CN111578161A - 一种智能调节植物补光系统 - Google Patents

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Abstract

一种智能调节植物补光系统，涉及农业种植技术领域，所采用的技术方案包括补光装置，光照强度检测装置和控制系统。本发明中补光灯的高度和位置可以分别通过伸缩杆和移动底座来灵活调整，在植物的生长过程中，可以根据植物株高的变化来调整补光灯的高度，光源距离植物始终保持10cm左右的距离，此时光能利用率最高；通过线性运动模组和第二距离传感器的配合，光量子传感器可一直保持在离植物小于6cm的距离，在此距离上检测到的光照强度值更贴近植物真实受到的光照强度，为补光灯的控制提供了更准确的依据；补光灯可通过转动来调节照射角度，为株高较高的植物提供了更为均匀的光照条件，提高植物下半部分叶片的光合作用速率。

Description

一种智能调节植物补光系统
技术领域
本发明涉及农业种植技术领域，尤其涉及一种智能调节植物补光系统。
背景技术
光照与作物的生长有密切的关系。最大限度的捕捉光能，充分发挥植物光合作用的潜力，将直接关系到农业生产的效益。近年来由于市场需求的推动，普遍采用温室大棚生产反季节花卉、瓜果、蔬菜等，由于冬春两季日照时间短，作物生长缓慢，产量低，需进行补光。由于不同的植物以及植物在生长过程中的不同时期，如发芽期、生长期、开花期和结果期，植物的株高不断变化，需要的光质、光强各不相同。但现有的植物补光灯一般为点光源，光强与距离的平方成反比，且固定安装在顶棚上方，一是不能根据植物的不同生长阶段调节高度和光照强度；二是对于黄瓜、番茄等株高较高的植物来说，下部叶片易被上部叶片遮挡，存在上部光照强度高、下部光照强度低、整体植株受光不均匀的问题，植株下半部分光合作用速率低，影响植物的产量和质量。
发明内容
针对现有技术方案中补光灯位置固定、光照强度不能随植物生长期的变化而调整、株高较高的植物受光不均匀的问题，本发明提供了一种智能调节植物补光系统。
本发明提供如下的技术方案：一种智能调节植物补光系统，包括补光装置，光照强度检测装置和控制系统，所述补光装置包括移动底座，所述移动底座上设置有伸缩杆，所述伸缩杆顶部设置有能够自动调节照射方向的旋转灯架，所述旋转灯架上设置有多个补光灯，所述补光灯设置有执行模块；所述旋转灯架上还设置有第一距离传感器，用于检测所述补光灯和植物表面之间的距离；所述光照强度检测装置包括线性运动模组，所述线性运动模组底部设置有可拆底座；所述线性运动模组包括滑台，所述滑台上设置有支架，所述支架朝向所述可拆底座的一侧设置有第二距离传感器，所述支架背离所述可拆底座的一侧设置有光量子传感器； 所述控制系统包括补光数据库、调节模块和交互界面，所述调节模块和补光数据库、交互界面信号连接；所述补光装置、光照强度检测装置和控制系统均设置有通讯模块。
优选地，所述光量子传感器的检测波长范围包括610~720nm的红橙光、400~510nm的蓝紫光、720~1100nm的红外光和280~400nm的紫外光。
作为一种具体实施方式，所述旋转灯架包括中空的支撑件，所述支撑件转动连接有旋转主轴，所述支撑件内设置有能带动所述旋转主轴沿自身轴向方向转动的第一动力装置；所述旋转主轴上设置有多个灯具外壳，所述灯具外壳内设置有所述补光灯。
优选地，所述补光灯两侧设置有限位块，所述灯具外壳底部设置有第一滑槽，所述补光灯通过所述限位块卡在所述第一滑槽内；所述第一滑槽朝向所述旋转主轴的一端设置有第一压缩弹簧；所述限位块侧壁上设置有安装槽，所述安装槽内通过第二压缩弹簧连接有楔形卡子，所述第一滑槽设置有用于卡住所述卡子的卡槽，所述卡槽内设置有按销。
优选地，所述第一滑槽朝向所述旋转主轴的一端还设置有电接口，所述补光灯一端设置有电接头，所述电接头能卡在所述电接口内使补光灯通电。
优选地，所述灯具外壳朝向所述旋转主轴的一端设置有套管，所述套管套接在所述旋转主轴上；所述套管上还设置有紧固卡槽，所述紧固卡槽螺纹连接有紧固件。
优选地，所述灯具外壳朝向所述旋转主轴一端的两侧均设置有通电接口。
作为一种具体实施方式，所述线性运动模组包括底板、丝杆和能带动所述丝杆转动的第二动力装置，所述滑台和所述丝杆螺纹连接；所述底板上设置有第二滑槽，所述滑台朝向所述底板的一侧设置有导向块，所述导向块和第二滑槽滑动连接。
优选地，所述可拆底座上设置有插销或者夹具，所述夹具为G字夹或手虎夹。
本发明的有益效果是：1、补光灯的高度和位置可以分别通过伸缩杆和移动底座来灵活调整，在植物的生长过程中，可以根据植物株高的变化来调整补光灯的高度，使补光灯始终与植物保持10cm左右的距离，在此距离上植物的光能利用率最高；2、通过线性运动模组和第二距离传感器的配合，光量子传感器可一直保持在离植物小于6cm的距离，检测到的光照强度值更贴近植物真实受到的光照强度，使大棚植物种植的控制更为精细化；3、补光灯可通过转动来调节照射角度，为株高较高的植物提供了更为均匀的光照条件，提高植物下半部分叶片的光合作用速率，进而提高产量；4、补光灯和灯具外壳之间易于更换和拆卸，方便维护；补光灯、补光装置的数量和密度可以灵活组合，具有更大的适用范围。
附图说明
图1为本发明中补光装置的一个实施例的三维示意图。
图2为图1的A部放大图。
图3为本发明中灯具外壳和补光灯的一个实施例的剖面图。
图4为图3的B部放大图。
图5为本发明中光照强度检测装置的一个实施例的三维示意图。
图6为本发明中光照强度检测装置的另一个实施例的三维示意图。
附图标记：1-补光装置，11-移动底座，12-伸缩杆，13-旋转灯架，131-补光灯，1311-限位块，1312-安装槽，1313-卡子，1314-电接头，132-支撑件，133-旋转主轴，134-灯具外壳，1341-第一滑槽，1342-第一压缩弹簧，1343-卡槽，1344-按销，1345-套管，1346-紧固件，1347-通电接口，2-光照强度检测装置，21-线性运动模组，211-滑台，212-支架，213-第二距离传感器，214-光量子传感器，215-底板，216-丝杆，217-第二动力装置，22-可拆底座，221-插销，222-夹具。
具体实施方式
以下结合附图及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人在研读本说明书后能据以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种如图1所示的一种智能调节植物补光系统，包括补光装置1，光照强度检测装置2和控制系统；所述补光装置1包括移动底座11，所述移动底座11上设置有伸缩杆12，所述伸缩杆12顶部设置有能够自动调节照射方向的旋转灯架13，所述旋转灯架13上设置有多个补光灯131，所述补光灯131设置有执行模块；所述旋转灯架13上还设置有第一距离传感器，用于检测所述补光灯131和植物表面之间的距离；所述光照强度检测装置2包括线性运动模组21，所述线性运动模组21底部设置有可拆底座22；所述线性运动模组21包括滑台211，所述滑台211上设置有支架212，所述支架212朝向所述可拆底座22的一侧设置有第二距离传感器213，所述支架212背离所述可拆底座22的一侧设置有光量子传感器214； 所述控制系统包括补光数据库、调节模块和交互界面，所述调节模块和补光数据库、交互界面信号连接；所述补光装置1、光照强度检测装置2和控制系统均设置有通讯模块。
所述补光装置是为植物补光的具体执行设备，可以通过通讯模块接受控制信号，自动调整补光位置、补光高度以及补光灯照射的角度，以适应植物的不同品种、不同生长阶段的株高。所述移动底座可选择由驱动电机提供动力的可移动托架，用于灵活调整补光装置的位置；所述伸缩杆可选择JINGE-16010型三节伸缩升降柱，高度可在990~2100cm，能适应大部分的大棚植物，并能接受控制信号来伸长或缩短；所述第一距离传感器可选择HC-SR04超声波测距传感器，用于检测补光灯和植物之间的直线距离，并将此实际距离通过通讯模块发送至调节模块，与调节模块中的预设距离值做比较后，根据实际距离与预设距离的差值来控制伸缩杆或移动底座，最终使补光灯与植物之间的距离始终保持在10cm左右，在此距离上，植物的光能利用率最高；第一距离传感器也可以跟随补光灯照射方向的变化而调整探测范围。所述旋转灯架长度可为800~1600cm，可均匀设置多组补光灯。所述补光灯可为LED补光灯，包括红基色LED模组、蓝基色LED模组、白色LED模组、红外线LED模组和紫外线LED模组，五种模组可按固定顺序依次排列或者按照需要进行更换；每一个LED模组均设置有执行模块，比如PWM信号输出模块，来控制光照强度。补光装置的通讯模块可选择基于现有的ZIGBEE无线技术的CC2538芯片，具有低功耗低成本的优点，和移动底座、伸缩杆、旋转灯架、第一距离传感器信号连接。
所述光照强度检测装置用于检测植物接受到的光照强度，特别地，可以检测红光、蓝光、红外线和紫外线的光照强度。所述光量子传感器可选择SQ-620型光量子计，是检测光照强度的关键组件，其检测面需要始终面对补光灯。根据现有的光照强度与监测点到光源的距离的平方成反比的理论，在不同参考面上测定的光照强度不同，因此，必须使光量子传感器贴近植物表面6cm以内，才能检测到植物实际接受到的光照强度。随着植物成长，株高不断变化，在第二距离传感器和线型运动模组的配合下，光量子传感器可始终与植物保持最佳的检测距离，以得到更精确的数据，为调整补光灯的光照强度提供依据。所述第二距离传感器可选择HC-SR04超声波测距传感器，最低测量距离为2cm，用于测定光量子传感器和植物之间的距离；所述线性运动模组可选择FSL80直线模组，根据第二距离传感器测定的距离信息自动调整光量子传感器和植物之间的距离；所述滑台、支架均可采用铝合金制作，用于支撑光量子传感器和第二距离传感器。所述可拆底座用于固定光照强度检测装置，可针对实际情况灵活选取合适的工具，与线性运动模组可拆连接，便于更换。光照强度检测装置还设置有通讯模块，可选择CC2538芯片，包含收发功能，和光量子传感器、第二距离传感器、线性运动模组信号连接，用于将距离信息和光照强度信息发送给控制系统，并接受控制系统发送的调节信号传递给线型运动模组。
所述控制系统的调节模块可选择EPM7128S型CPLD芯片，所述通讯模块可选择CC2538芯片作为网关芯片，可收发无线信号并从互联网上下载数据；所述补光数据库包括不同植物种类的不同生长阶段生长所需的最佳的光质、光照强度、光周期等信息，可存储在CPLD芯片的存储器内，作为预设的参照值；所述交互界面可为显示屏，并配置有键盘等输入设备，以显示当前的光照强度、光质等信息，可以进行手动控制。
本发明在工作时，首先根据植物的种类和生长阶段，从补光数据库中选取对应的光配方，包含光照强度、光质组合和光周期等信息，作为预设的标准值。光照强度检测模块使光量子传感器始终贴近植物表面6cm以内，收集植物实际接受到的光照强度信息，具体地指红、蓝、白光及红外线、紫外线的光照强度，并将其通过通讯模块发送到控制系统的调节模块。调节模块将当前光照强度信息与补光数据库中的标准值做比较，根据两者的差值来判断各种波长的光线需不需要补充及需要补充多少，并将结果发送给各个补光灯的执行装置，转换为PWM占空比信号输出到补光灯来实现对补光装置的调光控制。同时，通过移动底座、伸缩杆、旋转灯架和第一距离传感器，可以针对植物的不同种类和不同生长阶段的株高调节照射角度和照射距离，使补光灯与植物之间的距离保持在10cm左右，在此距离上，植物的光能利用率最高。
在一个实施例中，需补光的为生菜等株高较为低矮的植物，旋转灯架可与地面平行；光照强度检测装置扦插在植物中间，利用第二距离传感器和线性运动模组使光量子传感器与植物表面保持6cm的距离；随着株高的增加，光量子传感器随之上移，旋转灯架也向上移动相应的距离，补光灯和植物之间的距离不变，始终保持在10cm左右以获得最高的光能利用率。
优选地，所述光量子传感器214的检测波长范围包括610~720nm的红橙光、400~510nm的蓝紫光、720~1100nm的红外光和280~400nm的紫外光。
在与植物光合作用有关的光谱中，波长处于610~720nm的红橙光和400~510nm的蓝紫光对光合作用的影响最大；波长为720~1100nm 的红外光对光周期及种子形成有重要作用，并控制开花及果实颜色；波长为320~400nm长紫外光对植物的生长有刺激作用，可以增加作物产量，促进蛋白质、糖、酸类的形成；波长为280~320nm的短紫外光有消毒杀菌作用，可以减少植物病害。因此，检测上述波长的光线的光照强度对于补光控制具有积极意义，并且分别对应不同基色的LED模组。对于波长为400~510nm、610~720nm、720~1100nm的光线的光照强度检测可以使用SQ-620型光量子计，对于波长为280~400nm的紫外光的光照强度检测可以采用NVUV11B型紫外线传感器。
作为一种具体实施方式，所述旋转灯架13包括中空的支撑件132，所述支撑件132转动连接有旋转主轴133，所述支撑件132内设置有能带动所述旋转主轴133沿自身轴向方向转动的第一动力装置；所述旋转主轴133上设置有多个灯具外壳134，所述灯具外壳134内设置有所述补光灯131。
如图1所示，所述旋转主轴和支撑件转动连接，并可在第一动力装置的带动下进行360°旋转，以对照射角度进行调节，达到均匀补光的效果。旋转灯架的照射方向主要有两种，一种是针对株高低矮的植物，旋转灯架与地面平行，补光灯向下照射；一种是针对株高较高的植物品种，转动旋转主轴使旋转灯架的长度方向垂直于地面，补光灯的照射方向平行于地面，使植物上、下部分的叶片接受到的光照强度一致。所述旋转主轴和支撑件均可选择铝合金制作，质量轻；所述第一动力装置可选择SA系列伺服电机，控制精准度高。所述灯具外壳可选择铝合金或者ABS塑料制作，对补光灯起到保护作用。
优选地，所述补光灯131两侧设置有限位块1311，所述灯具外壳134底部设置有第一滑槽1341，所述补光灯131通过所述限位块1311卡在所述第一滑槽1341内；所述第一滑槽1341朝向所述旋转主轴133的一端设置有第一压缩弹簧1342；所述限位块1311侧壁上设置有安装槽1312，所述安装槽1312内通过第二压缩弹簧连接有楔形卡子1313，所述第一滑槽1341设置有用于卡住所述卡子1313的卡槽1343，所述卡槽1343内设置有按销1344。
所述限位块、卡子、按销均可选择ABS塑料制作，所述第一、二压缩弹簧可选择65Mn弹簧钢制作。如图3和图4所示，所述补光灯和灯具外壳滑动连接，并通过限位块卡在第一滑槽内，使补光灯方便拆卸和更换，易于维护。为了增加补光灯在灯具外壳内的稳定性，设置有楔形卡子和卡槽，当补光灯被完全插入灯具外壳时，压缩第一压缩弹簧，所述卡子在第二压缩弹簧的作用下卡入卡槽内，限制补光灯的位移。按下按销，将卡子顶出卡槽，补光灯在第一压缩弹簧的反弹作用下弹出灯具外壳，方便补光灯不同模组的更换和调整。
优选地，所述第一滑槽1341朝向所述旋转主轴133的一端还设置有电接口，所述补光灯131一端设置有电接头1314，所述电接头1314能卡在所述电接口内使补光灯通电。
从电连接的角度考虑，为了方便安装和拆卸，所述补光灯和灯具外壳之间以DC接头和接口的模式进行电连接。
优选地，所述灯具外壳134朝向所述旋转主轴133的一端设置有套管1345，所述套管1345套接在所述旋转主轴133上；所述套管1345上还设置有紧固卡槽，所述紧固卡槽螺纹连接有紧固件1346。
如图2所示，所述灯具外壳通过套管和旋转主轴之间可拆连接，可以更灵活地调整补光灯的数量；所述紧固件可为螺栓，将套管固定在旋转主轴上。所述套管和紧固件可选择铝合金或者ABS塑料制作。
优选地，所述灯具外壳134朝向所述旋转主轴133一端的两侧均设置有通电接口1347。
所述通电接口可以将多个补光灯进行串联或并联，不同数量的补光灯之间的电连接也更为方便。所述通电接口可选择DC接口。
作为一种具体实施方式，所述线性运动模组21包括底板215、丝杆216和能带动所述丝杆216转动的第二动力装置217，所述滑台211和所述丝杆216螺纹连接；所述底板215上设置有第二滑槽，所述滑台211朝向所述底板2的一侧设置有导向块，所述导向块和第二滑槽滑动连接。
如图5和图6所示，所述线型运动模组可以通过第二动力装置带动丝杆旋转，继而带动滑台上下移动，所述导向台可防止滑台旋转，并引导滑台进行直线运动。所述第二动力装置可为SA系列伺服电机，控制精准度高，所述丝杆可选择不锈钢制作，所述滑台、导向块可选择铝合金制作，
优选地，所述可拆底座22上设置有插销221或者夹具222，所述夹具222为G字夹或手虎夹。
如图5和图6所示，所述可拆底座用于将光照强度检测装置固定在合适的位置。对于株高低矮的植物来说，可以选择配置插销直接固定在地面上；对于株高较高的植物，可利用夹具固定在植物的攀爬架上，使光量子传感器的检测面始终垂直于补光灯的照射方向。
以上为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种智能调节植物补光系统，包括补光装置（1），光照强度检测装置（2）和控制系统，其特征在于：
所述补光装置（1）包括移动底座（11），所述移动底座（11）上设置有伸缩杆（12），所述伸缩杆（12）顶部设置有能够自动调节照射方向的旋转灯架（13），所述旋转灯架（13）上设置有多个补光灯（131），所述补光灯（131）设置有执行模块；所述旋转灯架（13）上还设置有第一距离传感器，用于检测所述补光灯（131）和植物表面之间的距离；
所述光照强度检测装置（2）包括线性运动模组（21），所述线性运动模组（21）底部设置有可拆底座（22）；所述线性运动模组（21）包括滑台（211），所述滑台（211）上设置有支架（212），所述支架（212）朝向所述可拆底座（22）的一侧设置有第二距离传感器（213），所述支架（212）背离所述可拆底座（22）的一侧设置有光量子传感器（214）；
所述控制系统包括补光数据库、调节模块和交互界面，所述调节模块和补光数据库、交互界面信号连接；
所述补光装置（1）、光照强度检测装置（2）和控制系统均设置有通讯模块。
2.根据权利要求1所述的一种智能调节植物补光系统，其特征在于：所述光量子传感器（214）的检测波长范围包括610~720nm的红橙光、400~510nm的蓝紫光、720~1100nm的红外光和280~400nm的紫外光。
3.根据权利要求1所述的一种智能调节植物补光系统，其特征在于：所述旋转灯架（13）包括中空的支撑件（132），所述支撑件（132）转动连接有旋转主轴（133），所述支撑件（132）内设置有能带动所述旋转主轴（133）沿自身轴向方向转动的第一动力装置；所述旋转主轴（133）上设置有多个灯具外壳（134），所述灯具外壳（134）内设置有所述补光灯（131）。
4.根据权利要求3所述的一种智能调节植物补光系统，其特征在于：所述补光灯（131）两侧设置有限位块（1311），所述灯具外壳（134）底部设置有第一滑槽（1341），所述补光灯（131）通过所述限位块（1311）卡在所述第一滑槽（1341）内；所述第一滑槽（1341）朝向所述旋转主轴（133）的一端设置有第一压缩弹簧（1342）；所述限位块（1311）侧壁上设置有安装槽（1312），所述安装槽（1312）内通过第二压缩弹簧连接有楔形卡子（1313），所述第一滑槽（1341）设置有用于卡住所述卡子（1313）的卡槽（1343），所述卡槽（1343）内设置有按销（1344）。
5.根据权利要求4所述的一种智能调节植物补光系统，其特征在于：所述第一滑槽（1341）朝向所述旋转主轴（133）的一端还设置有电接口，所述补光灯（131）一端设置有电接头（1314），所述电接头（1314）能卡在所述电接口内使补光灯通电。
6.根据权利要求3所述的一种智能调节植物补光系统，其特征在于：所述灯具外壳（134）朝向所述旋转主轴（133）的一端设置有套管（1345），所述套管（1345）套接在所述旋转主轴（133）上；所述套管（1345）上还设置有紧固卡槽，所述紧固卡槽螺纹连接有紧固件（1346）。
7.根据权利要求6所述的一种智能调节植物补光系统，其特征在于：所述灯具外壳（134）朝向所述旋转主轴（133）一端的两侧均设置有通电接口（1347）。
8.根据权利要求1所述的一种智能调节植物补光系统，其特征在于：所述线性运动模组（21）包括底板（215）、丝杆（216）和能带动所述丝杆（216）转动的第二动力装置（217），所述滑台（211）和所述丝杆（216）螺纹连接；所述底板（215）上设置有第二滑槽，所述滑台（211）朝向所述底板（2）的一侧设置有导向块，所述导向块和第二滑槽滑动连接。
9.根据权利要求1所述的一种智能调节植物补光系统，其特征在于：所述可拆底座（22）上设置有插销（221）或者夹具（222），所述夹具（222）为G字夹或手虎夹。
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