CN111999039A - 一种led植物生长灯具的光配方综合检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于农业栽培技术领域的一种LED植物生长灯具的光配方综合检测方法与系统：检测系统是将集装箱壳体分隔为检测室、栽培室和设备间；在检测室内布置光照均匀度检测装置、PC机和光谱测量仪；在栽培室内安装光照立体栽培架；设备间为栽培室配套自动化环控设备。LED植物生长灯的光配方检测方法包括分光光谱测量、光照均匀度检测、植物栽培效果测试。栽培室的光照立体栽培架每层安装LED植物生长灯具，自动控制光照周期、温湿度、及营养液灌溉等，通过植物栽培试验评价LED植物生长灯具的能效指标。该检测系统将为LED植物生长灯具的光配方开发提供定量化评估优劣的技术参数。

Description

一种LED植物生长灯具的光配方综合检测方法与系统

技术领域

本发明农业栽培技术领域，特别涉及一种LED植物生长灯具的光配方综合检测方法与系统。

背景技术

近年来，LED植物生长灯具被逐渐广泛应用于设施农业生产，农用人工光源使得设施农业摆脱了对太阳光的完全依赖，实现了补光型设施生产和完全人工光植物生产，也实现了设施园艺生产全过程的光环境智能化管控。不同植物种类、不同品种不仅在各生育期表现出形态方面的巨大差异，且在各生长阶段对光环境的需求也大不相同。为此，研发基于植物种类的适宜光环境参数(即光配方)，确定适宜的系统调控模式是促进设施作物生产的有效途径。光配方包含光谱特性、安装方法(灯具位置和数量，直接影响光照强度、光强均匀度)和光照周期三方面指标。LED植物生长灯光配方数据库的建立还没有一套成熟的体系，原因在于LED植物生长灯具对农业各细分市场中技术要求和评价方法也各不相同。科学家已经证明：紫外线(UVA:315-400nm和UVB:280-315nm)和可见光(如，红光:600-700nm或蓝光:400-500nm)可以控制某些植物、病原体和昆虫种群，远红外光(700-800nm)直接影响植物的光周期效应或光形态建成，对植物开花和种子发芽有明显作用。针对用户的生产需求，LED植物生长灯具通过搭配各种颜色灯珠的数量和功率形成种类繁多的产品技术方案，结合用户需求再配置合适的安装方法和光照周期成为一个光配方推向市场，但光配方是否有效还需要经过测试，建立指标与应用效果的关系模型。为此，光谱测量、光照均匀度检测、应用模拟环境测试共同构成一个LED植物生长灯的测试模型，所有这些过程均可在一个实验室或集装箱内完成。

新的灯具送样时，一次性需要送测多支，根据用户需求，栽培室一次性可以安装32-960套灯具。

在测试之前用标准光源对仪器进行校准，逐个校准光谱测量仪和光照均匀度检测仪，两个仪器可分别校准。

然后抽取部分灯具进行光谱测量，将灯放入积分球中，根据灯具的需求供给直流电(0-60VDC)或者交流电(220VAC)，待灯具稳定后启动测量程序，多支灯连续测量一组数据后停止，人工从数据中选取有代表性的数据作为灯具的光谱数据，并打印报告。

第三步将灯具安装在光照均匀度检测仪的架子上，按照应用模拟环境的要求排列一组灯具，并输入冠层高度数据或文件、步进间距，一切准备完毕后启动测量程序，待测量过程完成后，程序会生成光强分布图文件并计算出各项指标数据，如果光强分布图与预期数值差距较大，这时需要调整灯具布局方案后再次测量，反复进行，直到光强分布符合预期后停止，并打印报告。

第四步是应用模拟环境测试，根据第三步的灯具布局安装灯具，然后开始测试，这一步方案灵活多变，因此没有固定数据样式和报表格式。

发明内容

本发明的目的是提供一种LED植物生长灯具的光配方综合检测系统与检测方法。其特征在于，所述LED植物生长灯具的光配方综合检测系统，在集装箱壳体1内分隔为检测室7、栽培室5和设备间4；在检测室7内布置光照均匀度检测装置2、PC机6和光谱测量仪8；在植物栽培室5内安装光照立体栽培架3；所述设备间4是为栽培室5配套的自动化环境控制和信号采集设备。

所述光谱测量仪8包括直径1.5米的积分球、直流电源、交流电源、光谱分析仪、电信号采集仪组成；LED植物生长灯具放在积分球内进行测量，测量LED植物生长灯具的功率、功率因子、发光效率、及分光光谱分布；测量过程由PC机6中的软件自动完成。生成LED植物生长灯具的光电性能测试报告。

所述光照立体栽培架上按照用户自定义的方式安装LED植物生长灯具；实时提供均匀的，适合植物生长周期需要的不同光强和光照时间。

一种LED植物生长灯具的光配方综合检测系统的光配方综合检测方法；其特征在于，所述光配方检测方法是从三个方面进行检测：分光光谱测量、光照均匀度检测、植物栽培效果测试；光照均匀度检测装置2用于检测LED植物生长灯在特定安装方法下的光照强度、光照均匀度、光照能效等指标；植物栽培效果测试是使用LED灯具在光照立体栽培架3上进行栽培试验，系统控制光照周期和环境参数，通过植物栽培试验评价LED植物生长灯具的植物栽培能效指标。包括如下步骤：

步骤1.光谱测量，采用光谱测量仪8检测LED植物生长灯具的发光效率指标及其分光光谱特性；将LED植物生长灯具放在积分球中，以产生绝对光谱功率分布(SPD)文件(图2)，这是计算光量子通量(PF)，光量子效率(PE)和光敏色素光稳态(PSS)所必需的条件；同时，还能测量出灯具的输入电压(V)、功率(W)、功率因数和电流的总谐波失真度(THDi)，这些数据是计算运营成本的重要数据；光谱测量仪用于测量LED植物生长灯具的功率、功率因子、发光效率、及分光光谱分布；生成LED植物生长灯具的光电性能测试报告。

步骤2.光照均匀度检测，将LED植物生长灯具固定在高处，光照均匀度检测装置2中的光强传感器放在灯具下方，在植物的冠层表面的二维平面内或是三维平面内移动光强传感器进行扫描；光强传感器由三轴步进电机带动，步进电机最小移动距离为2mm，最终形成光强分布图(IES文件)，在此基础上计算光强平均值、光照均匀度、光量子通量密度(PFD)的平均值±标准偏差指标。最终得到LED植物生长灯具的分光光谱分布特性曲线。以及形成的光照均匀度报告

步骤3.应用模拟环境测试，在密闭式植物生长室内，通过设备间4为植物栽培室5配套的自动化环境控制和信号采集设备自动控制室内温度、相对湿度、光照周期、CO₂浓度、气流周期、营养液供给、浇灌周期。

所述根据光强平均值、光照均匀度来决定日累积光照量，以此促进农作物株高、鲜重、干重增长；利用生长周期来衡量开花时间及花期控制；主要采用生长期间的鲜重增加量或干重增加量的能量转化效率来衡量。

所述评价LED植物生长灯具的植物栽培能效指标包括如下四个指标：

1)光量子产率(PY)，定义为一周或一个栽培周期的单位时间内植物可利用部分鲜重增长量与植物接收光量子数的比值，单位为g mol^-1；

2)能量产率(EY)，定义为一周或一个栽培周期的单位时间内植物可利用部分鲜重增长量与光源消耗电能的比值，单位为g kWh^-1；植物鲜重增长量表征园艺设施的产出能力，用于定量衡量设施生产的商品性；植物干重增长量表征植物对光能的固定能力，可以定量衡量有效物质积累程度

3)光能利用效率(LUE)，定义为一周或一个栽培周期的单位时间的植物可利用部分化学能增长量与植物接受光能总量的比值；

4)电能利用效率(EUE)，定义为一周或一个栽培周期的单位时间的植物可利用部分化学能增长量与光源消耗电能总量的比值。

本发明的有益效果是通过检测LED灯具的分光光谱分布特性、光照强弱与均匀度特性、密闭环境模拟对比试验三种测试手段，检测LED植物生长灯具是否达到了预期的特定需求，光配方是否合理有效。LED植物生长灯具的光配方能满足用户对特定风味和营养品质、抑制杂草、诱杀病原体或特定昆虫的要求。

附图说明

图1为一种LED植物生长灯具的光配方检测系统。

图2为一种LED植物生长灯具的分光光谱分布特性曲线。

图3为一种LED植物生长灯具的光强分布区域图。

具体实施方式

本发明提供一种LED植物生长灯具的光配方综合检测系统与检测方法，以下是结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步的描述。

一种LED植物生长灯具的光配方综合检测系统的光配方综合检测方法；其特征在于，所述光配方检测方法是从三个方面进行检测：分光光谱测量、光照均匀度检测、植物栽培效果测试；光照均匀度检测装置2用于检测LED植物生长灯在特定安装方法下的光照强度、光照均匀度、光照能效等指标；植物栽培效果测试是使用LED灯具在光照立体栽培架3上进行栽培试验，系统控制光照周期和环境参数，通过植物栽培试验评价LED植物生长灯具的植物栽培能效指标。所述光照立体栽培架上按照用户自定义的方式安装LED植物生长灯具；实时提供均匀的，适合植物生长周期需要的不同光强和光照时间。

如图1所示为LED植物生长灯具的光配方综合检测系统，在集装箱壳体1内分隔为检测室7、栽培室5和设备间4；在检测室7内布置光照均匀度检测装置2、PC机6和光谱测量仪8；在栽培室5内安装光照立体栽培架3；所述设备间4是为栽培室5配套的自动化环境控制和信号采集设备。具体是以40英尺集装箱1(外形尺寸为：L12.19 m*W2.44 m*H2.90m)为外框架，空间上分为检测室7、栽培室5和设备间4共三个空间。检测室7内安装光谱测量仪8、光照均匀度检测装置2和PC机6组成。其中：光谱测量仪8包括直径1.5米的积分球、直流电源、交流电源、光谱分析仪、电信号采集仪组成，LED植物生长灯具放在积分球内进行测量，测量过程由PC机6中的软件自动完成，并完成各项指标的计算(如图2所示)。PC机6检测到的环境数据包括：环境温度(℃)、相对湿度(％)、球内温度(℃)、扫描范围(nm)。PC机6检测到的电参数包括：电压(V)、功率(W)、电流(A)、功率因数、电流的总谐波失真度(THDi)。PC机6检测到的光谱数据在300-800nm范围内1nm一个光量子通量数据，根据测量的光量子通量数据表，计算出每个波段的光量子通量(μmol/s)：紫外光(300-399nm)、蓝光(400-499nm)、绿光(500-599nm)、红光(600-699nm)、远红光(700-800nm)，还可以计算出每个波段单位功率的光量子通量(μmol/J)：紫外光(300-399nm)、蓝光(400-499nm)、绿光(500-599nm)、红光(600-699nm)、远红光(700-800nm)。还可以计算出总光通量(lm)、辐射通量(W)、R:B、R:FR等指标数据。

光照均匀度检测装置2则用于测量LED植物生长灯具在植物冠层表面的光照强度和光照均匀度，将LED植物生长灯具按照用户自定义的方式安装在灯架上，输入扫描模型(STL)文件或输入一个平面数据和扫描间隔距离，PC机6的专用软件会控制3个步进电机逐个点进行扫描，每个点停留几秒钟，待光照传感器数据稳定后再扫描下一个点。扫描完成后软件完成指标计算并绘制出光强区域分布图(如图3所示)，最终生成灯具光照均匀度报告。如果测试结果与预期相差太大，调整灯具数量和布置方式，重新测量，直到光强和光照均匀度符合预期。PC机6能采集到的数据包括：环境温度(℃)、相对湿度(％)、功率(W)、测量点光强集合而成的光强数据表，根据光强数据表计算出光照强度平均值(μmol m^-2s^-1)、标准偏差(μmol m^-2s^-1)、光照均匀度(％)、光量子密度效率(μmol m^-2J^-1)

植物栽培室5是小型自动化植物工厂，设备间4是为植物栽培室5配套的自动化环境控制和信号采集设备。栽培室5可以自动控制温(栽培室内温度)、光(光照周期)、气(栽培室内相对湿度、CO₂浓度、气流速度)、水(灌溉时间和周期)、肥(营养液供给)。

栽培室5中放置两套光照立体栽培架2，每个栽培架5层，每层顶部装灯，底部用水培槽，中间采用无土栽培方式种植。顶层灯具的排列数量(需要用排列密度换算数量)和排列方式采用光照均匀度测试过程中的参数进行换算。

栽培室5中通过栽培植物的生理指标来评价灯具性能，方式多样灵活，没有固定方式。例如可以左右两个立体栽培架两种灯具方案同期进行横向对比，也可以两个方案同一组控制方案，分两次栽培纵向对比。

栽培室5中控制单元位于设备间，嵌入式控制系统，与PC机6无关。

应用该检测方法与系统确定了水培紫叶生菜的适宜光配方，试验选用了4种白红光LED植物生长灯具，每种灯具分别设计了200、250和300μmol m-²s-¹的植物冠层光照强度。除光照强度外，各试验组的其他环境条件相同，明期的环境温度为22±1℃、相对湿度为70±5％、CO₂浓度为800±50μmol mol-¹；暗期的温度为暗18±1℃、相对湿度为65±10％、CO₂浓度不控制。营养液采用山崎生菜配方，EC的控制范围是1.0-1.2mS cm^-1，pH的控制范围是6.0-6.5。水培生菜育苗周期为20d，栽培周期为20d。

表1白红光LED植物生长灯具对紫叶生菜的栽培能效评价

同一实验组在苗期结束(第20d)和栽培期结束(第40d)时分别选取6株形态大小均匀的植株作为测试样本，测试其地上部鲜重和干重并取均值，使用栽培期与苗期鲜重和干重的差值作为增长量，LED灯具的光能和电能消耗指栽培周期内的能耗量。取得生长量数据和能耗数据后计算了能量产率、光量子产率光能利用效率和电能利用效率等指标。测试结果如表1所示。

试验结果表明光照强度为250μmol m^-2s^-1时培育的紫叶生菜地上部鲜重在4种LED灯具下均达到了最大值，能量利用效率随着光照强度的提高而降低，综合考虑地上部产量和能耗指标后可判断250μmol m^-2s^-1的光照强度比较适合紫叶生菜的植物工厂水培生产。型号为WR-LED5/3-6000K的LED灯具拥有显著的栽培效果。

确定紫叶生菜的适宜光照强度后，为进一步分析其他光谱对紫叶生菜的影响，又选用4种红蓝光LED植物生长灯具进行了紫叶生菜栽培试验。光照强度直接选用250μmol m^{- 2}s^-1。结果如表2所示。

表2红蓝光LED植物生长灯具对紫叶生菜的栽培能效评价

试验结果表明：以红蓝光配比为基础的LED灯具可以达到较好的地上部鲜重产量，但是其能量利用效率缺显著低于白红光LED灯具，不适用于实际生产。由于众多学术文献已表明水培生菜的适宜光照周期为14-16h d^-1，故本试验未从光照周期的角度探究光配方。综合上述测试结果确定了紫叶生菜的适宜光配方：分光光谱分布可由WR-LED5/3-6000K灯具提供(图2展示了其分光光谱图)，冠层光照强度为250μmol m^-2s^-1，具体的灯具数量和光照均匀度可在图3所示的结果上进一步优化，光照周期为14-16h d^-1。

Claims (6)

1.一种LED植物生长灯具的光配方综合检测系统，其特征在于，所述LED植物生长灯具的光配方综合检测系统，在集装箱壳体(1)内分隔为检测室(7)、栽培室(5)和设备间(4)；在检测室(7)内布置光照均匀度检测装置(2)、PC机(6)和光谱测量仪(8)；在栽培室(5)内安装光照立体栽培架(3)；所述设备间(4)为栽培室(5)配套的自动化环境控制和信号采集设备。

2.根据权利要求1所述LED植物生长灯具的光配方综合检测系统，其特征在于，所述光谱测量仪(8)包括直径1.5米的积分球、直流电源、交流电源、光谱分析仪、电信号采集仪组成；LED植物生长灯具放在积分球内进行测量，测量LED植物生长灯具的功率、功率因子、发光效率、及分光光谱分布；测量过程由PC机(6)中的软件自动完成，生成LED植物生长灯具的光电性能测试报告。

3.根据权利要求1所述LED植物生长灯具的光配方综合检测系统，其特征在于，所述光照立体栽培架上按照用户自定义的方式安装LED植物生长灯具；实时提供均匀的，适合植物生长需要的不同光照强度和光照时间。

4.一种LED植物生长灯具的光配方综合检测系统的光配方综合检测方法；其特征在于，所述光配方检测方法是从三个方面进行检测：分光光谱测量、光照均匀度检测、植物栽培效果测试；光照均匀度检测装置(2)用于检测LED植物生长灯在特定安装方法下的光照强度、光照均匀度、光照能效等指标；植物栽培效果测试是使用LED灯具在光照立体栽培架(3)上进行栽培试验，自动控制光照周期和温湿度等植物生长环境参数，通过植物栽培试验评价LED植物生长灯具的植物栽培能效指标；包括如下步骤：

步骤1.光谱测量，采用光谱测量仪(8)检测LED植物生长灯具的发光效率指标及其分光光谱特性；将LED植物生长灯具放在积分球中，以产生绝对光谱功率分布(SPD)文件，这是计算光量子通量(PF)，光量子效率(PE)和光敏色素光稳态(PSS)所必需的条件；同时，还能测量出灯具的输入电压(V)、功率(W)、功率因数和电流的总谐波失真度(THDi)，这些数据是计算运营成本的重要数据；光谱测量仪用于测量LED植物生长灯具的功率、功率因子、发光效率、及分光光谱分布；生成LED植物生长灯具的光电性能测试报告；

步骤2.光照均匀度检测，将LED植物生长灯具固定在高处，光照均匀度检测装置(2)中的光强传感器放在灯具下方，在植物的冠层表面的二维平面内或是三维平面内移动上述光强传感器进行扫描；该光强传感器由三轴步进电机带动，步进电机最小移动距离为2mm，最终形成光强分布图(IES文件)，在此基础上计算光强平均值、光照均匀度(无单位指标，0-1)、光量子通量密度(PFD)的平均值±标准偏差指标,最终得到LED植物生长灯具的分光光谱分布特性曲线以及形成的光照均匀度报告；

步骤3.植物栽培能效测试，在密闭式植物生长室内，通过设备间的自动化环境控制和信号采集设备为栽培室提供设定的温度、相对湿度、光照周期、CO₂浓度、气流周期、营养液供给、灌溉周期等。

5.根据权利要求4所述LED植物生长灯具的光配方综合检测系统的光配方综合检测方法；其特征在于，所述根据光强平均值、光照均匀度来决定日累积光照量，以此促进农作物株高、鲜重、干重增长；利用生长周期来衡量开花时间及花期控制；主要采用生长期间的鲜重增加量或干重增加量的能量转化效率来衡量。

6.根据权利要求4所述LED植物生长灯具的光配方综合检测系统的光配方综合检测方法；其特征在于，所述评价LED植物生长灯具的植物栽培能效指标包括如下四个指标：

1)光量子产率(PY)，定义为一周或一个栽培周期的单位时间内植物可利用部分鲜重增长量与植物接收光量子数的比值，单位为g mol^-1；

2)能量产率(EY)，定义为一周或一个栽培周期的单位时间内植物可利用部分鲜重增长量与光源消耗电能的比值，单位为g kWh^-1；植物鲜重增长量表征园艺设施的产出能力，用于定量衡量设施生产的商品性；植物干重增长量表征植物对光能的固定能力，可以定量衡量有效物质积累程度；

3)光能利用效率(LUE)，定义为一周或一个栽培周期的单位时间的植物可利用部分化学能增长量与植物接受光能总量的比值；

4)电能利用效率(EUE)，定义为一周或一个栽培周期的单位时间的植物可利用部分化学能增长量与光源消耗电能总量的比值。

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