CN111418381A - 一种可动态调节的led植物补光系统及动态调光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可动态调节的LED植物补光系统及动态调光方法，包括：RGBW补光灯、补光灯驱动单元、光照强度采集单元、植物生长监视单元、集中控制单元、种植智库。本发明利用植物生长监视单元、种植智库、光照强度采集单元，能够根据植物种类和生长阶段动态自动调整植物灯的光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，能够根据光配方设定光照参数，包括光质组合、每种单一光质的光强、每种单一光质的运行周期和不同光质的交替周期，在不需要人工干预的情况下，自动判断植物的生长阶段，动态切换光配方，在每个生长阶段提供任意可控的光照条件，实现在不同植物促进植物生长，调控植物品质，实现高效培育。

Description

一种可动态调节的LED植物补光系统及动态调光方法

技术领域

本发明涉及植物光照系统技术领域，特别涉及一种可动态调节的LED植物补光系统及动态调光方法。

背景技术

传统的种植方式受制于自然环境和种植技术，作物的产量和质量极为有限，并容易产生病虫害。随着工业化和城市化进程的加快，可用耕地面积在日益减少，农业从业人口紧缺。为了提高单位面积的耕地作物产物、减少病虫害和农药使用量，实行立体式种植以及利用家庭庭院的室内种植等，已经成为现代农业优先发展的技术。

植物生长照明系统是智慧大棚和植物工厂等室内种植中的重要单元，光照在植物光形态建成、质体分化和植物生长发育中具有关键作用，不仅是植物光合作用的推动力，更是植物生长的调控信号，通过激发相关基因表达来调节植物的生长发育过程，影响种植物产量和品质形成。植物体内存在一系列光受体，使得植物可以准确和及时地感应光环境的变化。植物补光系统可以对光环境的光照强度、光质配比、光照周期和光照时空分布进行全面、精细的调控，合理的光照调控策略不仅能显著改善植物品质，而且能有效降低光源能耗。

在光照强度方面：植物光合作用的强弱与光照强弱密切相关，随着光照强度增加，光合作用同化CO₂量与呼吸作用释放CO₂量相等的节点为光补偿点，光合作用不再随光强增加而增大的节点为光饱和点，不同植物有不同的光补偿点和光饱和点。果蔬类对光照强度要求较高，根菜类和叶菜类对光照强度要求较低。光照强度不足时，除光合作用强度降低外，还能影响叶子大小、薄厚、叶肉结构、节间长短、茎的粗细等植物形态的变化，影响植株生长发育状况、产量和品质。协调控制光照强度，能够使植物净光合作用最大，光能利用率最高。

在光质方面：植物在进行光合作用时，叶绿素吸收光谱最强的区域在波长为600~700nm的红光波段和420~470nm的蓝光波段，即植物光合作用在蓝光和红光波段的光量子效率最高。除了影响光合作用速率，白光、红光、黄光、蓝光、绿光等不同光质对植物的生长发育有不同的调控作用，影响植物叶绿体形成、光合色素合成、叶片气孔运动、叶片伸展、碳同化和根茎生长，影响可溶性蛋白质和糖类的生物合成，调控植物生理生化、碳水化合物代谢、蛋白质生成、总酚、花青素和抗坏血酸等次生代谢产物合成。例如，红光与远红光在植物的光形态建成方面有非常重要的作用，蓝光影响植物根系发育、茎秆伸长、向光性和激素平衡等。红蓝光的比例对植物硝酸盐、维生素C、花青素和可溶性蛋白等物质含量有重要影响。黄绿光的光合利用率低，但是对植物下部叶片生长有调节作用，能够缓解叶绿素降解、降低硝酸盐含量、显著提高抗坏血酸、可溶性糖及可溶性蛋白含量等。

在光周期方面：光周期是影响植物生长发育及物质合成代谢的重要环境因子。自然条件下，植物体内物质代谢过程随昼夜交替而呈现周期性变化。植物体内硝酸还原酶活性受光周期的影响进而导致植物体内硝酸盐含量呈现光期降低和暗期积累的周期性变化。不同光照周期通过植物的隐花色素影响生物节律钟，调控种子萌发和幼苗发育，影响光合产物的生成、碳水化合物的积累和营养品质，调控植物开花时间。

光的时空分布方面：光的空间分布是指植物冠部、上部和下部叶片等受光面区域内光强度和色温的分布以及光线相对于植物受光面的空间照射角度，光的空间分布均匀性是影响栽培面作物生长一致性的重要因素。光的时间分布是指同一种光质、光强的组合在一个光周期时间轴上的分布，主要体现在连续供光、交替供光和间歇供光等模式差异。例如，在24h的昼夜周期中可以采用连续供光（16h光照，8h黑暗）、循环2次间歇供光（每次8h光照，4h黑暗）、循环4次间歇供光（每次4h光照，2h黑暗）等等模式。不同的供光时间分布对植物的株型、干物质、粗纤维、淀粉和可溶性糖含量积累有重要的调控作用。

植物在不同生长阶段对光照环境的需求不一样，例如：在种子萌发阶段采用红光照射促进萌发，在幼苗阶段添加蓝光抑制徒长、添加绿光提高根系活力，在培育阶段采用特定比例的红蓝光质促进植物生长、提高产量，在开花结果阶段利用光周期调节开花结果时间、缩短周期，在采收前采用连续光照调控品质等。叶菜类、果蔬类、药用类和花卉类等不同类别的植物的最优光照条件不一样，针对植物类别和生长阶段可以有针对性的设定光配方，通过动态调节光照环境使植物生长在相对最优的状态。

LED作为人工光源，具有发热小、光配方精确可控、安装适配模式多样、寿命长、光衰缓慢等优点，已经被广泛认为是植物补光的合适光源。目前应用于植物补光灯的光源光质主要通过将波长660nm的红光和460nm的蓝光单色LED芯片进行组合，通过若干单芯片LED交替排布组合成灯管或灯板，一些新开发的LED光源也会在其中添加少量的紫外和远红光。LED荧光植物生长灯通过在低波长的蓝、紫光LED芯片表面涂敷组分经过调制的荧光粉，将部分蓝紫光转变成红光或其他光。

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专利CN 105828479A公开了一种通过调节滑动变阻器实现不同LED灯光源的光质比R/B的连续可调的驱动电源。

现有补光装置的LED植物灯采用不同颜色的灯珠搭配成LED阵列，发光后混合为某一特定光谱，或采用荧光粉调配光谱。装置安装完成后，不同颜色的灯珠配比固定。对不同颜色的发光阵列用相同的LED驱动电源驱动时，LED阵列混光后本身的光质比不可调。现有部分技术通过改变机械结构或更换灯珠配比的方式调整光谱，但是需要更换补光装置或频繁的人工干预；

采用不同颜色的灯珠搭配成LED阵列或荧光粉调配混光后，光谱受限于灯珠数量，一般只能适用于某种或某一类特定植物的特定生长阶段。实际上，不同植物对光质比的需求不一样，而且即使对同一类植物而言，在发芽、成株、开花、结果阶段的最优光照条件也不一样；

现有植物补光装置没有判断植物生长阶段的监视单元，或仅能通过简单的传感器判断植物高度，不能根据植物的生长阶段自动调整光照条件。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可动态调节的LED植物补光系统及动态调光方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可动态的LED植物补光系统，包括：RGBW补光灯、补光灯驱动单元、光照强度采集单元、植物生长监视单元、集中控制单元、种植智库；

RGBW补光灯，用于发出且可单独控制红光、绿光、蓝光和白光四种光源的LED灯珠；

补光灯驱动单元，用于单独控制RGBW补光灯中红色、绿色、蓝色和白色发光单元；

光照强度采集单元，用于采集植物所受的光照强度信息，并反馈给集中控制单元；

植物生长监视单元，用于检测植物实时生长状态并将相关参数传递给集中控制单元；

种植智库，用于存储不同植物在不同生长阶段有利于植物生长的最优光照参数和配方，包括光照强度、光质比、光周期和光照时间分布；

集中控制单元，用于将当前光照强度数据反馈至补光灯驱动单元，对照光配方数据参数修正驱动电流大小，保证光周期和光照强度准确；便于人工修正，便于人直接通过集中控制单元直接调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，或通过集中控制单元补充、修改或删除种植智库中的光照方案和配方数据。

上述设计中利用植物生长监视单元、种植智库、光照强度采集单元，能够根据植物种类和生长阶段动态自动调整植物灯的光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，能够根据光配方设定光照参数，包括光质组合、每种单一光质的光强、每种单一光质的运行周期和不同光质的交替周期，在不需要人工干预的情况下，自动判断植物的生长阶段，动态切换光配方，在每个生长阶段提供任意可控的光照条件，实现在不同植物促进植物生长，调控植物品质，实现高效培育。

作为本设计的进一步改进，所述RGBW补光灯为RGBW四色发光单元集成的灯珠组合为LED阵列，LED阵列中每颗灯珠都集成红光、绿光、蓝光和白光四种发光单元，每颗灯珠有8个引线端，分别为红光正负、绿光正负、蓝光正负和白光正负端。能够单独控制每种颜色发光单元的发光亮度，从而控制整体的光照强度、光质比。

作为本设计的进一步改进，所述LED阵列中相同颜色的发光单元串联后分别接入所述RGBW补光灯的四个驱动输入端。便于单独控制各发光单元。

作为本设计的进一步改进，所述补光灯驱动单元包括交流-直流变换模块、与所述交流-直流变换模块输出端电连接的直流-直流变换模块、与所述直流-直流变换模块控制连接的数字控制模块、与所述数字控制模块通信连接的数据存储模块、与所述数字控制模块通信连接的计时模块、与数字控制模块和集中控制单元通信连接的通信模块；

交流-直流变换模块，用于将220V交流市电转换为12V~48V直流电；

直流-直流变换模块，用于将12V~48V直流电转换为RGBW LED补光灯的四路直流驱动；

数据存储模块，用于存储动态调整光照条件所需的光配方数据；

计时模块，通过电池供电用于不间断的方式计算当前的年、月、日、时、分、秒时间信息；

通信模块，用于和集中控制单元交换信息，将当前光照信息发送至集中控制单元，或接收集中控制单元的指令，调整光照配方；

数字控制模块，用于读取、修改或发送数据至数据存储模块、计时模块和通信模块，依据光照方案，提供数字控制信号给直流-直流变换模块。采用了多路独立控制输出的直流-直流变换模块，以恒流无频闪的方式驱动植物灯不同光质LED支路的驱动电流大小和驱动时间长短，采用了数据存储模块存储光配方参数，采用了计时模块计算时刻，能够针对不同植物和不同生长阶段动态调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，实现植物高效培育。

作为本设计的进一步改进，所述光照强度采集单元为由集中控制单元驱动和读取光照强度数据的光照传感器组成。光照强度监测更加准确。

作为本设计的进一步改进，所述植物生长监视单元包括摄像头、与所述摄像头通信连接的集成图像处理器，所述集成图像处理器用于根据摄像头采集的数据计算植物高度，判断植物生长状态，包括但不限于发芽、成株、开花和结果等状态，然后将状态数据发送给集中控制单元。便于精确监控植物生长状态。

作为本设计的进一步改进，所述集中控制单元为上位机。

一种可动态调节的LED植物补光系统的动态调光方法，包括如下步骤：

S1:由人工用户在集中控制单元选择或输入种植物名称或种类；

S2:集中控制单元根据步骤S1用户从种植智库中读取该植物的最优光照方案、从植物生长监视单元中读取生长状态参数，设定光照配方后发送给补光灯驱动单元，光照配方参数存储在补光灯驱动单元的存储器中；

S3:补光灯驱动单元中的数字控制模块从存储器中读取光照配方参数、从低功耗计时模块读取当前时间，对照配方参数，计算红光、绿光、蓝光和白光单元所需驱动电流大小、驱动时长，以恒流方式驱动RGBW补光灯，产生植物在当前时间需要的光照强度、光谱、光周期和光照时间分布；

S4:集中控制单元读取光照强度采集单元的数据，将当前光照强度数据反馈至补光灯驱动单元，对照光配方数据参数修正驱动电流大小，保证光周期和光照强度准确；

调整方便，便于植物光照的动态调整。

作为本设计的进一步改进，在人工用户选择植物后，光照环境的动态调整不需要人工干预，自动化程度高。

作为本设计的进一步改进，人工用户通过集中控制单元直接调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，或通过集中控制单元补充、修改或删除种植智库中的光照方案和配方数据，适用性更广。

本发明的有益效果是：本发明利用植物生长监视单元、种植智库、光照强度采集单元，能够根据植物种类和生长阶段动态自动调整植物灯的光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，能够根据光配方设定光照参数，包括光质组合、每种单一光质的光强、每种单一光质的运行周期和不同光质的交替周期，在不需要人工干预的情况下，自动判断植物的生长阶段，动态切换光配方，在每个生长阶段提供任意可控的光照条件，实现在不同植物促进植物生长，调控植物品质，实现高效培育。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的LED植物补光系统示意图。

在图中1.补光灯驱动单元，2.数字控制模块，3.直流-直流变换模块，4.交流-直流变换模块，5.数据存储模块，6.电池，7.计时模块，8.种植智库，9.植物生长监视单元，10.通信模块，11.集中控制单元，12.光照强度采集单元，13.摄像头，14.集成图像处理器，15.RGBW补光灯，16.灯珠。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例：一种可动态的LED植物补光系统，包括：RGBW补光灯15、补光灯驱动单元1、光照强度采集单元12、植物生长监视单元9、集中控制单元11、种植智库8；

RGBW补光灯15，用于发出且可单独控制红光、绿光、蓝光和白光四种光源的LED灯珠16；

补光灯驱动单元1，用于单独控制RGBW补光灯15中红色、绿色、蓝色和白色发光单元；

光照强度采集单元12，用于采集植物所受的光照强度信息，并反馈给集中控制单元11；

植物生长监视单元9，用于检测植物实时生长状态并将相关参数传递给集中控制单元11；

种植智库8，用于存储不同植物在不同生长阶段有利于植物生长的最优光照参数和配方，包括光照强度、光质比、光周期和光照时间分布；

集中控制单元11，用于将当前光照强度数据反馈至补光灯驱动单元1，对照光配方数据参数修正驱动电流大小，保证光周期和光照强度准确；便于人工修正，便于人直接通过集中控制单元11直接调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，或通过集中控制单元11补充、修改或删除种植智库8中的光照方案和配方数据。

上述设计中利用植物生长监视单元9、种植智库8、光照强度采集单元12，能够根据植物种类和生长阶段动态自动调整植物灯的光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，能够根据光配方设定光照参数，包括光质组合、每种单一光质的光强、每种单一光质的运行周期和不同光质的交替周期，在不需要人工干预的情况下，自动判断植物的生长阶段，动态切换光配方，在每个生长阶段提供任意可控的光照条件，实现在不同植物促进植物生长，调控植物品质，实现高效培育。

作为本设计的进一步改进，所述RGBW补光灯15为RGBW四色发光单元集成的灯珠16组合为LED阵列，LED阵列中每颗灯珠16都集成红光、绿光、蓝光和白光四种发光单元，每颗灯珠16有8个引线端，分别为红光正负、绿光正负、蓝光正负和白光正负端。能够单独控制每种颜色发光单元的发光亮度，从而控制整体的光照强度、光质比。

作为本设计的进一步改进，所述LED阵列中相同颜色的发光单元串联后分别接入所述RGBW补光灯15的四个驱动输入端。便于单独控制各发光单元。

作为本设计的进一步改进，所述补光灯驱动单元1包括交流-直流变换模块4、与所述交流-直流变换模块4输出端电连接的直流-直流变换模块3、与所述直流-直流变换模块3控制连接的数字控制模块2、与所述数字控制模块2通信连接的数据存储模块5、与所述数字控制模块2通信连接的计时模块7、与数字控制模块2和集中控制单元11通信连接的通信模块10；

交流-直流变换模块4，用于将220V交流市电转换为12V~48V直流电；

直流-直流变换模块3，用于将12V~48V直流电转换为RGBW LED补光灯的四路直流驱动；

数据存储模块5，用于存储动态调整光照条件所需的光配方数据；

计时模块7，通过电池6供电用于不间断的方式计算当前的年、月、日、时、分、秒时间信息；

通信模块10，用于和集中控制单元11交换信息，将当前光照信息发送至集中控制单元11，或接收集中控制单元11的指令，调整光照配方；

数字控制模块2，用于读取、修改或发送数据至数据存储模块5、计时模块7和通信模块10，依据光照方案，提供数字控制信号给直流-直流变换模块3。采用了多路独立控制输出的直流-直流变换模块3，以恒流无频闪的方式驱动植物灯不同光质LED支路的驱动电流大小和驱动时间长短，采用了数据存储模块5存储光配方参数，采用了计时模块7计算时刻，能够针对不同植物和不同生长阶段动态调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，实现植物高效培育。

作为本设计的进一步改进，所述光照强度采集单元12为由集中控制单元11驱动和读取光照强度数据的光照传感器组成。光照强度监测更加准确。

作为本设计的进一步改进，所述植物生长监视单元9包括摄像头13、与所述摄像头13通信连接的集成图像处理器14，所述集成图像处理器14用于根据摄像头13采集的数据计算植物高度，判断植物生长状态，包括但不限于发芽、成株、开花和结果等状态，然后将状态数据发送给集中控制单元11。便于精确监控植物生长状态。

作为本设计的进一步改进，所述集中控制单元11为上位机。

一种可动态调节的LED植物补光系统的动态调光方法，包括如下步骤：

S1:由人工用户在集中控制单元11选择或输入种植物名称或种类；

S2:集中控制单元11根据步骤S1用户从种植智库8中读取该植物的最优光照方案、从植物生长监视单元9中读取生长状态参数，设定光照配方后发送给补光灯驱动单元1，光照配方参数存储在补光灯驱动单元1的存储器中；

S3:补光灯驱动单元1中的数字控制模块2从存储器中读取光照配方参数、从低功耗计时模块7读取当前时间，对照配方参数，计算红光、绿光、蓝光和白光单元所需驱动电流大小、驱动时长，以恒流方式驱动RGBW补光灯15，产生植物在当前时间需要的光照强度、光谱、光周期和光照时间分布；

S4:集中控制单元11读取光照强度采集单元12的数据，将当前光照强度数据反馈至补光灯驱动单元1，对照光配方数据参数修正驱动电流大小，保证光周期和光照强度准确；

调整方便，便于植物光照的动态调整。

作为本设计的进一步改进，在人工用户选择植物后，光照环境的动态调整不需要人工干预，自动化程度高。

作为本设计的进一步改进，人工用户通过集中控制单元11直接调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，或通过集中控制单元11补充、修改或删除种植智库8中的光照方案和配方数据，适用性更广。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种可动态调节的LED植物补光系统，其特征在于，包括：RGBW补光灯、补光灯驱动单元、光照强度采集单元、植物生长监视单元、集中控制单元、种植智库；

RGBW补光灯，用于发出且可单独控制红光、绿光、蓝光和白光四种光源的LED灯珠；

补光灯驱动单元，用于单独控制RGBW补光灯中红色、绿色、蓝色和白色发光单元；

光照强度采集单元，用于采集植物所受的光照强度信息，并反馈给集中控制单元；

植物生长监视单元，用于检测植物实时生长状态并将相关参数传递给集中控制单元；

种植智库，用于存储不同植物在不同生长阶段有利于植物生长的最优光照参数和配方，包括光照强度、光质比、光周期和光照时间分布；

集中控制单元，用于将当前光照强度数据反馈至补光灯驱动单元，对照光配方数据参数修正驱动电流大小，保证光周期和光照强度准确；便于人工修正，便于人直接通过集中控制单元直接调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，或通过集中控制单元补充、修改或删除种植智库中的光照方案和配方数据。

2.根据权利要求1所述的一种可动态调节的LED植物补光系统，其特征是，所述RGBW补光灯为RGBW四色发光单元集成的灯珠组合为LED阵列，LED阵列中每颗灯珠都集成红光、绿光、蓝光和白光四种发光单元，每颗灯珠有8个引线端，分别为红光正负、绿光正负、蓝光正负和白光正负端。

3.根据权利要求2所述的一种可动态调节的LED植物补光系统，其特征是，所述LED阵列中相同颜色的发光单元串联后分别接入所述RGBW补光灯的四个驱动输入端。

4.根据权利要求1所述的一种可动态调节的LED植物补光系统，其特征是，所述补光灯驱动单元包括交流-直流变换模块、与所述交流-直流变换模块输出端电连接的直流-直流变换模块、与所述直流-直流变换模块控制连接的数字控制模块、与所述数字控制模块通信连接的数据存储模块、与所述数字控制模块通信连接的计时模块、与数字控制模块和集中控制单元通信连接的通信模块；

交流-直流变换模块，用于将220V交流市电转换为12V~48V直流电；

直流-直流变换模块，用于将12V~48V直流电转换为RGBW LED补光灯的四路直流驱动；

数据存储模块，用于存储动态调整光照条件所需的光配方数据；

计时模块，通过电池供电用于不间断的方式计算当前的年、月、日、时、分、秒时间信息；

通信模块，用于和集中控制单元交换信息，将当前光照信息发送至集中控制单元，或接收集中控制单元的指令，调整光照配方；

数字控制模块，用于读取、修改或发送数据至数据存储模块、计时模块和通信模块，依据光照方案，提供数字控制信号给直流-直流变换模块。

5.根据权利要求1所述的一种可动态调节的LED植物补光系统，其特征是，所述光照强度采集单元由集中控制单元驱动和读取光照强度数据的光照传感器组成。

6.根据权利要求1所述的一种可动态调节的LED植物补光系统，其特征是，所述植物生长监视单元包括摄像头、与所述摄像头通信连接的集成图像处理器，所述集成图像处理器用于根据摄像头采集的数据计算植物高度，判断植物生长状态，包括但不限于发芽、成株、开花和结果等状态，然后将状态数据发送给集中控制单元。

7.根据权利要求1所述的一种可动态自动调节光照环境的LED植物补光系统，其特征是，所述集中控制单元为上位机。

8.一种可动态调节的LED植物补光系统的动态调光方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:由人工用户在集中控制单元选择或输入种植物名称或种类；

S2:集中控制单元根据步骤S1用户从种植智库中读取该植物的最优光照方案、从植物生长监视单元中读取生长状态参数，设定光照配方后发送给补光灯驱动单元，光照配方参数存储在补光灯驱动单元的存储器中；

S3:补光灯驱动单元中的数字控制模块从存储器中读取光照配方参数、从低功耗计时模块读取当前时间，对照配方参数，计算红光、绿光、蓝光和白光单元所需驱动电流大小、驱动时长，以恒流方式驱动RGBW补光灯，产生植物在当前时间需要的光照强度、光谱、光周期和光照时间分布；

S4:集中控制单元读取光照强度采集单元的数据，将当前光照强度数据反馈至补光灯驱动单元，对照光配方数据参数修正驱动电流大小，保证光周期和光照强度准确。

9.根据权利要求8所述的一种可动态调节的LED植物补光系统的动态调光方法，其特征在于，在人工用户选择植物后，光照环境的动态调整不需要人工干预。

10.根据权利要求8所述的一种可动态调节的LED植物补光系统的动态调光方法，其特征在于，人工用户通过集中控制单元直接调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，或通过集中控制单元补充、修改或删除种植智库中的光照方案和配方数据。

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