CN106888864A - 一种作用于温室植物生长的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作用于温室植物生长的控制系统，包括PLC控制器、分别与PLC控制器连接的环境传感系统、环境调控系统、数据存储单元以及用于人机交互和系统信息实时观测的HMI用户界面；本发明具有以下优点：1)可根据植物属性不同，对光照的需求不同，合理调控红、蓝光相对光谱的分布比；2)温、湿度，光线，二氧化碳含量水平等智能采集传感及调控一体化，实现智能化管理；3)滴灌系统以及LED各光源相对光谱分布的可调性，既节能又环保；4)采取环境光线传感器对温室内外环境进行统一监测，既利用温室外环境光，又监测温室外环境光，使温室内环境光的管理更精细化。

Description

一种作用于温室植物生长的控制系统

技术领域

本发明涉及LED灯具在农业上的应用领域，尤其涉及到一种作用于温室植物生长的控制系统。

背景技术

光、温、水、肥、气，是植物生长发育所需的主要环境因子，每个因子都是植物生长发育过程中所必须的。这个五个因子中，光居首位，其主要通过三方面影响植物生长，即光普分布、光强和光周期。光质即光辐射的波长，对植物的生长、光合作用、形态建成、物质代谢等诸多方面均有调控作用。近些年来，随着大气环境污染的日益加剧，北方雾霾天气的增多，致使地球表面接受到的太阳福射日趋减少，严重影响到了作物的生长。

温室植物培养技术为现代植物栽种提供了一种科学、稳定、可靠的种作技术，给人们日益增加的能量需求提供了一种合适的途径。相关研究表明，当温室日光照量小于100W/m²，或日照时间小于4.5h/天时，要进行人工补光。将人工光源代替太阳光，用于植物生长照明补光技术的发展，使得温室种植有了更为广阔的发展前景。而在利用人工光源补光的同时，能够充分利用太阳光照，两者结合达到稳定有效的照明状态，将是节能、高效的植物补光方案。

植物生长依赖于在叶绿体中的光合作用合成有机物。而研究表明，叶绿体中参与到光合作用中至关重要的叶绿素a和叶绿素b，其吸收光谱为单色光谱，吸收光谱的峰值波长分别为660nm和450nm，这与LED光源属于单色光源不谋而合。其中红橙光被植物吸收用于光合作用的比例最大，蓝紫光同化效率仅为红橙光的1/8左右。红橙光对叶绿素的形成及碳水化合物的合成，加速长日照植物的生长发育，延迟短日照植物的发育，促进种子萌发等方面起到重要作用；蓝紫对蛋白质合成，加速短日照植物的发育，延迟长日照植物的发育有重要作用，同时紫外线有利于维生素C的合成。因此，考虑将吻合叶绿素a和叶绿素b吸收光谱的LED光源，用作温室植物照明补光，是一种节能、高效的可行性办法。

根据M.Johkan.etal的研究表明：对于叶片类植物或蔬菜，对红、蓝光的需求比例应满足，红：蓝＜6.8:1，以促进叶片的生长；而对于花卉、果实类植物，对红、蓝光的需求比例应满足，红：蓝＞6.8:1，以促进花朵和果实的孕育。不匹配植物生长需求的红蓝光比例，不能达到最佳的促进植物生长的状态，甚至可能抑制植物的生长。因此，若能做到植物补光光源的红、蓝光比例可调，则可应对不同光照需求的植物，拓宽了温室照明补光的适用范围。

现代信息化社会为温室照明技术提供了一种新思路：智能传感和智能调控，实现植物生长的精细化管理，乃是温室种植发展方向的趋势所在。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种节能高效、用LED进行植物照明补光、辅以光质、温湿度、二氧化碳含量、养料等状态的智能采集传感及调控、保证温室种植植物处于最佳生长环境的控制系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：包括PLC控制器、分别与PLC控制器连接的环境传感系统、环境调控系统、数据存储单元以及用于人机交互和系统信息实时观测的HMI用户界面。

进一步地，环境传感系统包括测试温室外界温度的温度传感器、测试土壤温度和湿度的第一温湿度传感器、测试温室环境中温度和湿度的第二温湿度传感器、测试外界进入温室环境中光线强度的第一光敏二极管、测试外界进入温室环境中光线强度和用于植物照明LED补光强度总和的第二光敏二极管以及测试温室环境中二氧化碳含量水平的二氧化碳传感器。

进一步地，环境调控系统包括LED照明补光单元、通风设备单元、植物生长营养单元、滴灌系统、雾化系统以及热交换系统。

进一步地，LED照明补光单元包括PWM电流驱动单元和LED照明阵列单元，两者之间通过光电耦合器进行连接；其中，所述LED照明阵列单元包括红光光源模块、蓝光光源模块、绿光光源模块，各模块之间并联。

进一步地，红光光源模块、蓝光光源模块、绿光光源模块波长分别为650nm～670nm、440nm～460nm、510nm～530nm。

进一步地，LED照明阵列单元安装在植物上方1m～2m，其最大辐射照度为160W/m²，绿光光源模块辐射照度应为红、蓝光光源模块辐射照度总和的20％；红、蓝相对光谱分布比例为4:1～9:1。

进一步地，LED照明单元LED照明阵列单元通过PWM驱动，红、蓝、绿光源模块频率均设置为1kHz-5kHz，三者相位差为0°，占空比均为20％-50％。

进一步地，通风设备单元置于温室一侧的上方；滴灌系统包括水箱和水管，雾化系统与该水箱连接，将水箱中的液态水进行雾化，进而调节温室环境中的湿度；热交换系统包括加热器和热交换器，加热器根据需求指令加热水箱中的水，被加热的水进入热交换器，将热量传递给温室。

与现有技术相比，本方案具有以下优点及有益效果：

1)可根据植物属性不同，对光照的需求不同，合理调控红、蓝光相对光谱的分布比。

2)温、湿度，光线，二氧化碳含量水平等智能采集传感及调控一体化，实现智能化管理。

3)滴灌系统以及LED各光源相对光谱分布的可调性，既节能又环保。

4)采取环境光线传感器对温室内外环境进行统一监测，既利用温室外环境光，又监测温室外环境光，使温室内环境光的管理更精细化。

附图说明

图1为本发明控制系统的功能模块示意图；

图2为本发明的LED照明补光单元的驱动调控示意图；

图3为本发明用于LED照明补光单元的一种PWM脉宽调光示意图；

图4为本发明光控系统的功能结构示意图；

图5为本发明基于控制算法的系统响应示意图；

图6为本发明基于控制系统的电光转换效率示意图；

图7为本发明采用智能光控系统与对照组的能耗对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参见附图1至4所示，本实施例所述的一种作用于温室植物生长的控制系统，包括PLC控制器3、环境传感系统1、环境调控系统2、数据存储单元4以及HMI用户界面5。

其中，PLC控制器3作为系统的核心，连接其他四个构成部分，实现信息处理和信号调控。数据存储单元4用于存储系统运行过程中的各种数据信息。HMI用户界面5用于人机交互，实现信息实时观测和人工干预。

环境传感系统1用于环境状态因素信息采集和传感，包括测试温室外界温度的温度传感器1-1、测试土壤温度和湿度的第一温湿度传感器1-2、测试温室环境中温度和湿度的第二温湿度传感器1-3、测试温室环境中二氧化碳含量水平的二氧化碳传感器1-6、测试外界进入温室环境中光线强度A的第一光敏二极管1-4以及测试外界进入温室环境中光线强度和用于植物照明LED补光强度总和L(t)的第二光敏二极管1-5；根据数值L(t)实时监测的大小，判定是否达到LED补光条件以及需要补光时的补光强度L(t)-A大小，照明补光调节的参考依据是植物接受到的平均光量子通量密度不小于20μmolm^-2s^-1。

环境调控系统2包括LED照明补光单元2-1、通风设备单元2-2、植物生长营养单元2-3、滴灌系统2-4、雾化系统2-5以及热交换系统2-6。

LED照明补光单元2-1包括PWM电流驱动单元2-1-1和LED照明阵列单元2-1-2，两者之间通过光电耦合器进行连接。

LED照明阵列单元2-1-2包括波长介于650nm～670nm的红光光源模块2-1-3、波长介于440nm～460nm的蓝光光源模块2-1-4、波长介于510nm～530nm的绿光光源模块2-1-5，各模块之间并联连接。

LED照明阵列单元2-1-2安装在植物上方1m～2m，其最大辐射照度为160W/m²。对于红、蓝光光源模块，两者的光源辐射强度设置相同。可通过开关和功率调控模式，将红、蓝相对光谱分布比例区间设置在4:1～9:1，从而满足不同植物的光照需求。对于绿光光源模块的辐射照度，应满足红、蓝光光源模块辐射照度总和的20％。

LED照明补光单元2-1通过PWM电流驱动，PWM电流驱动单元2-1-1受PLC控制器3控制。驱动单元实现的脉宽调变波满足，红、蓝、绿光源频率均设置为1KHz-5kHz，三者相位差为0°，占空比在20％-50％之间可调。

如此，室内LED照明光源部分的调控根据外界光线环境变化而变化，从而使得植物所接受到的光量子流密度为稳定值。再者，温室外环境光可作为植物生长光利用的一部分，而室内LED照明补光作为补充调节，两者结合，充分利用能源，更加节能高效。另外，从系统程序设置上，要求照射时长为16h/天，一天的日照时长不能满足于此设定，因此LED照明补光显得至关重要。

通风设备单元2-2置于温室一侧的上方，根据室内空气含量指标，完成必要的室内外气体交换；植物生长营养单元2-3可供给植物生长所需的肥料，肥料是经过液体化的状态，因此可以流体化控制肥料使用量；滴灌系统2-4包括水箱和水管，水箱为贮水装置，用水管进行常规植物滴灌；植物生长营养单元2-3和滴灌系统2-4之间通过计量单元连接；在植物生长过程中，需要追肥之时，可以控制肥料的进量，通过滴灌系统2-4的水管实现滴灌追肥，也可以通过控制两者的计量比例，进而以合适的肥料与水配比进行植物滴灌；雾化系统2-5与水箱连接，将水箱中的液态水进行雾化，进而调节温室环境中的湿度；热交换系统2-6包括加热器和热交换器，加热器根据需求指令加热水箱中的水，被加热的水进入热交换器，将热量传递给温室。

对于植物在生长阶段的各数据情况采集，从生物领域衡量参数入手。可根据单位面积叶片气孔数和表皮细胞数，气孔的尺寸：长度和宽度，叶绿体数量，植株的生长高度以及开花、结果的数量情况，来作为判断植物长势是否良好的依据，进而阶段性调控温室环境控制因素，以促成最利于植物生长的环境状态。

下面主要阐述系统控光的实施例子。

用户输入的部分包括：目标光强I，存储在数据存储单元4；增益K，值为正整数；光强误差允许范围E；采样周期T。相对于PLC控制器3的时钟频率CLK而言，采样周期要设定足够大以满足数据采集。不需要用户输入的是：占用传感器的用户状态M(t)，是属于逻辑高电平还是逻辑低电平状态；环境光线传感器，即第一光敏二极管测试外界进入温室环境中的光线强度，大小为A；第二光敏二极管测试的外界进入温室环境中的光线强度和用于植物照明LED补光强度的总和，大小为L(t)；根据L(t)与目标光强的关系，来调整B＝L(t)-A的大小，也即LED植物照明补光的强度。

关于控制算法方面：规定，实际光强误差e(t)＝目标光强I-实测光强L(t)。由此比较实际光强误差e(t)大小与设定的光强误差允许范围E的大小，判断温室中植物所接受到的整体光强是否在合理范围，以此为依据调控PWM脉冲宽度的大小，来达到调光的目的。具体控制算法为：

若e(t)≥E，则占空比D(t)＝M(t)[D(t)+K]；

若e(t)≤-E，则占空比D(t)＝M(t)[D(t)-K]；

因此，占用传感器的用户状态M(t)对系统信号有较大的的影响。而系统对该算法的响应情况，如图5所示。

关于控制优化方面：采用的方法是，通过调试需要用户输入的参数，来探究系统优化的最佳结果。主要涉及对增益K，光强误差允许范围E，采样周期T，三个变量参数设置的调制。通过控制变量法，探求系统稳定情况的条件。

针对增益K，设置K＝1，K＝2，K＝5，K＝10四组对比试验。随着增益值设置增大，系统越快达到较为稳定的状态。但与此同时，增益值过大，易导致过冲信号。特别是当光强误差允许范围设置较小而增益很大，系统会为达到稳定状态而减小占空比，容易出现人眼可见的闪频现象。

针对光强误差允许范围E，令E＝目标光强I/a，其中a设置为2,5,10,20四个组。光强误差允许范围E设置过小，在低频状态下容易导致闪频；光强误差允许范围E设置过大，则误差就大，容易导致控制器稳定状态结果的不精确性。

针对采样周期T，设置T＝200μs，T＝500μs，T＝1ms，T＝100ms四个对比实验。采样周期增大，系统的响应时间能相应缩短，系统反应速度提高。较小的采样周期，系统更容易受环境状态波动的干扰而导致闪频现象，控制器的处理负荷也会增加。

基于上述综合分析，设定增益K＝2，光强误差允许范围E＝目标光强I/20，采样周期设置为T＝500μs，能保证较稳定的系统表现和准确的输出水平。

如图6所示，为采用PWM脉宽调变技术，占空比的大小对电光转化效率的影响。由图可见，平均电光转化效率接近常数变化，约为90.58％。

如图7所示，为一周时间内，普通LED持续补光照明和采用LED进行植物照明补光控制系统的功耗对比图。有对比图可知，通过对环境光强的监测，实时调整LED补光强度的大小，达到植物受光的稳定状态，能有效控制能耗，达到可观的节能效果。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种作用于温室植物生长的控制系统，其特征在于：包括PLC控制器(3)、分别与PLC控制器(3)连接的环境传感系统(1)、环境调控系统(2)、数据存储单元(4)以及用于人机交互和系统信息实时观测的HMI用户界面(5)。

2.根据权利要求1所述的一种作用于温室植物生长的控制系统，其特征在于：所述环境传感系统(1)包括测试温室外界温度的温度传感器(1-1)、测试土壤温度和湿度的第一温湿度传感器(1-2)、测试温室环境中温度和湿度的第二温湿度传感器(1-3)、测试外界进入温室环境中光线强度的第一光敏二极管(1-4)、测试外界进入温室环境中光线强度和用于植物照明LED补光强度总和的第二光敏二极管(1-5)以及测试温室环境中二氧化碳含量水平的二氧化碳传感器(1-6)。

3.根据权利要求1所述的一种作用于温室植物生长的控制系统，其特征在于：所述环境调控系统(2)包括LED照明补光单元(2-1)、通风设备单元(2-2)、植物生长营养单元(2-3)、滴灌系统(2-4)、雾化系统(2-5)以及热交换系统(2-6)。

4.根据权利要求3所述的一种作用于温室植物生长的控制系统，其特征在于：所述LED照明补光单元(2-1)包括PWM电流驱动单元(2-1-1)和LED照明阵列单元(2-1-2)，两者之间通过光电耦合器进行连接；其中，所述LED照明阵列单元(2-1-2)包括红光光源模块(2-1-3)、蓝光光源模块(2-1-4)、绿光光源模块(2-1-5)，各模块之间并联。

5.根据权利要求4所述的一种作用于温室植物生长的控制系统，其特征在于：所述红光光源模块(2-1-3)、蓝光光源模块(2-1-4)、绿光光源模块(2-1-5)波长分别为650nm～670nm、440nm～460nm、510nm～530nm。

6.根据权利要求4所述的一种作用于温室植物生长的控制系统，其特征在于：所述LED照明阵列单元(2-1-2)安装在植物上方1m～2m，其最大辐射照度为160W/m²，绿光光源模块(2-1-5)辐射照度应为红、蓝光光源模块(2-1-3、2-1-4)辐射照度总和的20％；红、蓝相对光谱分布比例为4:1～9:1。

7.根据权利要求4所述的一种作用于温室植物生长的控制系统，其特征在于：所述LED照明单元LED照明阵列单元(2-1-2)通过PWM驱动，红、蓝、绿光源模块频率均设置为1kHz-5kHz，三者相位差为0°，占空比均为20％-50％。

8.根据权利要求3所述的一种作用于温室植物生长的控制系统，其特征在于：所述通风设备单元(2-2)置于温室一侧的上方；滴灌系统(2-4)包括水箱和水管，雾化系统(2-5)与该水箱连接，将水箱中的液态水进行雾化，进而调节温室环境中的湿度；热交换系统(2-6)包括加热器和热交换器，加热器根据需求指令加热水箱中的水，被加热的水进入热交换器，将热量传递给温室。