CN108184475B - 一种植物工厂的光照系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物工厂的光照系统，系统包括：光照驱动组件，用于控制光照元件网络根据植物工厂中各种植区域种植的植物类型分区域提供有助相应类型的植物生长的可控光照；第一限制性信息获取模块，用于获取第一限制性信息；第二限制性信息分析模块，用于获取第二限制性信息；第三限制性信息获取模块，用于获取第三限制性信息；控制模块，用于根据采集的第一、第二限制性信息而调整植物工厂中相应种植区域的光照方案并同步调整植物工厂中相应种植区域的养料供应方案，使得生长在植物工厂中的植物类型的植物的生产速率与第一限制性信息和第三限制性信息的关系被优化；本发明能够实现生产速率的精细化控制，同时能够减少资源的浪费，节约生产成本。

Description

一种植物工厂的光照系统

技术领域

本发明涉及植物工厂，尤其涉及一种植物工厂的光照系统。

背景技术

植物工厂作为未来的一种重要的果蔬、粮食生产方式，已受到了广泛的关注，随着相关技术的不断进步，业内从多角度的创新不断推动着植物工厂的发展与完善。

当前世界上植物工厂的生产系统根据光照来源的不同分为自然光利用型、人工光利用型和自然光-人工光混合利用型的三大类。自然光利用型植物工厂利用自然光，厂房为大型玻璃温室或连栋塑料温室，室内设置各种环境因子的监测和调控设备。这类植物工厂多少受到自然条件的影响，种植植物类型也有一定程度限制，其最大难题是如何实现夏季降温与冬季加温的低成本和低能耗。人工光利用型植物工厂对植物照明灯进行光照调控以满足相应植物的照明需求。自然光-人工光混合利用型利用自然光，且在阴天光照不足或者夜间时通过植物补光灯为植物补充光照，由于利用了自然光，能够比人工光利用型工厂花费的照明成本更低。而又因为利用了人工光，能够比自然光利用型工厂提供更快的生产效率。但是，由于需要自然光射入厂房，其厂房大多也为大型玻璃温室或连栋塑料温室，也存在与自然利用型工厂相同的种植植物类型受限、空间利用率低、夏季降温和冬季降温的成本高等问题。而为了实现全年连续生产、提供反季绿色蔬菜、多植物类型种植和大空间利用率等目的，目前更倾向于通过人工光利用型工厂使用人工光来实现植物的照明需求。长期以来，由于受到人工光的应用、空气调节系统的依赖及结构设备建造等因素制约，使得植物工厂建设及运行费用一直较高，产品成本一直居高难下，难以和传统栽培模式相竞争，不利于植物工厂的大范围推广应用。当前，一方面植物工厂规模过大、种植品种单一，如果不根据专业的第三方预测机构的预测结果调整生产速率，往往会造成产品积压，导致仓储和物流成本增加；另一方面植物工厂结构系统复杂、维护繁琐，能源消耗过大，营养液供给与植物生长需求不同步，现有技术中养料供应系统的设置是控制营养液中各离子浓度的始终处于某一阈值区间或者始终处于适于植物生长的浓度区间以保证植物的满足预定的生长需求。但根据生产需求的变化，有些时候需要降低甚至抑制植物的生长速度，而并不需要植物处于最佳的生长环境。当需要调整植物的生长速率时，现有养料供应系统并未随之同步设定一个与之适配的养料供应方案。

例如，公告号CN203206878U的中国专利文献公开了一种由智能控制系统控制的微型植物工厂，包括通过管道连通的营养液自动配比系统和植物培养箱，营养液自动配比系统和植物培养箱均与控制器连接，所述的植物培养箱包括植物培养基质层、补光灯。营养液通过自动配比系统完成，精度高，提供各种植物生长所需的营养；植物培养箱内的环境因子(温度、湿度、光照强度、CO2浓度)以及营养液PH值、EC值等通过相应的传感器进行采集，采集到的模拟信号由控制器PLC进行实时监测，实时调控培养箱温湿度、光照强度、CO2浓度，以及营养液各参数，使其最适宜植物生长。

如果生长速率下调时，仅调节光照方案，而养料供应系统使用原有的养料供应方案保持原有营养液的浓度范围、循环频率(或更换频率)将导致一定程度的浪费，也将使得作物的生产成本过高。同样，如果生长速率上调时，仅调节光照方案，而养料供应系统使用原有的养料供应方案保持原有营养液的浓度范围、循环频率(或更换频率)将导致营养液的供应存在一定程度的滞后，直接影响植物的生长速率。

可见，上述两个方面的缺陷严重限制了植物工厂的推广应用。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种植物工厂的光照系统，所述光照系统在调整了光照方案后同步调节养料供应方案，以使养料供应方案适配于调整后的光照方案，以根据生产需求实现生产速率的精细化控制，同时能够减少资源的浪费，节约生产成本。本发明的系统包括：光照驱动组件，用于控制光照元件网络根据植物工厂中各种植区域种植的植物类型分区域提供有助相应类型的植物生长的可控光照；第一限制性信息获取模块，其从第三方预测机构获取相应植物类型的与时间相关的第一限制性信息；第二限制性信息分析模块，其通过分析照射植物的输入光和被照射植物发射的输出光之间的预定关系、相位和增益来确定所述相应植物类型的植物的与生长有关的第二限制性信息；第三限制性信息获取模块，其从养料供应系统获取所述相应植物类型的植物的种植区域的与养料供应信息有关的第三限制性信息；控制模块，用于根据采集的所述第一限制性信息和所述第二限制性信息而控制光照驱动组件调整植物工厂中相应种植区域的光照方案并同步控制养料供应系统调整植物工厂中相应种植区域的养料供应方案，使得生长在植物工厂中的所述植物类型的植物的生产速率与所述第一限制性信息和所述第三限制性信息的关系被优化。现有技术采用图像采集装置采集和分析与植物生长有关的第二限制性信息，由于存在拍摄角度、拍摄距离和图像质量等因素的影响，导致获得的第二限制性信息的准确性难以保障。本发明通过从第三方预测机构获取第一限制性信息，实时了解市场上对相应植物类型的植物的生产需求有关的信息，以便对光照方案进行调整。本发明的第二限制性信息分析模块分析照射植物的输入光和被照射植物发射的输出光之间的预定关系、相位和增益来确定所述相应植物类型的植物的与生长有关的第二限制性信息，能够更准确地获得与植物生长有关的第二限制性信息，以降低因错误的第二限制性信息引起的光照方案调整错误影响生产计划。

根据一个优选实施方式，所述控制模块获得所述第一限制性信息后与前次获得的第一限制性信息进行对比并在第一限制性信息有变化时获取所述第二限制性信息，并根据第一限制性信息和第二限制性信息分析是否调整相应植物类型的植物的生产速率；当需要调节生产速率时调整相应种植区域的光照方案；当不需要调节生产速率时按照第一预设频率获取第一限制性信息。本发明在第一限制性信息变化导致需要调整生产速率时，快速作出反应，以符合相应的生产需求。

根据一个优选实施方式，调整光照方案后，所述控制模块从第三限制性信息获取模块采集第三限制性信息并根据调整的所述光照方案和采集的所述第三限制性信息同步控制养料供应系统调整植物工厂中相应种植区域的养料供应方案。本发明通过同步调整养料供应系统的养料供应方案，以便减少资源浪费、降低生产成本和准确控制生产速率。

根据一个优选实施方式，所述第三限制性信息获取模块获取的第三限制性信息包括营养液中的离子浓度、营养液的更换频率、营养液的循环周期和二氧化碳的浓度中的至少一种。

根据一个优选实施方式，所述植物工厂的内部设有至少一个含至少两个种植区域的种植平台，其中，所述至少两个种植区域在竖直方向上的间隔设置，所述光照元件网络包括设于各所述种植区域上方的光照元件，所述光照元件包括至少一个LED灯或者荧光灯。

根据一个优选实施方式，所述光照驱动组件按照能为各光照元件独立供电的方式连接于光照元件网络，光照元件网络中相应的光照元件响应于经光照驱动组件调节的脉冲电流而产生用于相应种植区域的植物生长的频闪照明环境。本发明的光照驱动组件能够对光照元件网络中的光照元件单独进行控制，以实现分时分区控制。

根据一个优选实施方式，所述光照驱动组件能输出调节后的脉冲电流且能将所述脉冲电流的一个脉冲周期分割为至少两个可控阶段，其中，能够通过所述对脉冲电流的第一阶段进行调节，实现对所述光照元件网络中相应光照元件的与第一阶段对应的第一发光阶段的发光强度、发光时长、发光曲线和发光光谱中的至少一个参数的调节，能够通过对所述脉冲电流的第二阶段进行调节，实现对所述相应光照元件的与第二阶段对应的第二发光阶段的发光强度、发光时长、发光曲线和发光光谱中的至少一个参数的调节，并且通过所述第一和第二可控阶段的调节能够得到第三阶段，所述相应光照元件的与所述第三阶段对应的第三发光阶段的发光强度接近或等于零坎德拉。本发明通过对一个发光周期的三个发光阶段进行精细化控制，能够实现对生产速率的精细化控制以良好地匹配生产需求。

根据一个优选实施方式，所述第二限制性信息分析模块包括：至少一个光传感器，用于检测来自被照射植物的输出光；偏移光强度确定装置，用于确定植物周围的偏移光强度，所述偏移光强度包括人造光和任何环境光；分析单元，所述分析单元被配置为：从所述至少一个光传感器接收关于所述来自被照射植物的输出光的检测信息、在需要确定第二限制性信息时通过控制模块间接控制光照驱动组件以使光照元件网络发射光强调制分量、确定所述被照射植物的输入光和所述被照射植物发射的输出光之间的相位和增益并且基于所述被照射植物的输入光和所述被照射植物发射的输出光之间以及所述相位和所述增益之间的预定关系来确定所述被照射植物的生长状态；其中，所述光强调制分量与所述偏移光强度一起形成照射植物的输入光，所述被照射植物发射的输出光是荧光，所述偏移光强度不为零。通过该方式获得的第二限制性信息更加准确可靠以为光照方案的调整提供正确的参照信息。

根据一个优选实施方式，所述预定关系是包括一组传递函数参数的传递函数，所述传递函数参数由以下步骤确定：用具有多个调制频率的光强度调制分量的输入光照亮所述植物；检测从所述被照射植物发射的输出光；使用系统识别方法确定所述一组传递函数参数。

根据一个优选实施方式，所述植物工厂的外部轮廓由集装箱的箱体限定。植物工厂的外部轮廓由集装箱的箱体限定能够使得植物工厂能够便于整体转运，提高植物工厂的灵活性。

附图说明

图1是光照系统的一个优选实施方式的结构示意图；

图2是光照系统的一个优选实施方式的模块示意图；

图3是光照系统的一个优选实施方式的控制流程示意图；

图4是光照系统的另一个优选实施方式的控制流程示意图；

图5是本发明一个发光周期的其中一种频闪曲线示意图；

图6是其中五种展示第二发光阶段的频闪曲线示意图；

图7是其中七种展示第一发光阶段的频闪曲线示意图；

图8是0～5ms之间的A、B和C阶段的光谱曲线图；

图9是0～5ms之间的D、E和F阶段的光谱曲线图；

图10是10～12ms之间的A、B和C阶段的光谱曲线图；

图11是10～12ms之间的D、E和F阶段的光谱曲线图；

图12是12～15ms之间的A、B和C阶段的光谱曲线图；和

图13是12～15ms之间的D、E和F阶段的光谱曲线图。

附图标记列表

11：光照驱动组件 12：光照元件网络

121：光照元件 21：第一限制性信息获取模块

22：第二限制性信息分析模块 221：光传感器

222：偏移光强度确定装置 223：分析单元

23：第三限制性信息获取模块 31：控制模块

41：养料供应系统 51：箱体

61：种植平台 611：种植区域

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

下面结合附图1至13，示出本发明的一种植物工厂的光照系统。

实施例1

根据本发明的一个优选实施方式，本发明公开了一种植物工厂的光照系统，参照图1和2，该系统可以包括：光照驱动组件11，用于控制光照元件网络12根据植物工厂中各种植区域611种植的植物类型分区域提供有助相应类型的植物生长的可控光照。

该系统还可以包括第一限制性信息获取模块21，其从第三方预测机构获取相应植物类型的与时间相关的第一限制性信息。优选地，相应植物类型的与时间相关的第一限制性信息是能反映一段时间内相应植物类型的植物的生产需求的信息。例如，植物工厂生产的小白菜在未来一个月内每日的预计市场热度、预计供需关系或者预计需求量。

该系统还可以包括第二限制性信息分析模块22，其通过分析照射植物的输入光和被照射植物发射的输出光之间的预定关系、相位和增益来确定相应植物类型的植物的与生长有关的第二限制性信息。优选地，相应植物类型的植物的与生长有关的第二限制性信息可以是当前的生长状态和通过生长状态计算出的相应植物类型的植物在当前光照方案下植物的生长速率。

该系统还可以包括第三限制性信息获取模块23，其从养料供应系统41获取所述相应植物类型的植物的种植区域611的与养料供应信息有关的第三限制性信息。

根据一个优选实施方式，第三限制性信息获取模块23获取的第三限制性信息可以包括营养液中的离子浓度、营养液的更换频率、营养液的循环周期和二氧化碳的浓度中的至少一种。优选地，离子浓度至少包括含氮、磷、钾、钙、镁和硫的各离子的离子浓度。

该系统还可以包括控制模块31，用于根据采集的第一限制性信息和第二限制性信息而控制光照驱动组件11调整植物工厂中相应种植区域611的光照方案。控制模块31可以根据调整后的光照方案关联地控制养料供应系统41调整植物工厂中相应种植区域611的养料供应方案。使得生长在植物工厂中的植物类型的植物的生产速率与第一限制性信息和第三限制性信息的关系被优化。优选地，光照元件121由光照驱动组件11分区分时独立控制，以根据生产需求精细化控制收获时间与收获时间匹配的产量。例如，根据从第三方预测机构获取的第一限制性信息，8月12日、9月20日和9月26日在植物工厂内分三批次种植了芹菜。第一批次的芹菜预计10月12日收获，预计产量为1吨，第二批次的芹菜预计11月20日收获，预计产量为1.2吨，第三批次的芹菜预计11月26日收获，预计产量为2吨。10月6日从第三方预测机构获取的第一限制性信息与前期获得的第一限制性信息相比有变化。具体表现为，11月20日到11月27日期间由于其他供方产出的芹菜量增多，市场供应充足，导致该期间内芹菜的需求量不大。11月27日至12月1日需求量上升。因此，控制系统31获取第二限制性信息并根据第一限制性信息和第二限制性信息调整与第二批次和第三批次对应的各种植区域611的光照元件121的光照方案和养料供应方案以调整第二批次和第三批次的芹菜的生产速率，使第二批次和第三批次种植的芹菜的收获时间调整至11月27日至12月1日期间。由于第一限制性信息的变化不涉及第一批次的生产需求变化，控制系统可以不调整第一批次对应的各种植区域的光照元件121的光照方案和养料供应方案。或者，控制系统31还可以对同一批次的一植物类型的植物的不同种植区域611采用不同的光照方案和养料供应方案，以使在生产需求降低时以分散产量的方式进行产出，以防止对后续的生产计划造成影响。例如，将第二批次的芹菜的种植区域611分为第一组、第二组、第三组，每组采用不同的光照方案和养料供应方案，使第一组、第二组和第三组的收获时间分别调整至11月20日、11月21日和11月22日。将第三批次的芹菜的种植区域611分为第四组、第五组、第六组和第七组，每组采用不同的光照方案和养料供应方案，使第四组、第五组、第六组和第七组的收货时间分别调整至11月23日、11月25日、11月26日和11月27日。

根据一个优选的实施方式，参照图3，本发明的控制模块31依据分别从第一限制性信息获取模块21和第二限制性信息分析模块22采集的信息的第一限制性信息和第二限制性信息而控制光照驱动组件11调整植物工厂中相应种植区域611的光照方案并根据调整的光照方案同步控制养料供应系统调整植物工厂中相应种植区域611的养料供应方案，其具体包括：

在步骤S100，控制模块31从第一限制性信息获取模块21获取第一限制性信息；

在步骤S200，控制模块31比较本次获得的第一限制信息与前次获得的第一限制信息是否有变化，如果是，则进入步骤S300，如果否，则返回步骤S100；

在步骤S300，控制模块31从第二限制性信息分析模块22获取第二限制性信息；

在步骤S400，控制模块31根据第一限制性信息和第二限制性信息分析是否需要调整相应植物类型的植物的生产速率，如果是，则进入步骤S500，如果否，则返回步骤S100；

在步骤S500，控制模块31控制光照驱动组件11调整植物工厂中相应种植区域611的光照方案；

在步骤S600，控制模块31从第三限制性信息获取模块23获取第三限制性信息；优选地，步骤S600和步骤S500的顺序可以互换，参照图4；

在步骤S700，控制模块31根据调整的光照方案和第三限制性信息同步控制养料供应系统调整植物工厂中相应种植区域611的养料供应方案，使得生长在植物工厂中的植物类型的植物的生产速率与第一限制性信息和第三限制性信息的关系被优化；

在步骤S800，控制模块31根据判断相应种植区域611内植物的预计收获时间与当前时间之差是否小于第一阈值，如果是，则控制模块停止对相应种植区域611的光照方案和养料供应方案的后续调整，如果否，则返回步骤S100。

根据一个优选实施方式，控制模块31获得第一限制性信息后与前次获得的第一限制性信息进行对比并在第一限制性信息有变化时获取第二限制性信息，并根据第一限制性信息和第二限制性信息分析是否调整相应植物类型的植物的生产速率；当需要调节生产速率时调整相应种植区域611的光照方案；当不需要调节生产速率时按照第一预设频率获取第一限制性信息。

根据一个优选实施方式，系统还可以包括：第三限制性信息获取模块23，其从养料供应系统41获取相应植物类型的植物的种植区域611的与养料供应信息有关的第三限制性信息；调整光照方案后，控制模块31从第三限制性信息获取模块23采集第三限制性信息并根据调整的光照方案和采集的第三限制性信息同步控制养料供应系统41调整植物工厂中相应种植区域611的养料供应方案。优选地，光照方案的调整可以是对光照频率、发光光谱、发光强度或一个发光周期中的发光参数进行调整以实现对相应植物类型的植物的生产速率进行调节。

根据一个优选实施方式，光照驱动组件11可以按照能为各光照元件121独立供电的方式连接于光照元件网络12。相应的光照元件网络12响应于经光照驱动组件11调节的脉冲电流而产生用于相应种植区域611的植物生长的频闪照明环境。

根据一个优选实施方式，光照驱动组件11可以输出调节后的脉冲电流。光照驱动组件11可以将脉冲电流的一个脉冲周期分割为至少两个可控阶段。光照驱动组件11可以通过对脉冲电流的第一阶段进行调节，实现对光照元件网络12中相应光照元件121的与第一阶段对应的第一发光阶段的发光强度、发光时长、发光曲线和发光光谱中的至少一个参数的调节。光照驱动组件11可以通过对脉冲电流的第二阶段进行调节，实现对相应光照元件121的与第二阶段对应的第二发光阶段的发光强度、发光时长、发光曲线和发光光谱中的至少一个参数的调节。并且，光照驱动组件11可以通过对第一和第二可控阶段的调节得到第三阶段。相应光照元件121的与第三阶段对应的第三发光阶段的发光强度接近或等于零坎德拉。

根据一个优选的实施方式，第一发光阶段、第二发光阶段和第三发光阶段所对应的发光参数各不相同。第二发光阶段其亮度或光强呈下降趋势。第三发光阶段不发光，或其发光强度接近或等于零坎德拉，仅第一发光阶段与第二发光阶段发光。第一发光阶段与第二发光阶段其发光颜色可以不同，即是光的波长可以不同。并且，第一发光阶段与第二发光阶段其发光参数可控。

根据一个优选的实施方式，第一发光阶段的中发光时长、发光曲线、发光强度可控。第二发光阶段中的发光时长、发光曲线、发光强度、发光光谱或波长可控，其中发光光谱在不同的时间点可以变化，并且变化范围可控。第三发光阶段其发光时长可控，其发光时长可以通过调节第一放光阶段和第二发光阶段的发光时长来控制。第一发光阶段终点时的发光强度值可以是第二发光阶段起始点的强度最大值，同时第二发光阶段起始点的发光强度值可以高于第一发光阶段终点时的发光强度值。发光相对亮度为发光强度的泛指，其单位可以是lux、lm、cd、umol/m2*s等。

根据一个优选实施方式，植物工厂的内部设有至少一个含至少两个种植区域611的种植平台61。至少两个种植区域611在竖直方向上的间隔设置。光照元件网络12包括设于各种植区域611上方的光照元件121。优选地，各种植区域611设有光屏蔽布或屏蔽板，以防止各种植区域611的光照相互影响。

根据一个优选的实施方式，本发明的光照元件可以采用各类发光体。例如是白炽灯、LED灯、OLED灯、节能灯、激光、氙灯、高压钠灯等。优选地，光照元件121可以包括至少一个LED灯或者荧光灯。例如，光照元件包括至少一个带一个灯珠或者集成式COB光源的LED灯或者荧光灯。又例如，光照元件包括至少一个带RGB灯珠的LED灯或者荧光灯。优选地，本发明的光照元件采用LED灯。尤其优选地，该LED灯的发光通路上涂有余辉材料。

根据另一个优选的实施方式，光照元件121发出的光可以是单色光或复合颜色光中的一种或两种或多种。也可以是可见光或不可见光中的一种或两种或多种。也可以是紫外光或红外光中的一种或两种或多种，也可是宽谱光。

根据一个优选实施方式，第二限制性信息分析模块可以包括：至少一个光传感器221，用于检测来自被照射植物的输出光。第二限制性信息分析模块还可以包括偏移光强度确定装置222，用于确定植物周围的偏移光强度，偏移光强度包括人造光和任何环境光。第二限制性信息分析模块还可以包括分析单元223。分析单元223可以被配置为：从至少一个光传感器221接收关于来自被照射植物的输出光的检测信息、在需要确定第二限制性信息时通过控制模块31间接控制光照驱动组件11以使光照元件网络12发射光强调制分量、确定被照射植物的输入光和被照射植物发射的输出光之间的相位和增益并且基于被照射植物的输入光和被照射植物发射的输出光之间以及相位和增益之间的预定关系来确定被照射植物的生长状态。光强调制分量与偏移光强度一起形成照射植物的输入光。被照射植物发射的输出光是荧光，偏移光强度不为零。优选地，第二限制性信息分析模块还可包括确定用于映射生长状态和输入光设置的一组传递函数的初始单元，用于在确定植物的生长状态之前，映射已知生长状态和光参数。比如，偏移光的光谱和强度，以及调制信号的光强度和属性等)的一组传递函数。生长状态(例如，期望的生长状态或当前的生长状态)可被定义为指示植物状态的至少一个可检测属性的属性值。这样的属性可包括植物高度/宽度、茎大小、生长速率、植物应力、光反射的属性、荧光属性、重量、C0₂、水或营养的消耗、植物颜色、叶片大小、花朵大小、叶片、花朵、果实或种子的数量，花朵暴露于授粉昆虫的时机、当前生长状态的时间等。此外，荧光属性是来自植物的荧光(比如，叶绿素荧光)的属性。叶绿素的荧光可以用于确定植物的生长状态。优选地，植物工厂内还设有图像采集装置，以便通过图像识别或者人工比对的方式对第二限制性信息进行校核。

根据一个优选实施方式，预定关系可以是包括一组传递函数参数的传递函数。传递函数参数可以由以下步骤确定：用具有多个调制频率的光强度调制分量的输入光照亮植物；检测从被照射植物发射的输出光；使用系统识别方法确定一组传递函数参数。

根据一个优选实施方式，植物工厂的外部轮廓可以由集装箱的箱体51限定，如图1所示。

根据一个优选的实施方式，本发明的光照系统可以连接于植物工厂内温度调控组件并将修改后的光照方案发送给温度调控组件。温度调控组件可以根据光照方案对温度调控曲线进行修正。通过该方式，可以充分利用光照元件的发出的热能节约能源。温度调控组件可以是连接至外部空调设备的空调出风口或者独立运作的空调设备。

实施例2

根据本发明的另一个优选实施方式，公开了一种植物工厂的光照系统，该系统可以包括：光照驱动组件11，用于控制光照元件网络12根据植物工厂中各种植区域611种植的植物类型分区域提供有助相应类型的植物生长的可控光照。

本发明的光照系统还可以包括：第一限制性信息获取模块21，其从第三方预测机构获取相应植物类型的植物与时间相关的第一限制性信息。

本发明的光照系统还可以包括：第二限制性信息分析模块22，其通过分析照射植物的输入光和被照射植物发射的输出光之间的预定关系、相位和增益来确定与植物生长有关的第二限制性信息。

本发明的光照系统还可以包括：第三限制性信息获取模块23，其从养料供应系统41获取与相应的植物类型的养料供应信息有关的第三限制性信息。

本发明的光照系统还可以包括：控制模块31，用于根据采集的第一限制性信息和第二限制性信息而控制光照驱动组件11调整植物工厂中相应种植区域611的光照方案并根据调整的光照方案和采集的第三限制性信息同步控制养料供应系统41调整植物工厂中相应种植区域611的养料供应方案，使得生长在植物工厂中的植物类型的植物的生产速率与第一限制性信息和第三限制性信息的关系被优化。

根据一个优选的实施方式，控制模块31可以连接于光照驱动组件11、第一限制性信息获取模块21、第二限制性信息分析模块22和第三限制性信息获取模块23。控制模块31可以分别从第一限制性信息获取模块21、第二限制性信息分析模块22和第三限制性信息获取模块23采集第一限制性信息、第二限制性信息和第三限制性信息。

根据一个优选实施方式，控制模块31获得第一限制性信息后，可以根据第二限制性信息和第三限制性信息确定相应植物类型的植物的最优收获时间、次优收获时间以及与最优收获时间和次优收获时间分别对应的预计单位养料消耗并结合第一限制性信息中的与最优收获时间和次优收获时间对应的预计生产需求进行分析，并在最优收获时间的预计生产需求小于次优收获时间的预计生产需求且最优收获时间的预计单位养料消耗大于次优收获时间的预计单位养料消耗时，控制模块31可以控制光照驱动组件11调整植物工厂中相应种植区域611的光照方案并根据调整的光照方案同步控制养料供应系统调整植物工厂中相应种植区域611的养料供应方案以将相应植物类型的植物的预计收获时间由最优收获时间调整至次优收获时间。

根据一个优选实施方式，在最优收获时间的预计生产需求等于次优收获时间的预计生产需求且最优收获时间的预计单位养料消耗等于次优收获时间的预计单位养料消耗时，控制模块31可以分析最优收获时间与次优收获时间的先后顺序并在次优收获时间早于最优收获时间时控制光照驱动组件11调整植物工厂中相应种植区域611的光照方案。控制模块还可以根据调整的光照方案同步控制养料供应系统调整植物工厂中相应种植区域611的养料供应方案以将相应植物类型的植物的预计收获时间由最优收获时间调整至次优收获时间。

根据一个优选实施方式，第三限制性信息获取模块23获取的第三限制性信息可以包括相应养料的库存信息和接入养料供应系统41的供货商的相应养料的供应信息。第三限制性信息获取模块23还可以根据库存信息和供应信息分析出与相应的植物类型的养料供应信息有关的第三限制性信息。

实施例3

本实施例是对实施例1、实施例2及其结合的进一步改进，重复的内容不再赘述。

本实施例对图5至图13的光照的特征曲线变化进行详细说明。本发明的优选的第一发光阶段的特征曲线的变化趋势如图5至图7所示。图中的横轴表示时间，单位为ms。纵轴表示强度或相对强度，单位不限，用国际通用符号a.u表示。本实施例的发光周期优选为20ms，第一发光阶段为0～5ms，第二发光阶段为5～15ms，第三发光阶段为15～20ms。

如图5和图6所示的N1-N6号发光曲线，第一发光阶段的发光强度恒定。如图4所示的N7号发光曲线，第一发光阶段的发光强度具有急速上升和急速下降的反复变化，但是整体曲线的变化范围不变。如图7所示的N8号发光曲线，第一发光阶段的发光强度具有缓慢上升和缓慢下降的反复变化，但是整体曲线变化范围不变。如图7所示的N9号发光曲线，第一发光阶段的发光强度具有阶梯上升和阶梯下降的变化。如图7所示的N10号发光曲线，第一发光阶段的发光强度具有平滑上升和平滑下降的变化。如图7所示的N11号发光曲线，第一发光阶段的发光强度具有按照直线下降的变化趋势。如图7所示的N12号发光曲线，第一发光阶段的发光强度具有先阶梯下降后阶梯上升的变化。如图7所示的N13号发光曲线，第一发光阶段的发光强度具有先平滑下降后平滑上升的变化。

如图5和图6所示的N1-N6号发光曲线，展示了其中几种第二发光阶段的特征曲线的变化。如图5所示的N1号发光曲线，第二发光阶段的发光强度呈凹形曲线的下降趋势。如图6所示的N2号发光曲线，第二发光阶段的发光强度呈凸形曲线的下降趋势。如图6所示的N3号发光曲线，第二发光阶段的发光强度呈凹形波浪曲线的下降趋势。如图6所示的N4号发光曲线，第二发光阶段的发光强度呈凸形波浪曲线的下降趋势。如图6所示的N5号发光曲线，第二发光阶段的发光强度呈阶梯形曲线的下降趋势。如图6所示的N6号发光曲线，第二发光阶段的发光强度呈直线形曲线的下降趋势。

图8至图13是本发明的光谱变化展示图。横轴表示波长，单位为nm。纵轴表示强度或相对强度，单位不限，用国际通用符号a.u表示。

其中，图8和图9展示了发光周期内0～5ms的第一发光阶段的A～F六个阶段的光谱。光谱的变化顺序为A→B→C→D→E→F。优选的，光谱的变化顺序可以按需改变。如图8所示，光照在A阶段的发光光谱介于波长350～700nm，波峰分别位于450nm、550nm和650nm。光照在B阶段的发光光谱介于波长350～700nm，波峰分别位于450nm和550nm。光照在C阶段的发光光谱介于波长350～750nm，波峰分别位于450nm和650nm。如图9所示，光照在D阶段的发光光谱介于波长150～800nm，波峰分别位于250nm和650nm。光照在E阶段的发光光谱介于波长150～900nm，波峰分别位于450nm、650nm和850nm。光照在F阶段的发光光谱介于波长150～900nm，波峰分别位于650nm和850nm。

其中，图10和图11展示了发光周期内10～12ms的第二发光阶段的A～F六个阶段的光谱。光谱的变化顺序为A→B→C→D→E→F。优选的，光谱的变化顺序可以按需改变。如图10所示，光照在A阶段的发光光谱介于波长350～750nm，波峰分别位于550nm和650nm。光照在B阶段的发光光谱介于波长350～700nm，波峰位于550nm。光照在C阶段的发光光谱介于波长350～750nm，波峰位于650nm。如图11所示，光照在D阶段的发光光谱介于波长150～800nm，波峰位于650nm。特别的，特征曲线在650nm附近的发光强度急速上升和下降。光照在E阶段的发光光谱介于波长150～850nm，波峰位于650nm。特别的，特征曲线在650nm附近的发光强度急速上升和缓慢下降。光照在F阶段的发光光谱介于波长150～900nm，波峰位于650nm。特别的，特征曲线在650nm附近的发光强度缓慢上升和缓慢下降。

其中，图12和图13展示了发光周期内12～15ms的第三发光阶段的A～F六个阶段的光谱。光谱的变化顺序为A→B→C→D→E→F。优选的，光谱的变化顺序可以按需改变。如图12所示，光照在A阶段的发光光谱介于波长350～750nm，波峰位于550nm，并且在550nm附近的发光强度随着波长缓慢上升，在临近峰值急速上升，在到达峰值后缓慢下降。光照在B阶段的发光光谱介于波长350～700nm，波峰位于550nm，并且在550nm附近的发光强度随着波长缓慢上升，在到达峰值后缓慢下降。光照在C阶段的发光光谱介于波长350～750nm，波峰位于650nm，并且在650nm附近的发光强度随着波长缓慢上升，在到达峰值后急速下降。

如图13所示，光照在D阶段的发光光谱介于波长150～850nm，波峰位于650nm，并且在650nm附近的发光强度随着波长缓慢上升，在到达峰值后缓慢下降。光照在E阶段的发光光谱介于波长150～850nm，波峰分别位于650nm，并且在650nm附近的发光强度随着波长缓慢上升，在临近峰值急速上升并在到达峰值后缓慢下降。光照在F阶段的发光光谱介于波长150～900nm，波峰位于650nm，并且在650nm附近的发光强度随着波长缓慢上升，在临近峰值急速上升并在到达峰值后缓慢下降。优选的，D→F阶段中，E阶段峰值的发光强度相对较低。

上述特征曲线仅是示例性质的，本发明还可以包括其它变化形式的特征曲线，种类众多，无法一一展示。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种植物工厂的光照系统，其特征在于，所述系统包括：

光照驱动组件(11)，用于控制光照元件网络(12)根据植物工厂中各种植区域(611)种植的植物类型分区域提供有助相应类型的植物生长的可控光照；

第一限制性信息获取模块(21)，其从第三方预测机构获取相应植物类型的与时间相关的第一限制性信息；

第二限制性信息分析模块(22)，其通过分析照射植物的输入光和被照射植物发射的输出光之间的预定关系、相位和增益来确定所述相应植物类型的植物的与生长有关的第二限制性信息；

第三限制性信息获取模块(23)，其从养料供应系统(41)获取所述相应植物类型的植物的种植区域(611)的与养料供应信息有关的第三限制性信息；

光照元件(121)由光照驱动组件(11)分区分时独立控制，以根据生产需求精细化控制收获时间与收获时间匹配的产量；

控制模块(31)，用于根据采集的所述第一限制性信息和所述第二限制性信息而控制光照驱动组件(11)调整植物工厂中相应种植区域(611)的光照方案并同步控制养料供应系统(41)调整植物工厂中相应种植区域(611)的养料供应方案，使得生长在植物工厂中的所述植物类型的植物的生产速率与所述第一限制性信息和所述第三限制性信息的关系被优化；

所述控制模块(31)获得所述第一限制性信息后与前次获得的第一限制性信息进行对比并在第一限制性信息有变化时获取所述第二限制性信息，并根据第一限制性信息和第二限制性信息分析是否调整相应植物类型的植物的生产速率；

当需要调节生产速率时调整相应种植区域(611)的光照方案；

当不需要调节生产速率时按照第一预设频率获取第一限制性信息。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，调整光照方案后，所述控制模块(31)从第三限制性信息获取模块(23)采集第三限制性信息并根据调整的所述光照方案和采集的所述第三限制性信息同步控制养料供应系统(41)调整植物工厂中相应种植区域(611)的养料供应方案。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第三限制性信息获取模块(23)获取的第三限制性信息包括营养液中的离子浓度、营养液的更换频率、营养液的循环周期和二氧化碳的浓度中的至少一种。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述植物工厂的内部设有至少一个含至少两个种植区域(611)的种植平台(61)，其中，所述至少两个种植区域(611)在竖直方向上的间隔设置，所述光照元件网络(12)包括设于各所述种植区域(611)上方的光照元件(121)，所述光照元件(121)包括至少一个LED灯或者荧光灯。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光照驱动组件(11)按照能为各光照元件(121)独立供电的方式连接于光照元件网络(12)，所述光照元件网络(12)中相应的光照元件(121)响应于经光照驱动组件(11)调节的脉冲电流而产生用于相应种植区域(611)的植物生长的频闪照明环境。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光照驱动组件(11)能输出调节后的脉冲电流且能将所述脉冲电流的一个脉冲周期分割为至少两个可控阶段，其中，能够通过对所述脉冲电流的第一阶段进行调节，实现对所述光照元件网络(12)中相应光照元件(121)的与第一阶段对应的第一发光阶段的发光强度、发光时长、发光曲线和发光光谱中的至少一个参数的调节，能够通过对所述脉冲电流的第二阶段进行调节，实现对所述相应光照元件(121)的与第二阶段对应的第二发光阶段的发光强度、发光时长、发光曲线和发光光谱中的至少一个参数的调节，并且通过所述第一和第二可控阶段的调节能够得到第三阶段，所述相应光照元件(121)的与所述第三阶段对应的第三发光阶段的发光强度接近或等于零坎德拉。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二限制性信息分析模块包括：

至少一个光传感器(221)，用于检测来自被照射植物的输出光；

偏移光强度确定装置(222)，用于确定植物周围的偏移光强度，所述偏移光强度包括人造光和任何环境光；

分析单元(223)，所述分析单元(223)被配置为：

从所述至少一个光传感器(221)接收关于所述来自被照射植物的输出光的检测信息、在需要确定第二限制性信息时通过控制模块(31)间接控制光照驱动组件(11)以使光照元件网络(12)发射光强调制分量、确定所述被照射植物的输入光和所述被照射植物发射的输出光之间的相位和增益并且基于所述被照射植物的输入光和所述被照射植物发射的输出光之间以及所述相位和所述增益之间的预定关系来确定所述被照射植物的生长状态；

其中，所述光强调制分量与所述偏移光强度一起形成照射植物的输入光，所述被照射植物发射的输出光是荧光，所述偏移光强度不为零。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述预定关系是包括一组传递函数参数的传递函数，所述传递函数参数由以下步骤确定：

用具有多个调制频率的光强度调制分量的输入光照亮所述植物；

检测从所述被照射植物发射的输出光；

使用系统识别方法确定所述一组传递函数参数。

9.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述植物工厂的外部轮廓由集装箱的箱体(51)限定。

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