CN111683440A - 植物工厂炼苗用led光环境控制系统及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物工厂炼苗用LED光环境控制系统及生产方法，该系统包括光源、控制器、传感器和光源驱动装置；光源，放置在植物工厂内植物种苗上方，用于对种苗进行照射，其中，光源为可见光、近紫外光和远红光的组合发光体；光源驱动装置，用于接收控制信号控制所述组合发光体的输出状态和强度；传感器，用于对植物工厂内部及外部光照环境进行探测；控制器，用于根据传感器探测数据，通过控制所述光源驱动装置驱动所述光源对植物种苗进行动态照射。

Description

植物工厂炼苗用LED光环境控制系统及生产方法

技术领域

本发明是关于一种植物工厂炼苗用LED光环境控制系统及生产方法，涉及植物工厂技术领域。

背景技术

设施工厂化育苗是在人工创造的舒适条件下进行批量生产种苗的繁育方式，是现代设施园艺产业的重要组成部分。在此环境下种苗通常缺乏逆境锻炼，由于未经逆境锻炼的种苗抗性较差，适应能力弱，当其移植于露地或简易设施条件下栽培时，需很长时间适应新环境，光合性能及植物正常生长必然受到制约，从而影响种苗活力及后续产量形成。当前，在温室等保护地育苗情况下，通常采取放风、降温、适当控水等措施对幼苗强行锻炼，使其定植后能够迅速适应陆地的逆境条件，缩短缓苗时间，增强其抵抗能力。植物工厂是公认的农业发展最高级阶段，被认为是未来解决人口、资源和环境问题的一个有效技术手段。植物工厂育苗是植物工厂产业的重要组成部分，也是设施工厂化育苗的未来发展趋势。然而，当前植物工厂育苗炼苗技术还很缺乏。

自然界中，由于太阳高度角持续变化、植物冠层相互遮阴及云层移动等多因素影响，光的动态变化无处不在。植物不仅需要对光强的瞬间变化做出快速地响应，而且需要在强弱光转换期间及时地耗散掉无法利用的光能，避免对光合机构产生损伤。因此，当在植物工厂稳定的光环境下培育的幼苗移植于露地或温室条件下栽培必然要应对及适应动态光环境与强光胁迫；与此同时，幼苗还需应对诸如高、低温，干旱等逆境。研究证实，健全的光破坏防御能力是植物抵御动态光环境下高光胁迫的必要保障，尤其是在逆境条件下维持光合机构有效运转的必要策略。因此，在幼苗定植前通过在植物工厂人为创造动态光环境来诱导其光破坏防御能力形成，从而提升幼苗移植后对自然界动态光环境的适应能力，是植物工厂育苗炼苗应考虑的重要方面。目前，植物工厂光环境均为稳态的弱光环境，远达不到炼苗的目的。

LED具有光谱和光强可调等优势，被认为是植物工厂最为理想的人工光源。虽然结合智能控制技术实现LED光强动态变化犹如探囊取物，但是将LED动态光环境应用于植物工厂炼苗生产还尚未涉及。当前，LED已广泛应用于工厂化植物生产，其中以红蓝光谱为主，因为植物在红蓝波段的光合效率最高。但是，植物从自然界中进化而来，除了直接为植物光合作用提供能量的红蓝光外，植物正常的生长也需要通过光受体感知其他波段的光信号来影响其生命过程。因此，植物工厂炼苗用光环境除了考虑光强动态变化外，还需考虑其光谱应尽可能接近太阳光谱，从而达到种苗移植后快速适应自然光环境的能力。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种植物工厂炼苗用LED光环境控制系统及生产方法，能够为植物工厂提供动态光环境，以模拟自然界光强波动，诱导种苗叶片提早形成光破坏防御机制。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，该系统包括光源、控制器、传感器和光源驱动装置；

光源，放置在植物工厂内植物种苗上方，用于对种苗进行照射，其中，光源为可见光、近紫外光和远红光的组合发光体；

光源驱动装置，用于接收控制信号控制所述组合发光体的输出状态和强度；

传感器，用于对植物工厂内部和/或外部光照环境进行探测；

控制器，用于根据传感器探测数据，通过控制所述光源驱动装置驱动所述光源对植物种苗进行动态照射。

优选地，所述控制器包括处理器、通信单元和用户接口；

所述处理器，用于根据所述传感器探测的光合有效辐射强度，通过所述通信单元发送控制命令到所述光源驱动装置，进而驱动所述光源对植物工厂内的育苗进行照射；

所述用户接口，用于输入设定光照参数供所述处理器进行执行。

优选地，所述处理器动态控制光源对植物种苗进行照射，还包括：在可见光动态变化过程中，当光合有效辐射强度高于设定值时，近紫外光开启，以模拟自然界晴天光环境，反之则关闭；当光合有效辐射强度低于设定值时，远红光开启，以模拟自然界阴天光环境，反之则关闭。

优选地，所述传感器包括设置在植物工厂室内可见光传感器和设置在植物工厂外部的室外可见光传感器，其中，所述室内可见光传感器可以设置在所述光源下方，用于探测种植区域内的光合有效辐射强度，所述室外可见光传感器用于测量室外的光合有效辐射强度。

优选地，所述处理器动态控制光源对植物工厂内的育苗进行照射，还包括：

所述处理器根据由用户上传的“时间-强度”命令指定光强波动，控制器根据设定命令控制光强动态变化；

或者所述处理器由所述用户接口输入光强动态变化阈值范围、光周期、日累积可见光光强，根据设定数据对光强动态变化进行实时调节，调节过程中通过室内传感器实时测定光强并反馈，用于动态调节光强变化；

或者所述处理器根据室外传感器进行光强动态变化来调节。

优选地，所述控制器还包括显示单元，所述显示单元用于显示当前系统及各组光源的状态、正在进行中的光照波动方案，以及系统运行过程中生成的操作记录和日志信息。

优选地，所述组合发光体采用在光合有效辐射400-700nm范围内接近标准太阳光谱的可见光、中心波长365nm+/-10nm的近紫外光以及中心波长735nm+/-10nm远红光，所述组合发光体各波长的光源在种植区域内均匀布置，使得各波长的电磁波能均匀分布到种植区域各处。

优选地，所述光源下方安装可拆卸的柔光罩、散射膜或散射玻璃，其中，透光率>90％，散射率>50％。

第二方面，本发明提供基于本发明第一方面所述植物工厂炼苗用LED光环境控制系统的植物种苗炼苗生产方法，包括以下内容：

控制器获取传感器的数据，根据预设条件控制光源在光照期内光强实现无规律动态变化，其中，光强动态变化采用以下方式中一种或多种：

方式一：光强波动程序可由用户上传的“时间-强度”命令，控制器根据设定命令控制光强动态变化；

方式二：由用户接口输入光强动态变化阈值范围、光周期和日累积可见光光强，控制器则根据设定数据对光强动态变化进行实时调节，调节过程中通过光源下方设置室内传感器实时测定光强并反馈给控制器用于调节光强动态变化命令；

方式三：控制器根据室外传感器进行光强动态变化调节。

进一步地，在可见光动态变化过程中，当可见光光强高于设定值时近紫外光开启，以模拟自然界晴天光环境，反之则关闭；当可见光光强低于设定值时远红光开启，以模拟自然界阴天光环境，反之则关闭。

进一步地，在可见光动态变化过程中，当可见光光强高于设定值时近紫外光开启，以模拟自然界晴天光环境，反之则关闭；当可见光光强低于设定值时远红光开启，以模拟自然界阴天光环境，反之则关闭。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、和植物工厂种苗生产中常用的稳态光相比，基于本发明的动态光控制系统，使得动态光照在植物工厂中的实施成为可能，其中包括动态变化的瞬时光照强度和日累积光照强度，有效提升种苗的产量或者育苗/炼苗的品质；

2、基于本发明的动态光育苗方法，可在不对幼苗光合作用系统造成永久性破坏的情况下对其实现高光胁迫，提升其光保护能力；同时还能够提升幼苗对室外环境的适应性，缩短定植之后的缓苗时间；

3、结合植物工厂中对于光照系统光谱、光照强度、光周期和其他环境因素的调节，可以使幼苗在生理学、光形态建成等方面达到甚至超越室外自然光育苗/炼苗的效果，从而提升种苗品质，降低种苗转运过程中的损耗，提高种苗移栽成活率，间接实现农业增产增收；

综上，本发明可以广泛应用于植物工厂种苗培育中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例1的光环境控制系统结构示意图；

图2是本发明实施例1的光谱图，其中，(a)为可见光光谱图，(b)为UVA光谱图，(c)为Far-red光谱图；

图3是本发明实施例2的光强动态变化图，其中，(a)、(b)和(c)为三种随机PAR日动态变化模式示例，其日累积可见光(DLI)均为11.5molm^-2。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，包括光源1、传感器2、控制器3和光源驱动装置。

光源1，用于放置在植物工厂内植物种苗上方，用于对种苗进行照射，其中，光源1包括可见光(PAR)、近紫外光(UVA)和远红光(Far-red)的组合发光体；

光源驱动装置，用于接收外部控制信号控制组合发光体的输出状态和强度。

传感器2，用于对植物工厂内部及外部环境进行探测。

控制器3，包括处理器31、通信单元32、用户接口33和显示单元34，其中：

处理器31用于获取传感器2探测的数据进行处理，并通过通信单元32发送控制命令到光源驱动装置进而驱动光源1对植物工厂内的育苗进行照射。

用户接口33用于输入设定参数供处理器进行执行，用户接口33可以直接接受用户对系统的控制指令(例如直接设定某一组或几组光源的当前强度)，也可以接受预先配置好的，以二进制文件形式保存的，可以被处理器31读取并自动化地执行的光波动方案。

显示单元34用于显示当前系统及各组光源的状态、正在进行中的光照波动方案，以及系统运行过程中生成的操作记录和日志信息。

本发明的一些实施例中，通信单元32将处理器31发出的命令，通过转换以模拟信号(电压、电流)或者数字信号的形式，通过工业现场总线送达光源驱动装置。

本发明的一些实施例中，如图2所示，光源1可以采用在400-700nm(光合有效辐射)范围内接近ASTM G173-03(2012)标准太阳光谱的可见光(例如首尔半导体的SunlikeLED)、近紫外光(中心波长365nm+/-10nm)和远红光(中心波长735nm+/-10nm)的组合发光体，组合发光体各波长的光源在种植区域内均匀布置，使得各波长的电磁波能均匀分布到种植区域各处，以保证该种植区域内各处光谱的均一性。该组合发光体可以是基于LED、OLED、激光或者其他使用广光谱发光体(例如气体放电灯)和滤光片的组合体，在此不做限制。

本发明的一些实施例中，光源驱动装置通过接受处理器31经由通信单元32发送过来的命令，来改变一组或者几组光源的输出。对于LED和OLED等半导体光源，其具体实现方法可以为以下类型中的一种或者几种的组合：

1)通过接收模拟或者数字信号来改变输出电流大小的恒流驱动装置；

2)通过接收模拟或者数字信号，改变输出脉冲占空比的恒压PWM驱动装置。

本发明的一些实施例中，为避免高光强下光源直射光灼伤育苗的植物组织，本实施例在光源1下方5-10cm处安装可拆卸的柔光罩、散射膜或散射玻璃，其中，透光率>90％，散射率>50％。

本发明的一些实施例中，传感器2包括设置在植物工厂室内PAR传感器(例如可以是LICOR LI-190R)和设置在植物工厂外部的室外PAR传感器，其中，室内PAR传感器可以设置在光源1下方大约20cm处，用于探测种植区域内的光合有效辐射强度，室外PAR传感器用于测量室外的光合有效辐射强度。

本发明的一些实施例中，处理器31动态控制光源1对植物工厂内的育苗进行照射，还包括：在PAR动态变化过程中，当光合有效辐射强度高于设定值例如800μmol m^-2s^-1时UVA开启，以模拟自然界晴天光环境，反之则关闭；当光合有效辐射强度低于设定值例如500μmol m^-2s^-1时Far-red开启，以模拟自然界阴天光环境，反之则关闭。

本发明的一些实施例中，处理器31动态控制光源对植物工厂内的育苗进行照射，还包括：处理器31根据由用户上传的“时间-强度”命令指定光强波动，控制器根据设定命令控制光强动态变化。

本发明的一些实施例中，处理器31动态控制光源对植物工厂内的育苗进行照射，还包括：处理器31由用户接口输入光强动态变化阈值范围(例如100-1400μmol m^-2s^-1)、光周期、日累积可见光光强(DLI，daily light integral)等设定数据，根据设定数据对光强动态变化进行实时调节，调节过程中可以通过光源下方设置室内PAR传感器实时测定光强并反馈，用于动态调节光强变化。

本发明的一些实施例中，处理器31动态控制光源1对植物工厂内的育苗进行照射，还包括：处理器31可以根据室外PAR传感器进行光强动态变化来调节，动态光强指令受室外前一时间段(例如2min,5min,10min)平均PAR光强控制，当室外PAR高于1500μmol m^-2s^-1时，室内光强默认为1500μmol m^-2s^-1。

实施例2

基于实施例1的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，本实施例提供的植物种苗炼苗生产方法，包括以下内容：

S1、植物工厂所育种苗移植前5-7天进行动态光处理进行炼苗。

S2、控制器3获取PAR传感器的数据，并根据预设条件控制光源1在光照期内光强变化以秒为单位实现无规律动态变化，例如光源1下方种苗冠层处可见光光强可在10-1500μmol m^-2s^-1范围内动态变化。

进一步地，光源1的可见光以类太阳光谱LED光源为主，辅以50μmol m^-2s^-1近紫外光(365nm UVA)和50μmol m^-2s^-1远红光(Far-red 735nm)。例如，在PAR动态变化过程中，当PAR光强高于800μmol m^-2s^-1时UVA开启，以模拟自然界晴天光环境，反之则关闭；当PAR光强低于500μmol m^-2s^-1时Far-red开启，以模拟自然界阴天光环境，反之则关闭。

进一步地，光强动态变化的实现方式还可以采用以下方式：

方式一：光强波动程序可由用户上传的“时间-强度”命令指定，处理器31根据设定命令控制光强动态变化；

方式二：由用户接口33输入光强动态变化阈值范围(例如100-1400μmol m^-2s^-1)、光周期、日累积可见光光强(DLI，daily light integral)等，处理器31则根据设定数据对光强动态变化进行实时调节，调节过程中可以通过光源下方设置PAR传感器实时测定光强并反馈给处理器31用于调节光强动态变化命令；

方式三：处理器31可以根据室外安装PAR传感器进行光强动态变化提调节，动态光强指令受室外前一时间段(例如2min,5min,10min)平均PAR光强控制，当室外PAR高于1500μmol m^-2s^-1时，室内光强默认为1500μmol m^-2s^-1。

如果采用光强动态变化实现方式一或二，炼苗期内光周期保持一致，日累积可见光(DLI，daily light integral)可以育苗期DLI10％-15％的增幅逐日增加，逐步实现高光胁迫的目的，提升其光保护能力，达到炼苗效果(DLI增幅过低达不到炼苗效果，过高会导致难以修复的光破坏)。如图3所示，例如：育苗期稳态光强为200μmol m^-2s^-1，光周期为16小时，则DLI为11.5mol m^-2；据此，以育苗期DLI10％的增幅逐日增加，则炼苗期内每日增加DLI1.15mol m^-2，炼苗期第7天的DLI为19.6mol m^-2。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，其特征在于，该系统包括光源、控制器、传感器和光源驱动装置；

光源，放置在植物工厂内植物种苗上方，用于对种苗进行照射，其中，光源为可见光、近紫外光和远红光的组合发光体；

光源驱动装置，用于接收控制信号控制所述组合发光体的输出状态和强度；

传感器，用于对植物工厂内部和/或外部光照环境进行探测；

控制器，用于根据传感器探测数据，通过控制所述光源驱动装置驱动所述光源对植物种苗进行动态照射。

2.根据权利要求1所述的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，其特征在于，控制器包括处理器、通信单元和用户接口；

所述处理器，用于根据所述传感器探测的光合有效辐射强度，通过所述通信单元发送控制命令到所述光源驱动装置，进而驱动所述光源对植物工厂内的育苗进行照射；

所述用户接口，用于输入设定光照参数供所述处理器进行执行。

3.根据权利要求2所述的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，其特征在于，所述处理器动态控制光源对植物种苗进行照射，还包括：在可见光动态变化过程中，当光合有效辐射强度高于设定值时，近紫外光开启，以模拟自然界晴天光环境，反之则关闭；当光合有效辐射强度低于设定值时，远红光开启，以模拟自然界阴天光环境，反之则关闭。

4.根据权利要求1所述的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，其特征在于，所述传感器包括设置在植物工厂室内可见光传感器和设置在植物工厂外部的室外可见光传感器，其中，所述室内可见光传感器可以设置在所述光源下方，用于探测种植区域内的光合有效辐射强度，所述室外可见光传感器用于测量室外的光合有效辐射强度。

5.根据权利要求4所述的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，其特征在于，所述处理器动态控制光源对植物工厂内的育苗进行照射，还包括：

所述处理器根据由用户上传的“时间-强度”命令指定光强波动，控制器根据设定命令控制光强动态变化；

或者所述处理器由所述用户接口输入光强动态变化阈值范围、光周期、日累积可见光光强，根据设定数据对光强动态变化进行实时调节，调节过程中通过室内传感器实时测定光强并反馈，用于动态调节光强变化；

或者所述处理器根据室外传感器进行光强动态变化来调节。

6.根据权利要求2到5任一项所述的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，其特征在于，所述控制器还包括显示单元，所述显示单元用于显示当前系统及各组光源的状态、正在进行中的光照波动方案，以及系统运行过程中生成的操作记录和日志信息。

7.根据权利要求1到5任一项所述的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，其特征在于，所述组合发光体采用在光合有效辐射400-700nm范围内接近标准太阳光谱的可见光、中心波长365nm+/-10nm的近紫外光以及中心波长735nm+/-10nm远红光，所述组合发光体各波长的光源在种植区域内均匀布置，使得各波长的电磁波能均匀分布到种植区域各处。

8.根据权利要求1到5任一项所述的植物工厂炼苗用LED光环境控制系统，其特征在于，所述光源下方安装可拆卸的柔光罩、散射膜或散射玻璃，其中，透光率>90％，散射率>50％。

9.基于权利要求2到8任一项所述植物工厂炼苗用LED光环境控制系统的植物种苗炼苗生产方法，其特征在于包括以下内容：

控制器获取传感器的数据，根据预设条件控制光源在光照期内光强实现无规律动态变化，其中，光强动态变化采用以下方式中一种或多种：

方式一：光强波动程序可由用户上传的“时间-强度”命令，控制器根据设定命令控制光强动态变化；

方式二：由用户接口输入光强动态变化阈值范围、光周期和日累积可见光光强，控制器则根据设定数据对光强动态变化进行实时调节，调节过程中通过光源下方设置室内传感器实时测定光强并反馈给控制器用于调节光强动态变化命令；

方式三：控制器根据室外传感器进行光强动态变化调节。

10.根据权利要求9所述的植物工厂种苗炼苗生产方法，其特征在于，在可见光动态变化过程中，当可见光光强高于设定值时近紫外光开启，以模拟自然界晴天光环境，反之则关闭；当可见光光强低于设定值时远红光开启，以模拟自然界阴天光环境，反之则关闭。

Images