CN108268073B - 一种用于植物生长的光环境控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于植物生长的光环境控制系统，信息采集单元以与植物的生长特征匹配的第一周期分段式光信号将采集信息发送至云服务器，云服务器基于市场动态信息、生长特征信息和/或生长元素信息提供至少一种通过光的周期分段式变化规律与生长元素配置组分的交互作用来控制指定植物生长的生长控制方案，控制单元基于生长控制方案来控制生长元素的配置组分，并且选择照明组件网络中与植物的空间位置对应的至少一个照明组件来按照生长控制方案以第二周期分段式光信号进行照明，控制单元控制位于指定植物种植区域内的采集模块以与指定植物的生长特征匹配且遵循周期分段式变化规律的第二周期分段式光信号进行采集信息的发送和/或接收。

Description

一种用于植物生长的光环境控制系统

技术领域

本发明涉及植物种植技术领域，尤其涉及一种用于植物生长的光环境控制系统。

背景技术

植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。

光环境是植物工厂中用于控制植物生长的重要因素。每种植被的生长都需要光，但每种植被在各个生长期间所需的光的波长以及光的照射时间和照射密度是不同的。植物生长灯在设施栽培环境中的大量研究与应用表明，它可以解决其它人工光源存在的光谱成分中光质不纯、光强不一致、光源照射能效低等难题。采用植物生长灯补光技术，能够显着促进菠菜、萝卜和生菜的发育，提高形态指标，其生长速率、光合速率都提高20％以上。能够使甜菜中的甜菜素生物积累量最大，并在毛根中产生最高的糖分和淀粉积累。频闪灯能使胡椒、紫苏的茎叶的形态发生显着变化，植株的光合速率明显提高。使用在花卉上，能增加花芽数和开花数，可提高花的品质、延长花期。可引起万寿菊和鼠尾草两种植物的气孔数目增加，而气孔的增加意味着光合作用的提高。植物组培灯补光技术将是都市设施农业和IT农业(科技农业)的发展方向。目前在日本与中国台湾的花卉、蔬菜种植中已开始流行。

中国专利(CN201610877071)公开了一种植物生长光环境控制系统，包括上位机、主控制器和子控制模块，所述上位机与所述主控制器连接，所述主控制器与所述子控制模块连接；所述上位机包括曲线采集模块和数据处理模块，所述主控制器用于接收并存储所述上位机发送的数据和指令，并将所述指令发送到所述子控制模块，所述子控制模块用于接收所述主控制器发送的指令并根据所述指令改变光参数。本发明所述植物生长光环境控制系统，其能控制光参数中的光强、光质、光周期，实现多项光参数协同调整用于植物生长精确补光，可以合理提供植物生长所需的光谱，避免多余的能源浪费。但是，该专利并不能够用于缩短植物的成熟周期，也不能够通过光信号来传输信号的同时给与植物恰当的光照。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种用于植物生长的光环境控制系统，其特征在于，所述系统至少包括控制单元、照明组件网络、云服务器和信息采集单元，所述信息采集单元以与植物的生长特征匹配的第一周期分段式光信号将采集信息发送至所述云服务器，所述云服务器基于至少一种市场动态信息、生长特征信息和/或生长元素信息提供通过光的周期分段式变化规律与生长元素配置组分的交互作用来控制指定植物生长的至少一种生长控制方案，所述控制单元基于所述生长控制方案来调节所述生长元素的配置组分，并且选择所述照明组件网络中的与植物的空间位置对应的至少一个照明组件来按照所述生长控制方案以所述第二周期分段式光信号进行照明，和/或所述控制单元控制位于指定植物的种植区域内的所述信息采集单元的至少一个采集模块以与所述指定植物的生长特征匹配的第二周期分段式光信号进行采集信息的发送和/或接收。

本发明通过将光通信与频闪光结合在一起实现植物工厂的光环境控制，既能够通过发光周期内多个发光阶段的相对亮度、发光时长、发光曲线和发光光谱的变化来形成多种具有频闪效应的频闪光，缩短植物的成熟周期，又能够通过多个发光阶段的相对亮度、发光时长、发光曲线和发光光谱的变化来形成具有指令标识的光信号并传输信息，实现具有信息传输与植物生长控制双重功能的光环境。因此，本发明的光环境控制系统及方法，将市场需求与植物生长速度结合在一起来调节生长控制方案，能够明显提升植物种植的经济效益，获得较好的收益。

根据一个优选实施方式，所述周期分段式光信号的一个发光周期包括至少两个发光阶段，其中，至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱基于指定植物的生长特征来限定，一个发光阶段的相对亮度以趋近于零坎德拉的发光曲线变化。

根据一个优选实施方式，所述周期分段式光信号的一个发光周期包括三个发光阶段，其中，位于第一和第三发光阶段之间的第二发光阶段的相对亮度以从设定值随时间呈下降趋势的发光曲线变化，第三发光阶段的相对亮度以趋近于零坎德拉的发光曲线变化，或者第三发光阶段不发光。

本发明将一个发光周期发分为二个、三个或更多的发光阶段，有利于增加一个发光周期内光的频闪变化种类和增加信息的标识类别，从而既保证本系统信息的安全认证，又能够使光信号与植物生长特征的匹配程度更细化，为更多的植物种类提供更详细的生长控制方案，优选的，周期分段式光信号的种类可以多达256万多种，完全满足普通市场所需求的植物种类的种植控制。

根据一个优选实施方式，所述周期分段式光信号的至少一个发光阶段的发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律与所述采集模块的设备标识和/ 或认证标识进行关联，与所述云服务器连接的光信号接收模块基于所述周期分段式光信号的至少一个发光阶段的发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律确认所述采集模块的设备信息和/或认证信息，并且在信息认证后将所述采样模块的发送信息输送至所述云服务器。

根据一个优选实施方式，所述控制模块基于所述照明控制方案控制所述照明组件向所述采样模块发送具有指令标识的周期分段式光信号以控制所述采样模块，所述指令标识包括至少一个发光周期内的至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱的变化规律。

根据一个优选实施方式，与所述云服务器连接的光信号发送模块将所述生长控制方案以具有指定标识的周期分段式光信号发送至所述控制模块，其中，所述指定标识是基于所述具有指定标识的周期分段式光信号照射范围内的植物的生长控制方案来设置，所述指定标识包括至少一个发光周期内的至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律。

即本发明通过对光信号中的某一个变量的变化指定为标识，能够有利于光环境控制系统内信息的识别和认证，避免外部光信息进行信号干扰或伪装，也避免不法分子窃取光信息或输入光信息，提高光环境控制系统的安全性。

根据一个优选实施方式，所述云服务器至少包括市场分析服务器、生长评估服务器和生长控制服务器，所述市场分析服务器基于与指定植物相关的市场动态信息分析指定植物的市场需求趋势，所述生长评估模块基于所述采集模块采集的生长特征信息评估指定植物基于当前第一生长控制方案的生长趋势，所述生长控制服务器基于所述市场需求趋势和所述生长趋势的交互分析来调整对应所述照明组件的周期分段式光信号和生长元素配置组分，从而形成使指定植物的生长趋势与所述市场需求趋势互相匹配的第二生长控制方案。即云服务器将市场需求、生长特征和生长元素配置组分综合考虑来制定生长控制方案，在保证植物健康成长的基础上控制植物的生长速度与市场需求相结合，实现了植物种植的经济效益优化，也避免了由于市场上植物的生长元素的缺失导致的植物枯萎现象。

根据一个优选实施方式，所述云服务器还包括反馈服务器，所述反馈服务器基于生长控制方案的预测生长趋势与指定植物的实际生长趋势的差异和差异阈值再次调整所述生长控制方案，并且在差异小于对应差异阈值情况下，将生长特征信息、市场需求趋势和生长控制方案增加标识，以便在植物重复种植过程中优先选取具有标识的生长控制方案进行植物生长的控制。反馈服务器具有重要的意义，在植物重复种植的过程中能够迅速制定生长控制方案，避免了生长控制方案的错误率，有利于准确控制植物的生长。

根据一个优选实施方式，所述云服务器基于指定植物的光合色素分布信息和/或光响应曲线限定与指定植物的种植区域对应的照明组件的周期分段式光信号的相对亮度、发光曲线、发光时长和发光光谱变化规律中的至少一种参数，其中，基于所述光响应曲线限定所述照明组件的坐标位置范围、至少一个发光阶段的相对亮度范围、发光曲线和/或发光光谱变化范围，基于所述光合色素分布信息限定至少一个发光阶段的相对亮度范围、发光时长和 /或发光光谱变化范围。

根据一个优选实施方式，所述云服务器基于指定植物在发光周期内至少一个发光阶段的输入光与发射的输出光的比例参数和对应的预设比例阈值调整所述至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和发光光谱变化规律中的至少一种参数。

本发明的云服务器基于植物的光合色素分布信息、光响应曲线以及在发光周期内至少一个发光阶段的输入光与发射的输出光的比例参数来对植物的生长特征进行评估，能够准确获取植物的生长状态，调节照明组件的空间位置，避免植物被光信号伤害，保证植物在以控制的生长速度生长时维持健康。

附图说明

图1是本发明的光环境控制系统的逻辑结构示意图；

图2是本发明其中一种周期分段式发光曲线的示意图；

图3是其中五种展示第二发光阶段的发光曲线示意图；

图4是其中七种展示第一发光阶段的发光曲线示意图；

图5是0～5ms之间的A、B和C阶段的光谱曲线图；

图6是0～5ms之间的D、E和F阶段的光谱曲线图；

图7是10～12ms之间的A、B和C阶段的光谱曲线图；

图8是10～12ms之间的D、E和F阶段的光谱曲线图；

图9是12～15ms之间的A、B和C阶段的光谱曲线图；

图10是12～15ms之间的D、E和F阶段的光谱曲线图；

图11是本发明植物的其中一种光补偿点对应的等照度三维曲面的示意图；和

图12是本发明植物的其中一种光饱和点对应的等照度三维曲面的示意图。

附图标记列表

10：控制单元 20：照明组件网络

30：云服务器 31：市场分析服务器

32：生长评估服务器 33：生长控制服务器

34：反馈服务器 35：光信号发送模块

36：光信号接收模块 40：信息采集单元

41：第一采集模块 42：第二采集模块

43：第三采集模块

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种用于植物生长的光环境控制系统。本发明的用于植物生长的光环境控制系统至少包括控制单元10、照明组件网络20、云服务器30和信息采集单元40。

本发明的照明组件网络20是由若干照明组件串联和/或并联连接构成的照明网络。照明组件网络包括总驱动电路和若干个子驱动电路，每一个子驱动电路连接一个照明组件。照明组件包括白炽灯、LED灯、OLED灯、节能灯、激光、氙灯、高压钠灯等多种光源。优选的，LED灯为能发出多种可见或不可见光谱的光源。优选的，驱动电路通过控制一个脉冲周期内多个发光阶段的电压或电流来控制照明组件的周期分段式光信号。

控制单元10用于对照明组件网络20中的若干照明组件的驱动电路或子驱动电路进行控制，从而控制每一个照明组件的周期分段式光信号。控制单元包括服务器、CPU、微处理、专用集成芯片中的一种或几种。控制单元 10包括用于接收光信号的光信号接收模块。光信号接收模块可以是光敏传感器。

云服务器30为服务器平台或多个服务器组合，用于对大量信息进行汇总、处理和分析。信息采集单元40包括多个用于采集植物生长特征信息、营养元素信息和环境特征信息的采集模块。采集模块包括各种功能的传感器、摄像机、摄影机、显微摄像机中的一种或几种。

优选的，信息采集单元40采集植物的生长特征信息、营养元素信息和环境特征信息，并且将采集信息以与植物的生长特征匹配的第一周期分段式光信号发送至云服务器30。云服务器30基于至少一种市场动态信息、生长特征信息和/或生长元素信息提供至少一种生长控制方案。该生长控制方案通过光的周期分段式变化规律与生长元素配置组分的交互作用来控制指定植物的生长速度和成熟期。

云服务器30将生长控制方案发送至控制单元10。控制单元基于生长控制方案来调节种植植物的生长元素配置组分，并且选择照明组件网络中的与植物的空间位置对应的至少一个照明组件来按照生长控制方案以第二周期分段式光信号进行照明。优选的，第一周期分段式光信号与第二周期分段式光信号为不同的光信号。和/或，控制单元控制位于指定植物的种植区域内的信息采集单元的至少一个采集模块以与指定植物的生长特征匹配的第二周期分段式光信号进行采集信息的发送和/或接收。

本发明的光环境控制系统中，传输的光信号在能够准确传输性信息的同时，还能够以频闪的方式对植物的生长产生促进生长或延缓生长的影响，从而以较少的时间成本获得较高的植物生长结果，最终获得较高的经济收益。

本发明的周期分段式光信号的一个发光周期包括至少两个发光阶段。例如，一个发光周期内包括两个发光阶段，一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱基于指定植物的生长特征来限定。一个发光阶段的相对亮度以趋近于零坎德拉的发光曲线变化。本发明的相对亮度是发光强度的泛指，其单位可以是lux、lm、cd等。

例如，如图2所示，一个发光周期内包括三个发光阶段。第一发光阶段和第二发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱基于指定植物的生长特征来限定。第三发光阶段的相对亮度以趋近于零坎德拉的发光曲线变化，或者第三发光阶段不发光。

例如，如图2至4所示，一个发光周期内包括三个发光阶段。每一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和发光光谱都可以进行调控。发光曲线可以是相对亮度—时间曲线、发光光谱—时间曲线，也可以是其它光学参数与时间关联形成的发光曲线。如图5至图10所示，每一个发光阶段的发光光谱都可以按照不同的规律变化。

优选的，对于相邻发光阶段的发光曲线，第一发光曲线的终点与第二发光曲线的起始点可以是同一点，即第一发光曲线的末端与第二发光曲线的首端可以是连续的。优选的，对于相邻发光阶段的发光曲线，第一发光曲线的终点与第二发光曲线的起始点也可以是不同点，即第一发光曲线的末端与第二发光曲线的首端是不连续的。

如图2至4所示，位于第一和第三发光阶段之间的第二发光阶段的相对亮度以从设定值随时间呈下降趋势的发光曲线变化，第三发光阶段的相对亮度以趋近于零坎德拉的发光曲线变化，或者第三发光阶段不发光。第一发光阶段的相对亮度-时间曲线发光曲线可以呈下降趋势，也可以呈恒定趋势、上升趋势、先升后降趋势和先降后升趋势。优选的，每一种变化趋势都包括若干种不同的发光曲线。

本发明的一个发光周期就形成了一次频闪效应。例如，照明组件的发光周期至少包括第一发光阶段、第二发光阶段和第三发光阶段，其发光周期为 20ms。第一发光阶段时间为0～5ms，发光强度为植物生长所需的最高强度。第二发光阶段时长间为5～15ms，其发光强度较第一发光阶段的发光强度逐渐减弱。第三发光阶段时间为15～20ms，其发光强度接近零坎德拉接近或等于零坎德拉，从而形成频闪光信号，为植物生长提供所需的明暗反应周期。本发明的发光周期不限于举例的发光时长，每个发光阶段的发光时长可以根据需要来设置。发光时长的单位还可以是秒，纳米秒，时、分，还可以是年、月、日。

根据试验结果，与12小时连续光照相比，0.04毫秒频闪下某些植物重量增长能够多出一倍多。浮萍的生长率会随着黑暗和光照交替周期时长的减少而下降，在光照周期为1分钟时达到最小生长率；但是光照周期为5秒的生长率可以与在光照周期为12小时的生长率相比较。类似地，黄瓜在1分钟交替闪光情况下吸收二氧化碳的速率是在12小时光照12小时黑暗交替情况下吸收二氧化碳的速率的一半。

不仅如此，一个发光周期内多种光的不同变量的变化，能够形成多种特殊信息的标识，用于表示信息种类、设备标识、身份标识或认证标识，以便进行安全认证或信息分类，避免信息传输混乱、其它设备以光信号入侵光环境控制系统等现象，保证系统的信息有序传输和安全。

优选的，本发明的周期分段式光信号的至少一个发光阶段的发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律与采集模块的设备标识和/或认证标识进行关联。与云服务器30连接的光信号接收模块36基于周期分段式光信号的至少一个发光阶段的发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律确认采集模块的设备信息和/或认证信息，并且在信息认证后将采样模块的发送信息输送至云服务器30。

例如，一个发光周期的第一发光阶段或第二发光阶段的发光曲线或发光光谱表示一个采集模块的设备标识。则云服务器基于周期分段式光信号的第一发光阶段或第二发光阶段的特征就可以确定采集模块的设备信息以及信息种类，或者对采集模块的身份进行认证。优选的，一个发光周期的第一和第二发光阶段的发光曲线总和的波峰或波谷的变化表示采集模块的信息种类，或者一个发光周期的第二发光阶段的发光光谱变化规律表示采集模块的信息种类。

优选的，在控制模块10需要向信息采集单元40的指定采集模块发送控制指令时，控制模块10基于照明控制方案控制照明组件向采样模块发送具有指令标识的周期分段式光信号以控制采样模块。指令标识包括至少一个发光周期内的至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱的变化规律。优选的，具有指令标识的周期分段式光信号以不影响植物的生长特征的方式进行选择。即一个周期分段式光信号中，可以用相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律及其结合作为指令标识，但是要基于植物特征或与其匹配的生长控制方案进行选择，使光信号既具有信息传输的作用，又具有控制植物生长的作用。

优选的，与云服务器30连接的光信号发送模块35将生长控制方案以具有指定标识的周期分段式光信号发送至控制模块10。其中，指定标识是基于具有指定标识的周期分段式光信号照射范围内的植物的生长控制方案来设置。指定标识包括至少一个发光周期内的至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律。

例如，云服务器将载有生长控制方案信息的光信号发送至控制模块10 的过程中，若该光信号不进行调整，无疑会对其它光信号进行干扰甚至伤害植物。若光信号维持原来的周期分段式规律，则也不能够继续对植物进一步发挥控制生长的作用，即能源的利用率较低，光信号的利用率较低。因此，在云服务器30与控制模块10之间的光信号传输过程涉及的种植区域内，光信号对该区域的植物同样起到控制作用无疑将提高光信号的效率，提高能源的利用率。因此，云服务器30与控制模块10之间的光信号，其光信号的指定标识是与云服务器的设备标识关联且与该照射区域的植物特征匹配的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律或者范围。

如图1所示，云服务器30至少包括市场分析服务器31、生长评估服务器32和生长控制服务器33。市场分析服务器31基于与指定植物相关的市场动态信息分析指定植物的市场需求趋势。生长评估模块32基于采集模块采集的生长特征信息评估指定植物基于当前第一生长控制方案的生长趋势。生长控制服务器33基于市场需求趋势和生长趋势的交互分析来调整对应照明组件的周期分段式光信号和生长元素配置组分，从而形成使指定植物的生长趋势与市场需求趋势互相匹配的第二生长控制方案。

例如，市场需求趋势包括与植物相关的交易量信息、产地信息、产量信息、种植信息、价格信息等原始信息，也包括经过处理和分析后的市场信息，从而掌握植物的市场交易价格趋势以及市场需求。生长特征信息包括与植物的生长状态相关的特征信息。例如，植物的植株大小、生长阶段、植物的叶片尺寸、叶片的颜色、花蕾状态、叶片输入的光和发射的光及其之间的比例、叶片的光合色素的分布结构图及光合色素的检测值、光响应曲线等等。优选的，生长特征信息不仅包括对植物进行监测并采集的与生长特征相关的数据信息，也包括对采集的原始信息分析后获得的分析信息。基于市场动态信息和植物生长特征信息来控制驱动电路调节照明组件的发光周期内三个发光阶段的发光时长、相对亮度、发光曲线和发光光谱以及生长元素配置组分，形成能够促进植物按照需求来生长的生长控制方案。

优选的，本发明基于市场动态信息和/或生长特征信息动态调节植物的生长元素配置组分。在植物生长的过程中，生长元素是不可缺少的，生长元素的种类能够影响植物的生长速度和健康状况。因此，基于不同的需求来调节植物的生长元素配置组分，从而控制植物生长速度匹配市场需求。生长元素配置组分中的生长元素至少包括营养元素、空气元素、气体流速和空间位置。

例如，根据从第三方预测机构获取的市场动态信息，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市场动态信息与前期获得的市场动态信息相比有变化。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，获取现阶段的植物第二特征生长信息并调整与第二批次和第三批次对应的各种植区域的照明组件的光照控制方案和生长元素配置方案中的营养元素、空气元素和/或植物空间位置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。特别的，在照明组件的位置移动不利于照明的情况下，植物的空间位置的调整有利于弥补照明组件的照明缺陷，从而通过调节植物的空间位置来获得更好的空气元素、营养元素和光照。

如图1所示，云服务器30还包括反馈服务器34。反馈服务器34基于生长控制方案的预测生长趋势与指定植物的实际生长趋势的差异和差异阈值再次调整生长控制方案。

反馈服务器34根据生长控制方案和生长元素配置组分对植物的生长状况进行预测，得到虚拟的植物生长特征信息。并且，将虚拟的植物生长特征信息与对应阶段的真实生长特征信息的差异进行分析，确定造成植物生长差异的因素。若造成差异的因素在于虚拟公式的计算，有利于进一步修正虚拟公式。若造成差异的因素在于植物的生长元素配置方案和照明控制方案，则有利于及时调整生长元素配置方案和照明控制方案，使植物按照预期的生长速度来生长。优选的，将分析的信息、市场动态信息和生长特征信息结合在一起来重新调整生长元素配置方案，使得生长元素配置方案更能够促进植物按照预期来生长，从而使植物的效益最优化。

在差异小于对应差异阈值情况下，表示生长控制方案的控制效果较好，准确度较高。在植物生长状态相同，市场需求相似的情况下，该生长控制方案可以优先考虑。因此，反馈服务器34将生长特征信息、市场需求趋势和生长控制方案增加标识或以关联的方式存储在云服务器30的数据库中，以便在植物重复种植过程中优先选取具有标识的生长控制方案进行植物生长的控制。

优选的，云服务器30基于指定植物的光合色素分布信息和/或光响应曲线限定与指定植物的种植区域对应的照明组件的周期分段式光信号的相对亮度、发光曲线、发光时长和发光光谱变化规律中的至少一种参数。

生长评估服务器32基于光响应曲线限定照明组件的坐标位置范围、至少一个发光阶段的相对亮度范围、发光曲线和/或发光光谱变化范围。

生长评估服务器32计算照明组件与植物的安全照明距离和最小照明距离的方法包括：

(1)采用第一采集模块41—光合测定模块测定植物的光响应曲线，确定该植物的光补偿点和饱和点的光合子通量PPF。使用第二采集模块42—光谱照度计测量照明组件中LED红、蓝或绿光源的光谱功率分布Ee₍λ)，根据植物光合敏感曲线P(λ)计算得到光量子学-植物光度学的转换系数：

根据公式

由植物光补偿点和光饱和点对应的PPF计算出相应的植物辐照度E_P，其中，n_A为阿伏伽德罗常数，h为普朗克常数，C为光速。

(2)根据照射植物的照明组件的光谱功率分布E_e＇(λ)，计算光度辐射的光合效率：

利用

由得出的植物光合辐照度E_P计算出对应的光照度E_V。其中，K_m为光谱光效率函数的最大值，V(λ)为光谱光效率函数，也是人眼视见函数。

(3)由所得光补偿点和光饱和点的照度值，利用照明组件的配光曲线，得出光补偿点和光饱和点对应的等照度三维曲面，如图11和图12所示，直观表示出照明组件内光源对植物光合作用产生影响的参考位置。

优选的，植物光补偿点对应的等照度三维曲面，给出了照明组件在用于植物照明时的安全照明距离，小于该距离处的照度超过了光补偿点的对应照度，则植物会产生净光合。植物光饱和点对应的等照度三维曲面，给出了照明组件在用于植物照明时的最小照明距离，小于该距离处的照度超过了光饱和点的对应照度，影响植物的健康成长。

优选的，生长评估服务器32基于光合色素分布信息限定至少一个发光阶段的相对亮度范围、发光时长和/或发光光谱变化范围。

本发明以红薯叶片的光合色素采集方法为例进行说明。光合色素采集方法包括如下步骤：

S1：采集红薯叶片的图像；

S2：将图像分割为预设规格的若干单元，将若干单元构成单元矩阵；

S3：采集单元的图像数据；

S4：根据预设的光合色素方程和图像数据计算得到单元的光合色素含量；

S5：根据光合色素含量和单元矩阵获得红薯叶片的光合色素分布图；

其中，图像数据为RGB彩色模型数据；

红薯叶片的光合色素含量包括叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量和类胡萝卜素含量；

光合色素方程包括：叶绿素a含量＝3.862-0.806ln(R-B)，

叶绿色b含量＝1.161-0.238ln(R-B)，

总叶绿素含量＝5.023-1.044ln(R-B)，

类胡萝卜素含量＝0.000486(0.886B-0.229R-0.587G)+0.546；

其中：R为RGB彩色模型数据中红色的归一化后的数值，G为RGB彩色模型数据中绿色的归一化后的数值，B为RGB彩色模型数据中蓝色的归一化后的数值。

本发明通过第三采集模块43—摄像装置采集植物叶片的光合色素图像数据，并且通过生长评估服务器32分析植物叶片的光合色素分布图。

优选的，生长评估服务器32包括：解构单元、采集单元，计算单元和综合单元。

解构单元用于将图像分割为预设规格的若干单元，将若干单元构成单元矩阵。

采集单元用于采集单元矩阵内的图像数据。该图像数据为RGB彩色模型数据。RGB即使代表红绿蓝三个通道的颜色，该模型为每个单元分配一个0～ 255之间的无量纲强度值，本实施例是将每个单元的RGB数据除以256进行归一化处理，得到[0，1]之间的无量纲常数，并将其作为该图像数据。

计算单元用于根据预设的光合色素方程和图像数据计算得到单元的光合色素含量。

综合单元用于根据光合色素含量和单元矩阵获得光合色素分布图。利用计算单元计算得到的每一单元的光合色素含量和解构单元得到的单元矩阵得到红薯叶片的光合色素分布图。

本发明的光合色素测定方法无需将叶片进行切割然后利用化学法分别测定其光合色素含量，只是对叶片的图像进行分析，测定速度极快，平均用时不超过20秒。优选的，本发明的植物设置在无日光的环境下，而本发明的光合色素测定方法需要在黑暗中采集。因此，本发明的摄像装置在照明组件处于发光周期内的第三发光阶段时采集植物叶片的光合色素。摄像装置可以通过随机选择发光周期的第三发光阶段来采集植物叶片的光合色素的分布结构及其变化。由于发光周期为毫秒，则摄像装置能够采集植物的各个叶片的成千上万的光合色素图像来精确植物的生长阶段的状况以及需要光元素，从而根据植物叶片的光合色素分布信息限定至少一个发光阶段的相对亮度范围、发光时长和/或发光光谱变化范围，是光信号延缓或促进植物的健康生长。

优选的，云服务器30基于指定植物在发光周期内至少一个发光阶段的输入光与发射的输出光的比例参数和对应的预设比例阈值调整至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和发光光谱变化规律中的至少一种参数。

例如，生长评估服务器32基于观察时间内植物在第一发光阶段的第一输入光与发射的第一输出光的第一比例参数和对应的预设比例阈值调整第一发光阶段的发光参数和发光时长。生长评估服务器32基于观察时间内植物在第二发光阶段的第二输入光与发射的第二输出光的第二比例参数和/或第一比例参数与第二比例参数的预设差值来调整第二发光阶段的发光参数和发光时长。

本发明通过采集第一比例参数和第二比例参数，能够更准确的评估植物光合作用对于第一发光阶段和第二发光阶段的适应程度，从而使调整后的发光阶段的光照频率真正促进植物的叶片光合作用。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

本实施例对图2至图10的周期分段式光信号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2至图4所示。图中的横轴表示时间，单位为ms。纵轴表示相对亮度，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2和图3所示的1-6号发光曲线，第一发光阶段的发光强度恒定。如图4所示的7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4所示的8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4所示的9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4所示的10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4所示的11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4所示的12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4所示的13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2和图3所示的1-6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2所示的1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3所示的2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3所示的3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3所示的4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3所示的5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3所示的6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5至图10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5和图6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5所示，光信号在A阶段的发光光谱介于波长 350～700nm，波峰分别位于450nm、550nm和650nm。光信号在B 阶段的发光光谱介于波长350～700nm，波峰分别位于450nm和550nm。光信号在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6所示，光信号在D阶段的发光光谱介于波长150～ 800nm，波峰分别位于250nm和650nm。光信号在E阶段的发光光谱介于波长150～900nm，波峰分别位于450nm、650nm和850nm。光信号在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7和图8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7所示，光信号在A阶段的发光光谱介于波长350～750nm，波峰分别位于550nm和650nm。光信号在B阶段的发光光谱介于波长350～700nm，波峰位于550nm。光信号在C阶段的发光光谱介于波长350～750nm，波峰位于650nm。如图8所示，光信号在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。光信号在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。光信号在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9和图10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9所示，光信号在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。光信号在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。光信号在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10所示，光信号在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。光信号在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。光信号在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。

本发明还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 (8)

1.一种用于植物生长的光环境控制系统，其特征在于，所述系统至少包括控制单元、照明组件网络、云服务器和信息采集单元，

所述信息采集单元以与植物的生长特征匹配的第一周期分段式光信号将采集信息发送至所述云服务器，

所述云服务器基于至少一种市场动态信息、生长特征信息和/或生长元素信息提供通过光的周期分段式变化规律与生长元素配置组分的交互作用来控制指定植物生长的至少一种生长控制方案，

所述控制单元基于所述生长控制方案来调节所述生长元素的配置组分，并且选择所述照明组件网络中的与植物的空间位置对应的至少一个照明组件来按照所述生长控制方案以第二周期分段式光信号进行照明，和/或

所述控制单元控制位于指定植物的种植区域内的所述信息采集单元的至少一个采集模块以与所述指定植物的生长特征匹配的第二周期分段式光信号进行采集信息的发送和/或接收，

所述云服务器至少包括市场分析服务器、生长评估服务器和生长控制服务器，

所述市场分析服务器基于与指定植物相关的市场动态信息分析指定植物的市场需求趋势，

所述生长评估模块基于所述采集模块采集的生长特征信息评估指定植物基于当前第一生长控制方案的生长趋势，

所述生长控制服务器基于所述市场需求趋势和所述生长趋势的交互分析来调整对应所述照明组件的周期分段式光信号和生长元素配置组分，从而形成使指定植物的生长趋势与所述市场需求趋势互相匹配的第二生长控制方案，

生长评估服务器基于光响应曲线限定照明组件的坐标位置范围、至少一个发光阶段的相对亮度范围、发光曲线和/或发光光谱变化范围，

所述周期分段式光信号的至少一个发光阶段的发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律与所述采集模块的设备标识和/或认证标识进行关联，

与所述云服务器连接的光信号接收模块基于所述周期分段式光信号的至少一个发光阶段的发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律确认所述采集模块的设备信息和/或认证信息，并且在信息认证后将所述采集模块的发送信息输送至所述云服务器，

一个发光周期的第一发光阶段或第二发光阶段的发光曲线或发光光谱表示一个采集模块的设备标识。

2.如权利要求1所述的光环境控制系统，其特征在于，所述周期分段式光信号的一个发光周期包括至少两个发光阶段，其中，

至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱基于指定植物的生长特征来限定，

一个发光阶段的相对亮度以趋近于零坎德拉的发光曲线变化。

3.如权利要求2所述的光环境控制系统，其特征在于，所述周期分段式光信号的一个发光周期包括三个发光阶段，其中，

位于第一和第三发光阶段之间的第二发光阶段的相对亮度以从设定值随时间呈下降趋势的发光曲线变化，

第三发光阶段的相对亮度以趋近于零坎德拉的发光曲线变化，或者第三发光阶段不发光。

4.如权利要求3所述的光环境控制系统，其特征在于，所述控制单元基于照明控制方案控制所述照明组件向所述采集模块发送具有指令标识的周期分段式光信号以控制所述采集模块，

所述指令标识包括至少一个发光周期内的至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱的变化规律。

5.如权利要求4所述的光环境控制系统，其特征在于，与所述云服务器连接的光信号发送模块将所述生长控制方案以具有指定标识的周期分段式光信号发送至所述控制单元，其中，

所述指定标识是基于所述具有指定标识的周期分段式光信号照射范围内的植物的生长控制方案来设置，

所述指定标识包括至少一个发光周期内的至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和/或发光光谱变化规律。

6.如权利要求5所述的光环境控制系统，其特征在于，所述云服务器还包括反馈服务器，

所述反馈服务器基于生长控制方案的预测生长趋势与指定植物的实际生长趋势的差异和差异阈值再次调整所述生长控制方案，并且

在差异小于对应差异阈值情况下，将生长特征信息、市场需求趋势和生长控制方案增加标识，以便在植物重复种植过程中优先选取具有标识的生长控制方案进行植物生长的控制。

7.如权利要求6所述的光环境控制系统，其特征在于，所述云服务器基于指定植物的光合色素分布信息和/或光响应曲线限定与指定植物的种植区域对应的照明组件的周期分段式光信号的相对亮度、发光曲线、发光时长和发光光谱变化规律中的至少一种参数，其中，

基于所述光响应曲线限定所述照明组件的坐标位置范围、至少一个发光阶段的相对亮度范围、发光曲线和/或发光光谱变化范围，

基于所述光合色素分布信息限定至少一个发光阶段的相对亮度范围、发光时长和/或发光光谱变化范围。

8.如权利要求7所述的光环境控制系统，其特征在于，所述云服务器基于指定植物在发光周期内至少一个发光阶段的输入光与发射的输出光的比例参数和对应的预设比例阈值调整所述至少一个发光阶段的相对亮度、发光曲线、发光时长和发光光谱变化规律中的至少一种参数。

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