CN108966433A - 一种水下植物生长光控促进系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下植物生长光控促进系统及方法，属于生态环境治理技术领域。本发明包括发电模块、智能灯控管理模块、生长监督及数据分析模块、通信模块、综合控制模块和水域综合控制网络；所述的发电模块为整个系统供电，综合控制模块输出指令控制发电模块、智能灯控管理模块工作；同时，综合控制模块分别与通信模块、水域综合控制网络、生长监督及数据分析模块完成数据交互。本发明能够在光照不充足的情况下补充有益水生植物生长的光照，也能够通过调节光波抑制有害水生植物的生长，从而控制水系的生态平衡。
Description
技术领域
本发明涉及生态环境治理技术领域，更具体地说，涉及一种水下植物生长光控促进系统及方法。
背景技术
水生植物是自然生态必不可少的一环。随着现代社会的高节奏运转，江河湖泊等水体的富营养越来越严重，水体污染愈发难以控制，比如这些年时有爆发的蓝藻污染，不仅已经严重污染了水源，还导致水体严重缺氧，致使赖以生存的鱼类大量死亡，水产损失巨大。
目前通常的蓝藻治理手段是物理打捞，甚至是药物控制。由于没有遵循客观规律从根本上解决问题，所以物理打捞不仅劳民伤财，而且打捞上来的蓝藻体又造成了新的污染，甚至于打捞的速度未必赶上蓝藻生长的速度。药物控制，虽然一时可以短时间控制蓝藻，但对水体以及水生动植物的持续危害更大，显然不能作为一个常规办法。
治理水体的蓝藻污染，根本的办法还是遵循自然生态规律，利用淡水体系内的生物多样性和食物链，完全靠自然的天然办法控制水系的生态平衡，一方面抑制有害蓝藻的生长，另一方面培育并促进可以消耗蓝藻的水生螺类繁殖生长。同时，培育并促进有益水体净化的水草的加速生长，以和蓝藻抢夺生存空间和营养，从而有效控制水体的污染。
关于治理水体的蓝藻污染，经检索，中国专利号ZL 201410568340.4，专利名称为：红光激光控藻装置；该申请案利用蠕动泵将含有藻类的河水抽到表面镀银的石英管内，在石英管两端开启大功率红光激光器发射650nm波长的红光激光，相向照射石英管内流动的含有藻类的河水，从管道另一端将照射后的河水排放到水体。该申请案能够达到抑制蓝藻细胞活性，从而控制蓝藻水华爆发的目的。但该申请案需要不断的抽取含有藻类的河水进入控藻装置中进行红光激光照射，耗能较大，且该申请案在实现大面积水域控藻方面，也存在较大局限性。
专利号CN200410051559.3，专利名称为：利用紫外光辐照抑制水中蓝藻生长的方法及系统，该申请案以紫外光辐照装置产生的紫外光辐照水体中的蓝藻1-5min，其中紫外光波长位于紫外C波段，以254nm波长紫外线为主；辐照装置可装在游船上，使辐照装置的若干紫外线灯穿过游船底面浸没水面下0.05-0.5m处，游船往复游动，所有紫外线灯产生紫外光对水体中的蓝藻进行紫外光辐照。该申请案利用C波段、低强度紫外光辐照能有效抑制水中蓝藻的生长，防止蓝藻水华，在抑藻的同时不会对其它水生生物造成伤害，同时可协同超声波处理使抑制蓝藻效果更理想。但该申请案想实现紫外光辐照抑制水中蓝藻的生长，同样需要游船配合往复游动，耗能较大，在实现大面积水域控藻方面，同样存在很大局限性。另外，上述两个申请案均把重点放在了利用光照抑制蓝藻生长方面，在培育并促进有益水体净化的水草的加速生长方面并未涉及。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于解决因蓝藻导致的水体污染问题，提供了一种水下植物生长光控促进系统及方法，本发明能够在光照不充足的情况下补充有益水生植物生长的光照，也能够通过调节光波抑制有害水生植物的生长，从而控制水系的生态平衡。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种水下植物生长光控促进系统，包括发电模块、智能灯控管理模块、生长监督及数据分析模块、通信模块、综合控制模块和水域综合控制网络；所述的发电模块为整个系统供电，综合控制模块输出指令控制发电模块、智能灯控管理模块工作；同时，综合控制模块分别与通信模块、水域综合控制网络、生长监督及数据分析模块完成数据交互。
更进一步地，所述的发电模块为风光互补发电模块，该风光互补发电模块包括风力发电机、光伏组件、控制器、蓄电池组和逆变器，风力发电机、光伏组件通过控制器为蓄电池组充电，控制器通过逆变器连接交流负载。
更进一步地，所述的智能灯控管理模块基于Labview平台收集水下植物的习性和生长规律信息，根据不同植物生长对可见光敏感波长的要求，自动调控光源，控制在不同时间发出不同波长的植物生长灯光，并控制紫外线杀菌灯工作。
更进一步地，智能灯控管理模块中调节光波长的单元包括光纤、光滤波器、两级带通滤波器、双限电压比较器、数字控制电路和光传感器，光纤、光滤波器、两级带通滤波器、双限电压比较器和数字控制电路依次电连接，光传感器的输出端连接数字控制电路，数字控制电路与光滤波器连接，且数字控制电路控制LED灯的转换。
更进一步地，所述的LED灯采用防水防腐灯罩和电缆，该LED灯包括波长为460nm的蓝色灯珠和波长为630nm的红色灯珠，数字控制电路控制蓝色灯珠LED灯以及红色灯珠LED灯的亮灭。
更进一步地，所述的生长监督及数据分析模块通过基于单片机的Labview平台收集控制区域内水生植物的生长习性数据，收集的信息在数据挖掘管理器内进行筛选，计算机对数据进行预处理，预处理后的数据进行运算，最终输出水生植物生长数据。
更进一步地，多个水生植物生长光控促进单元通过水域综合控制网络和中央集控中心的通讯连接，实现网络化管理和监控。
更进一步地，所述的通信模块将各模块通过计算机控制网络实时在线联系起来，接收控制命令和上传监控指令。
本发明的一种水下植物生长光控促进方法，综合控制模块发送指令给风光互补发电模块，控制风光互补发电模块为整个系统供电，综合控制模块也通过计算机接口将指令发送给智能灯控管理模块，智能灯控管理模块自动调控光源，控制在不同时间发出不同波长的植物生长LED灯光，并控制紫外线杀菌灯工作；所述的生长监督及数据分析模块收集控制区域内水生植物的生长习性数据，收集的信息在数据挖掘管理器内进行筛选，计算机对数据进行预处理，预处理后的数据进行运算，最终输出水生植物生长数据；水域综合控制网络和综合控制模块进行数据交互，用于根据水生植物生长情况实时在线调整指令得以控制其快速生长。
更进一步地，多个水生植物生长光控促进单元通过水域综合控制网络和中央集控中心的通讯连接，实现网络化管理和监控。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种水下植物生长光控促进系统，遵循自然生态规律治理水体的藻类污染，利用淡水体系内的生物多样性和食物链，一方面抑制有害蓝藻的生长，另一方面培育并促进可以消耗蓝藻的水生螺类繁殖生长，同时，培育并促进有益水体净化的水草的加速生长，以和蓝藻抢夺生存空间和营养，从而有效控制水体的污染；
(2)本发明的一种水下植物生长光控促进系统，其智能灯控管理模块基于Labview平台收集水下植物的习性和生长规律信息，分析不同波长光对水生植物生长的影响，根据不同植物生长对可见光敏感波长的要求，自动调控光源，控制在不同时间发出不同波长的植物生长灯光，能够在任意时间满足水生植物生长所需的光照，同时通过对波长光的改变使其促进有益水生植物的生长，抑制有害水生植物的生长；
(3)本发明的一种水下植物生长光控促进系统，其生长监督及数据分析模块负责水生水草的生长数据监控和监督，并借助分析软件进行数据挖掘分析，可用于长期研究不同水生植物的生长习性和促生敏感光谱分析；通过大量检测数据，进行不同植物生长数据分析，进而为研究水生植物在不同波长光的促生环境下的生长状态数据，用于后续水生植物生长所需不同波长光的调整和水产养殖研究提供数据支撑；
(4)本发明的一种水下植物生长光控促进系统，其采用网络化结构，通过有线或无线信息通信方式，可以随机连接多个乃至数十个相对独立的水生植物生长光控促进单元，便于广域水域生态治理；
(5)本发明的一种水下植物生长光控促进系统，其采用风光互补发电模块主要为整个系统供电，夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，实现全天候发电，而且对环境无污染，也非常的节省能源。
附图说明
图1为本发明的水生植物生长光控促进系统的结构框图；
图2为本发明中植物生长智能灯的结构示意图；
图3为本发明中光波长调节模块的结构框图；
图4为本发明中风光互补发电模块的结构框图；
图5为本发明中数据挖掘过程的流程框图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1，本实施例的水生植物生长光控促进系统，包括风光互补发电模块、智能灯控管理模块、生长监督及数据分析模块、通信模块、综合控制模块和水域综合控制网络。风光互补发电模块与智能灯控管理模块电连接，风光互补发电模块为智能灯控管理模块供电。综合控制模块的输出端与风光互补发电模块、智能灯控管理模块电连接，综合控制模块输出指令控制发电模块、智能灯控管理模块工作。同时，本实施例的综合控制模块分别与通信模块、水域综合控制网络、生长监督及数据分析模块完成数据交互。
结合图4，本实施例的风光互补发电模块包括风力发电机、光伏组件、控制器、蓄电池组和逆变器，风力发电机、光伏组件通过控制器为蓄电池组充电，控制器通过逆变器连接交流负载，将电力供给负载使用。如此，夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，实现全天候发电，而且对环境无污染。所述的智能灯控管理模块需要可靠的驱动电源，本实施例设计交流电压220V进线，经电力电子功率变换，以驱动LED芯片或恒流源电源-----智能IC驱动电源，以保证LED植物生长灯的可靠运行和长寿命。同时，所配置的风光互补发电模块也通过自动控制，将发出的电能经蓄电池组的储存稳压，再经电力电子功率变换装置转换为交流220V，以实现和市网交流电的切换补充。
所述的智能灯控管理模块接入智能装置实时监督水生植物的生长，基于Labview平台收集水下植物的习性和生长规律信息，分析不同波长光对水生植物生长的影响，根据不同植物生长对可见光敏感波长的要求，自动调控光源，控制在不同时间发出不同波长的植物生长灯光，促进有益水生植物的生长，抑制对水体有害的水生植物的生长，并控制紫外线杀菌灯工作，用于短时间对于有害蓝藻的杀灭抑制。本实施例使用能够长期在水下工作的水生植物生长灯，由于植物光合作用需要的光线，波长在400-700nm左右，而400-500nm的光线以及610-720nm对于光合作用贡献最大，故本实施例设计出蓝色(460nm)和红色(630nm)的LED灯珠，刚好提供植物所需的光照波，水生植物生长灯采用防水防腐灯罩和电缆，可以长期浸泡于水中。其光强结合植物生长需求和夜间环境对光的影响和节能需要，最优化的控制光强和光波。
结合图3，本实施例中智能灯控管理模块中调节光波长的单元包括光纤、光滤波器、两级带通滤波器、双限电压比较器、数字控制电路和光传感器，光纤、光滤波器、两级带通滤波器、双限电压比较器和数字控制电路依次电连接，光传感器的输出端连接数字控制电路，数字控制电路与光滤波器连接。首先，光纤通过光滤波器，数字控制电路将数字信号反馈给光滤波器光感信号，光滤波器滤掉暂时不用的光波，经过两级带通滤波放大，双限电压比较器可以根据用电环境调节电压大小，经放大后的光波信号进入数字控制电路，将接收到的光波信号一方面反馈给光滤波器，另一方面控制LED灯的转换(蓝色灯珠LED灯或者红色灯珠LED灯)，进而即使在无光照环境下仍然可以使水生植物进行光合作用。
所述的生长监督及数据分析模块负责水生水草的生长数据监控和监督，并借助分析软件进行数据挖掘分析，具体参见图5，对控制区域内水生植物的生长习性(如植物最佳生长状态对光照波长的要求、对水温的要求、对水PH值的要求、对植物之间生长间距的要求等)的信息通过基于单片机的Labview平台进行收集，将收集到的信息送入数据挖掘管理器进行模式筛选，然后用计算机进行数据的预处理，挖掘管理器内核采用某种挖掘算法(如KNN算法、Apriori算法)，经过数据预处理后的数据输入到挖掘内核进行运算，运算结果集合出模式表达的方式，最终输出水生植物生长数据，用于长期研究不同水生植物的生长习性和促生敏感光谱分析。
本实施例中当系统工作时，风光互补发电模块为整个系统供电，即使在环境恶劣的情况下也能正常工作，综合控制模块是整个系统的控制中心，用于收集信息、识别信息、对其他模块发出指令等，通过生长监督及数据分析模块将采集到的水生植物的生长信息上传给综合控制模块进行数据挖掘，算法对其生长规则预测分析，进而将分析后的数据转换成相应的指令去控制智能灯控管理模块，调节光波长，形成适宜水生植物生长的环境。在系统工作的过程中，各模块都是实时在线联系的，及时反馈水生植物的生长情况。通信模块是整个系统的“血液”，将各模块通过计算机控制网络实时在线联系起来，另外，生长监督及数据分析模块通过长期对综合控制模块采集到的信息绘制成曲线图进行分析，预测以后的生长需求，提前调节相应模块参数。
实施例2
本实施例的水生植物生长光控促进系统，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例通过水域综合控制网络和中央集控中心的通讯连接，实现多个水生植物生长光控促进单元的网络化管理和监控，接收控制命令和上传监控指令。综合控制模块通过计算机将指令发送给风光互补发电模块，给植物生长智能灯控模块供电，同时综合控制模块也通过计算机接口将指令发送给智能灯控模块，水域综合控制网络和综合控制模块交换信息，用于根据水生植物生长情况实时在线调整指令得以控制其快速生长，整个通讯模块其实就是计算机连接工作设备，实时反映植物生长状态，通过计算机连接综合控制模块进行数据监视、结果处理以及最终显示。
水生植物生长光控促进单元是指每一块水域的水生植物种类可能不同或者不同水域离得较远，可以在单个水域布置小的系统，包括计算机集成控制模块、通信模块、水域综合控制网络、智能灯控模块和发电装置，这些水生植物生长光控促进单元最后集合成一个大的水生植物生长光控促进系统，系统的发电装置是风光互补发电设备，各个水域的光控促进单元的水生植物生长数据通过计算机控制网络进行生长数据的实时监测和未来生长趋势的预估。总而言之，水生植物生长光控促进系统正是由一个个小的生长光控促进单元组成，生长光控促进单元的植物生长情况通过计算机网络反映出来，以供后来相关参数的设置，促进有利水生植物的生长，抑制有害水生植物的生长，达到预期目标。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水下植物生长光控促进系统，其特征在于：包括发电模块、智能灯控管理模块、生长监督及数据分析模块、通信模块、综合控制模块和水域综合控制网络；所述的发电模块为整个系统供电，综合控制模块输出指令控制发电模块、智能灯控管理模块工作；同时，综合控制模块分别与通信模块、水域综合控制网络、生长监督及数据分析模块完成数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种水下植物生长光控促进系统，其特征在于：所述的发电模块为风光互补发电模块，该风光互补发电模块包括风力发电机、光伏组件、控制器、蓄电池组和逆变器，风力发电机、光伏组件通过控制器为蓄电池组充电，控制器通过逆变器连接交流负载。
3.根据权利要求1或2所述的一种水下植物生长光控促进系统，其特征在于：所述的智能灯控管理模块基于Labview平台收集水下植物的习性和生长规律信息，根据不同植物生长对可见光敏感波长的要求，自动调控光源，控制在不同时间发出不同波长的植物生长灯光，并控制紫外线杀菌灯工作。
4.根据权利要求3所述的一种水下植物生长光控促进系统，其特征在于：智能灯控管理模块中调节光波长的单元包括光纤、光滤波器、两级带通滤波器、双限电压比较器、数字控制电路和光传感器，光纤、光滤波器、两级带通滤波器、双限电压比较器和数字控制电路依次电连接，光传感器的输出端连接数字控制电路，数字控制电路与光滤波器连接，且数字控制电路控制LED灯的转换。
5.根据权利要求4所述的一种水下植物生长光控促进系统，其特征在于：所述的LED灯采用防水防腐灯罩和电缆，该LED灯包括波长为460nm的蓝色灯珠和波长为630nm的红色灯珠，数字控制电路控制蓝色灯珠LED灯以及红色灯珠LED灯的亮灭。
6.根据权利要求5所述的一种水下植物生长光控促进系统，其特征在于：所述的生长监督及数据分析模块通过基于单片机的Labview平台收集控制区域内水生植物的生长习性数据，收集的信息在数据挖掘管理器内进行筛选，计算机对数据进行预处理，预处理后的数据进行运算，最终输出水生植物生长数据。
7.根据权利要求6所述的一种水下植物生长光控促进系统，其特征在于：多个水生植物生长光控促进单元通过水域综合控制网络和中央集控中心的通讯连接，实现网络化管理和监控。
8.根据权利要求7所述的一种水下植物生长光控促进系统，其特征在于：所述的通信模块用于将各模块通过计算机控制网络实时在线联系起来，接收控制命令和上传监控指令。
9.一种水下植物生长光控促进方法，其特征在于：综合控制模块发送指令给风光互补发电模块，控制风光互补发电模块为整个系统供电；综合控制模块也通过计算机接口将指令发送给智能灯控管理模块，智能灯控管理模块自动调控光源，控制在不同时间发出不同波长的植物生长LED灯光，并控制紫外线杀菌灯工作；所述的生长监督及数据分析模块收集控制区域内水生植物的生长习性数据，收集的信息在数据挖掘管理器内进行筛选，计算机对数据进行预处理，预处理后的数据进行运算，最终输出水生植物生长数据；水域综合控制网络和综合控制模块进行数据交互，用于根据水生植物生长情况实时在线调整指令得以控制其快速生长。
10.根据权利要求9所述的一种水下植物生长光控促进方法，其特征在于：多个水生植物生长光控促进单元通过水域综合控制网络和中央集控中心的通讯连接，实现网络化管理和监控。
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