CN111954349A - 基于光合有效值传感器的光照控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光合有效值传感器的光照控制系统，包括：传感器模块，控制中心，用于接收并根据所述光合有效辐射值生成并发送灯具控制信号；灯具，接收并根据所述灯具控制信号进行光照。传感器模块包括：可见光感光单元，用于将采集到的波长范围为400nm‑700nm的光转换为电信号；微控制单元，与所述可见光感光单元连接，用于根据所述电信号计算得到光合有效辐射值；无线传输单元，与所述微控制单元连接，用于将所述光合有效辐射值进行无线传输。通过感测植物光合反应所需的光波长400nm‑700nm范围内的光合有效辐射值对灯具进行光照控制，实现了植物生长所需光照条件的闭环控制，能够提供植物生长真正所需的光照条件。
Description
技术领域
本发明涉及传感器控制领域，特别是涉及一种基于光合有效值传感器的光照控制系统。
背景技术
目前，国内关于经济作物的种植方法在技术和规模方面与国外的发达国家还是有一定的差距。大棚或房间种植一些经济作物如花卉等药用植物，过度的光照可能会导致植物过曝死，而缺乏光照又会导致光合作用强度不够从而枯萎或失去药效，所以设施光照调控已经成为制约国内农业设施快速发展的重要因素。
针对光照调控设施，目前市面上常用的做法采用光谱分析仪对灯具在样品阶段进行灯具的光谱分析，然后销售灯具，后期在使用时，安装灯具后直接使用。这样植物在植物的生长周期中，过度的光照有可能造成植物过暴死，或者缺乏光照导致光合作用强度不够从而枯萎或失去药效。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提供合适的光照强度的基于光合有效值传感器的光照控制系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光合有效值传感器的光照控制系统，包括：
传感器模块，包括：
可见光感光单元，用于将采集到的波长范围为400nm-700nm的光转换为电信号；
微控制单元，与所述可见光感光单元连接，用于根据所述电信号计算得到光合有效辐射值；
无线传输单元，与所述微控制单元连接，用于将所述光合有效辐射值进行无线传输；
控制中心，用于接收并根据所述光合有效辐射值生成并发送灯具控制信号；
灯具，用于接收并根据所述灯具控制信号进行光照。
在其中一个实施例中，所述传感器模块还包括与所述可见光感光单元和微控制单元连接的信号放大与调理电路，用于将所述电信号进行放大处理后发送给微控制单元，所述微控制单元根据放大处理后的电信号计算得到所述光合有效辐射值。
在其中一个实施例中，所述可见光感光单元是硅光电子探头。
在其中一个实施例中，所述硅光电子探头包括硅光片；
所述微控制单元用于通过所述硅光片的单位面积上单位时间内的光合光子通量计算得到光合光子通量密度。
在其中一个实施例中，所述微控制单元是将所述放大处理后的电信号进行模数转换后计算得到所述光合有效辐射值。
在其中一个实施例中，所述传感器模块为片上系统。
在其中一个实施例中，所述传感器模块还包括能量提供装置，所述能量提供装置包括太阳能电池和超级电容，通过太阳能电池和超级电容的储能结构给所述无线光合有效值传感器提供电量。
在其中一个实施例中，所述传感器模块还包括空中下载单元，用于对传感器模块进行软件更新。
在其中一个实施例中，所述控制中心用于将预设值与所述光合有效辐射值进行大小比较，根据比较结果生成并发送灯具控制信号。
在其中一个实施例中，所述控制中心用于在预设时长未接收到所述光合有效辐射值时，将未接收到期间的光合有效辐射值视为0，生成并发送所述灯具控制信号。
上述基于光合有效值传感器的光照控制系统，通过感测光合作用、色素合成、光周期现象、趋光性和光形态诱变这五种植物光合反应所需的光波长400nm-700nm范围内的光合有效辐射值对灯具进行光照控制，实现了植物生长所需光照条件的闭环控制，能够提供植物生长真正所需的光照条件。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例的基于光合有效值传感器的光照控制系统的结构示意图；
图2为一实施例的光合有效值传感器结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
目前，国内关于经济作物的种植方法在技术和规模方面与国外的发达国家还是有一定的差距。大棚或房间种植一些经济作物如花卉等药用植物，过度的光照可能会导致植物过曝死，而缺乏光照又会导致光合作用强度不够从而枯萎或失去药效，所以设施光照调控已经成为制约国内农业设施快速发展的重要因素。
针对光照调控设施，目前市面上常用的做法采用光谱分析仪对灯具在样品阶段进行灯具的光谱分析，然后销售灯具，后期在使用时，安装灯具后直接使用。这样植物在植物的生长周期中，过度的光照有可能造成植物过暴死，或者缺乏光照导致光合作用强度不够从而枯萎或失去药效，即灯具给予的光照条件与自身所需达不到闭环，光利用率低，生长效率不高。
据此，本发明提供了一种基于光合有效值传感器的光照控制系统，包括：
传感器模块，包括：
可见光感光单元，用于将采集到的波长范围为400nm-700nm的光转换为电信号；
微控制单元，与所述可见光感光单元连接，用于根据所述电信号计算得到光合有效辐射值；
无线传输单元，与所述微控制单元连接，用于将所述光合有效辐射(photosynthetically active radiation，PAR)值进行无线传输；
控制中心，用于接收并根据所述光合有效辐射值生成并发送灯具控制信号；
灯具，接收并根据所述灯具控制信号进行光照。
图1是本发明一实施例中基于光合有效值传感器的光照控制系统的结构示意图。基于光合有效值传感器的光照控制系统包括：传感器模块100、控制中心200、灯具300。
传感器模块100包括可见光感光单元101、微控制单元(MCU)102、无线传输单元103。
光合作用、色素合成、光周期现象、趋光性和光形态诱变这五种植物光合反应所需的光集中在光波长400nm-700nm范围内，可见光感光单元101可以精确测量来自灯具300和太阳光301的光波长在400nm-700nm范围内的光合光子通量(Photosynthetic PhotonFlux，PPF)，进而将其转化成电压信号。光合光子通量是指波长在400nm-700nm波段内，人造光源和太阳光每秒辐射出的光子的微摩尔量。在一实施例中，所述可见光感光单元为硅光电子探头。
微控制单元(MCU)102与所述可见光感光单元101连接，根据可见光感光单元的电压信号计算得到光和有效辐射值(PAR)。植物用于光合作用的特定波长范围(400-700nm)的辐射称作光合有效辐射，标注单位有两种：一是用光合辐照度表示(w/m2)，主要用于太阳光的光合作用的广义研究；二是用光合光子通量密度PPFD表示(umol/m2s)，主要用于人造光源和太阳光对植物光合作用的研究。本发明主要是研究人造光源和太阳光与植物光合作用。
在一实施例中，所述硅光电子探头包括硅光片；所述微控制单元102用于通过所述硅光片的单位面积上单位时间内的光量子通量计算得到光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)。光合光子通量密度(PPFD)可以用来表示光量子的数量与光合作用之间的相互关系。
无线传输单元103与所述微控制单元(MCU)102连接，传输微控制单元(MCU)102计算得到的光合光子通量密度(PPFD)即光合有效辐射值。
控制中心200用于接收无线传输单元103发送的光和有效辐射值信息，并根据所述光合有效辐射值生成并发送灯具控制信号。
灯具300接收并根据所述灯具控制信号进行调整预设的光照条件。
在其中一个实施例中，所述控制中心200用于将预设值与所述光合有效辐射值进行大小比较，根据比较结果生成并发送灯具控制信号。在其中一个实施例中，可以设置一段时长内PAR预设值，如果在该时长内无线传输单元103传输的PAR值小于该PAR预设值，则控制中心200发送控制灯具300进行照明的灯具控制信号，否则发送控制灯具300熄灭的灯具控制信号。在其中一个实施例中，灯具300为可以进行调光的灯具，控制中心200设置多个档位的PAR预设值，根据传感器模块100感测到的PAR值档位控制灯具300的照度。
通过可见光感光单元将400nm-700nm波长范围内的光转换为电信号，微控制单元将电信号计算得到光合有效辐射值，并通过无线传输单元发送给控制中心，通过控制中心进行控制灯具调整光照条件，整个形成一个闭环控制系统，能够提供植物生长真正所需的光照条件，且提高光利用率，实现真正高效生产控制。
在一实施例中，所述传感器模块100为片上系统(System on Chip，SOC),由多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统及其承载的嵌入式软件。
图2展示了一实施例中光合有效值传感器结构示意图。
传感器模块包括能量提供装置106、可见光感光单元101、信号放大与调理电路104、微控制单元(MCU)102、无线传输单元103、空中下载单元105。
光合作用、色素合成、光周期现象、趋光性和光形态诱变这五种植物光合反应所需的光集中在光波长400nm-700nm范围内，可见光感光单元101可以精确测量来自灯具300和太阳光301的光波长在400nm-700nm范围内的光合光子通量(PPF)，进而将其转化成电压信号。光合光子通量是指波长在400nm-700nm波段内，人造光源和太阳光每秒辐射出的光子的微摩尔量。在一实施例中，所述可见光感光单元101为硅光电子探头。
微控制单元(MCU)102与所述可见光感光单元101连接，根据可见光感光单元的电压信号计算得到光和有效辐射值(PAR)。植物用于光合作用的特定波长范围(400-700nm)的辐射称作光合有效辐射，标注单位有两种：一是用光合辐照度表示(w/m2)，主要用于太阳光的光合作用的广义研究；二是用光合光子通量密度PPFD表示(umol/m2s)，主要用于人造光源和太阳光对植物光合作用的研究。本发明主要是研究人造光源和太阳光与植物光合作用。
在一实施例中，所述硅光电子探头包括硅光片；所述微控制单元102用于通过所述硅光片的单位面积上单位时间内的光量子通量计算得到光合光子通量密度(PPFD)。光合光子通量密度(PPFD)可以用来表示光量子的数量与光合作用之间的相互关系。
在一实施例中，所述传感器模块还包括与所述可见光感光单元101和微控制单元102连接的信号放大与调理电路104，用于将所述电信号进行放大处理后发送给微控制单元102，所述微控制单元102根据放大处理后的电信号计算得到所述光合有效辐射值。
所述微控制单元102是将所述放大处理后的电信号进行模数转换后计算得到所述光合有效辐射值。在一实施例中，通过轨到轨运放小信号放大到微控制单元24bitADC采样计算出光合有效辐射值。
无线传输单元103与所述微控制单元102(MCU)连接，传输微控制单元102(MCU)计算得到的光合光子通量密度(PPFD)即光合有效辐射值。
在实施例中，所述传感器模块还包括空中下载单元105，利用空中升级技术(OTA)，可以对传感器模块进行软件更新以及BUG修复。
在一实施例中，所述传感器模块还包括能量提供装置106，所述能量提供装置106包括太阳能电池和超级电容，通过太阳能电池和超级电容的储能结构给所述可见光感光单元101、信号放大与调理电路104、微控制单元102(MCU)、无线传输单元103、空中下载单元105提供电量。太阳光与灯具的光可以实时充电，有光就有电，没有光传感器模块不工作，实现了光利用率最大化，且降低了功耗。
在其中一个实施例中，控制中心200用于在预设时长未接收到无线传输单元103传输的光合有效辐射值时，将未接收到无线传输单元103传输的光合有效辐射值期间的光合有效辐射值视为0，生成并发送所述灯具控制信号。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对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 (10)
1.一种基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，包括：
传感器模块，包括：
可见光感光单元，用于将采集到的波长范围为400nm-700nm的光转换为电信号；
微控制单元，与所述可见光感光单元连接，用于根据所述电信号计算得到光合有效辐射值；
无线传输单元，与所述微控制单元连接，用于将所述光合有效辐射值进行无线传输；
控制中心，用于接收并根据所述光合有效辐射值生成并发送灯具控制信号；
灯具，用于接收并根据所述灯具控制信号进行光照。
2.根据权利要求1所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述传感器模块还包括与所述可见光感光单元和微控制单元连接的信号放大与调理电路，用于将所述电信号进行放大处理后发送给微控制单元，所述微控制单元根据放大处理后的电信号计算得到所述光合有效辐射值。
3.根据权利要求2所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述可见光感光单元是硅光电子探头。
4.根据权利要求3所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述硅光电子探头包括硅光片；
所述微控制单元用于通过所述硅光片的单位面积上单位时间内的光合光子通量计算得到光合光子通量密度。
5.根据权利要求4所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述微控制单元是将所述放大处理后的电信号进行模数转换后计算得到所述光合有效辐射值。
6.根据权利要求1所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述传感器模块为片上系统。
7.根据权利要求1所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述传感器模块还包括能量提供装置，所述能量提供装置包括太阳能电池和超级电容，通过太阳能电池和超级电容的储能结构给所述无线光合有效值传感器提供电量。
8.根据权利要求1所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述传感器模块还包括空中下载单元，用于对传感器模块进行软件更新。
9.根据权利要求1所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述控制中心用于将预设值与所述光合有效辐射值进行大小比较，根据比较结果生成并发送灯具控制信号。
10.根据权利要求7所述的基于光合有效值传感器的光照控制系统，其特征在于，所述控制中心用于在预设时长未接收到所述光合有效辐射值时，将未接收到期间的光合有效辐射值视为0，生成并发送所述灯具控制信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201117 |