的串口接收到上位机发送的RGB三色数值信号,在单片机分别输出三路PWM信号控制RGB三色LED达到调光,上位机发送数值格式为RGB的值,各色256级,单片机得到串口这个数据后取出三色数值控制三路PWM输出脉宽,从而实现色温调控功能;根据光度辐射的光合效率与色温的关系曲线,通过RGB调节LED灯的色温,使得植物光合作用达到最佳值。
3.根据权利要求1所述的有利于植物生长的LED智能调光系统,其特征在于:所述上位机计算出不同植物在不同生长阶段所需的光照波长和光照强度,通过无线网络模块,将数据传送给RGB智能调光模块的单片机,从而实现数据的传输。
4.根据权利要求1所述的有利于植物生长的LED智能调光系统,其特征在于:所述红外感应除虫模块通过热释电红外传感装置,在感应到有害虫接近时,通过单片机调控,自动打开除虫灯。
5.根据权利要求1所述的有利于植物生长的LED智能调光系统,其特征在于:在光源模组设计模块中,为了保证植物栽培面上的光合有效光量子流密度分布均匀,合理分布红光,蓝光,绿光LED灯的数量,排列顺序,光源间距,光源与植物之间的距离及各LED灯比例。
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