CN113163720A - 具有集成相机和/或传感器以及无线通信的受控环境农业的流体冷却的基于led的照明方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于提高能量效率、回收废热并支持受控农业环境中的环境传感器的操作的受控环境农业(CEA)的液体冷却的基于LED的照明器材。在一个实例中，照明器材框架机械支撑并容纳所述照明器材的相应组件，并且包含轻脊以将所述照明器材机械联接到支撑结构。由铜形成并联接到所述照明器材框架的一个或多个冷却剂管将流体冷却剂引导通过所述照明器材以去除热量。所述照明器材包括用于发光的一个或多个LED模块、一个或多个板载传感器和/或相机、无线通信功能以及用于便于各种受控农业环境中的照明器材的互连的多个电力和通信端口。在一些实例中，所述照明器材包含用于获取所述环境的多光谱图像的多光谱成像系统。

Description

具有集成相机和/或传感器以及无线通信的受控环境农业的 流体冷却的基于LED的照明方法和设备
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2018年11月13日提交的题为“具有集成相机和/或传感器以及无线通信的受控环境农业的流体冷却的基于LED的照明方法和设备(FLUID-COOLED LED-BASEDLIGHTING METHODS AND APPARATUS FOR CONTROLLED ENVIRONMENT AGRICULTURE WITHINTEGRATED CAMERAS AND/OR SENSORS AND WIRELESS COMMUNICATIONS)”的美国临时申请第62/760,572号的优先权，其通过引用整体并入本文。
背景技术
受控环境农业(CEA)(也被称为受控环境园艺或CEH)是在受控环境中种植植物的过程，其中对各个环境参数进行监控和调整以提高所种植植物的质量和产量。与常规植物栽培方法相比，CEA可以实现植物的全年生产，对变化的天气状况不敏感，减少病虫害并且减少每个植物消耗的资源量。受控农业环境通常至少部分地被建筑结构(例如，温室、种植屋或一部分被覆盖的田地)封闭，以便提供对环境状况的某种程度的控制。在这种受控农业环境中通常使用一种或多种人造照明系统来补充和/或代替可能由建筑结构阻挡或在一年中的某些时期(例如，冬季)不足的自然阳光。可以使用各种类型的人造照明系统，包含但不限于高强度放电灯、发光二极管(LED)和荧光灯。
发明内容
本公开涉及受控环境农业(CEA)的流体冷却的基于发光二极管(LED)的照明器材(以下也被称为“照明器材”)、照明器材的相应组件以及与此相关的方法的各个实施方案。照明器材可以联接到流体冷却系统(以下也被称为“冷却剂回路”)，所述流体冷却系统使流体冷却剂流动通过照明器材以捕捉由照明器材中的一个或多个LED模块生成的热量。以这种方式，可以从受控农业环境去除由照明器材生成的热量，从而减少冷却负荷并提高能量效率。本文描述的照明器材可以以菊花链配置联接到一个或多个其它照明器材，其中管道、电力和通信连接被共享以便于连续电路和冷却剂回路的产生。在一些实施方案中，照明器材可以联接到流体循环系统，所述流体循环系统利用由照明器材生成(并由冷却剂回路从照明器材提取)的废热来进行各种应用，例如调节受控农业环境或受控农业环境附近的空间的温度。通过向可以监控受控农业环境的各种环境状况的一个或多个传感器提供电力和数据通信连接，照明器材还可以用作集成传感器平台。
在一个示例性实施方案中，照明器材包含框架(在本文中也被称为“外壳”)，以机械支撑和容纳照明器材的各个组件。轻脊(light spine)形成在框架上，其具有将照明器材机械联接并固定到设置在受控农业环境中的支撑结构的特征。框架包含一个或多个通道和装配到一个或多个通道中的相对应冷却剂管。冷却剂管由铜形成，并且用于使流体冷却剂流动通过照明器材以去除热量。一个或多个LED模块设置在框架上，以发射光合有效辐射(PAR)以用于种植植物。处理器联接到框架，以便于具有包含功率转换、网络连接和数据处理的功能的照明器材的操作。一个或多个电力端口设置在框架上，以将来自外部源(例如，建筑电力供应系统)的电力供应给照明器材的各个组件，包含LED模块、处理器和联接到照明器材的辅助装置。一个或多个通信端口设置在框架上，以便于电通信和数据传输。
在一些实施方案中，冷却剂管可以被压配合或挤配合到框架的通道中以改善热接触，从而增加由流动通过照明器材的流体冷却剂去除的热量。照明器材的冷却剂管可以使用推动连接管道配件联接到另一照明器材的另一冷却剂管。以这种方式，多个照明器材可以联接以形成连续的冷却剂回路。一个或多个泵、调节器和/或阀可以并入冷却剂回路中，以生成流体冷却剂并将其引导通过冷却剂回路。排热装置(例如，冷却塔)也可以并入冷却剂回路中，以从流体冷却剂去除热量，从而降低流体冷却剂的温度以在冷却剂回路中重新使用。冷却剂回路还可以用于从受控农业环境中的其它组件(例如，除湿器)去除热量。
在一些实施方案中，具有多个照明器材的冷却剂回路可以联接到流体循环系统，以回收由照明器材生成并由流体冷却剂捕捉的废热。流体循环系统可以分配热量以调节受控农业环境的至少一部分(例如，种植区域)或受控农业环境附近的另一空间(例如，住宅建筑、热电厂、工厂)的温度。流体循环系统可以包含：流体储存罐，其用于储存流体冷却剂；和一个或多个管道子系统，其用于将相对冷的流体冷却剂和相对热的流体冷却剂引导通过冷却剂回路和/或其它空间。流体冷却剂也可以以各种温度储存，以便稍后分配和/或调节流体冷却剂的温度。
在一些实施方案中，具有一个或多个流体冷却的基于LED的照明器材的受控农业环境不需要另外的冷却或空气调节。换句话说，由多种热源(例如，照明器材、植物本身、构成环境的建筑结构的墙壁、一个或多个除湿器)在环境中生成的多余热量可以被流体冷却剂有效地捕捉并被排热装置(例如，冷却塔)去除或在流体循环系统中回收。通过显著减少或在一些情况下消除对空气调节的需求，相应地显著减少或消除了受控农业环境所需能量的重要源。能量节省在可变能量预算下可以导致受控农业环境的能量成本的显著降低，或者在固定能量预算下可以增加可用于种植更大的农作物的能量并增加受控农业环境的农作物产量。例如，先前用于冷却/空气调节的能量预算的至少一部分可以改为用于另外的人工照明，以提供PAR，并且从而促进更多植物的植物生长。
在各个实施方案中，本文公开的照明器材可以包含一个或多个通信和/或辅助电力端口，例如以将辅助DC电力提供给联接到一个或多个端口的一个或多个辅助装置。此类端口的实例包含但不限于一个或多个以太网供电(PoE)端口和/或一个或多个通用串行总线(USB)端口，以将多个照明器材通信联接在一起和/或支持一个或多个辅助装置(例如，传感器、执行器或其它外部电子装置)的操作。可以经由一个或多个PoE或USB端口联接到一个或多个照明器材的各种传感器的实例包含但不限于空气温度传感器、近红外(NIR)叶片水分传感器、高光谱相机、有限光谱相机、IR叶片温度传感器、相对湿度传感器和二氧化碳传感器。可以经由PoE或USB端口联接到一个或多个照明器材的辅助装置的其它实例包含但不限于一个或多个风机、安全相机、智能电话和多光谱相机(例如，用于分析土壤水分、营养成分、植物的叶片)。以这种方式，由于通信端口在照明器材上的灵活放置，各个辅助装置可以特别地分布在受控农业环境中。
在一些实施方案中，照明器材的处理器可以用于控制一个或多个辅助装置和/或处理来自辅助装置的数据。然后，处理器可以利用数据来调整和控制受控农业环境中的一个或多个照明器材(例如，调整从照明器材输出的PAR)、一个或多个冷却剂回路(例如，调整通过冷却剂回路(包含照明环路、流体循环环路和冷却环路)的流体流量)、一个或多个风机、一个或多个除湿器或一个或多个空调的操作。在一些实施方案中，测量和控制各种环境状况以提供环境中的目标蒸汽压差。
在一些实施方案中，照明器材可以用在租赁照明系统中，其中客户支付重复性费用以租用和操作一个或多个照明器材。在一个示例性实施方案中，照明器材可以通信联接到许可证服务器，所述许可证服务器根据客户的支付来控制照明器材操作的时间量。可以使用加密密钥和与许可证服务器的令牌交换来操作受控农业环境的租赁照明系统。
总而言之，一个示例性实施方案涉及一种流体冷却的基于LED的照明器材，其包括：挤压铝框架，其包含至少第一通道、第二通道和其中形成的至少一个封闭腔，所述挤压铝框架进一步包含从框架突出并具有多个孔的鳍片，以便于照明器材机械联接到至少一个支撑结构；至少一个LED光源，其由挤压铝框架机械支撑；第一铜管，其用于载运流体冷却剂以在照明器材的操作期间提取由至少所述至少一个LED光源生成的热量，其中第一铜管被压配合到挤压铝框架的第一通道中，从而在第一铜管和挤压铝框架之间建立第一热连接；第二铜管，其用于载运流体冷却剂，其中第二铜管被压配合到挤压铝框架的第二通道中，从而在第二铜管和挤压铝框架之间建立第二热连接；控制电路系统，其设置在挤压铝框架的至少一个封闭腔中，以接收AC电力并控制至少一个LED光源；和多个端口，其电联接到控制电路系统中的至少一些，以向联接到多个端口中的至少一个的至少一个辅助装置提供DC电力。
另一示例性实施方案涉及一种用于控制农业环境的方法，所述方法包括：A)使流体冷却剂在冷却剂回路中流动，其中冷却剂回路包括：至少一个基于LED的照明器材，当流体冷却剂在冷却剂回路中流动通过至少一个基于LED的照明器材时，流体冷却剂从其中提取器材生成的热量，和至少一个流体循环环路，其联接到至少一个基于LED的照明器材，以便于农业环境的至少一部分中的温度调节；B)用由至少一个基于LED的照明器材输出的光合有效辐射(PAR)辐照多个植物；和C)经由通信联接到至少一个基于LED的照明器材的至少一个传感器来感测农业环境中的至少一种状况。
另一示例性实施方案涉及一种用于控制农业环境的方法，所述方法包括：A)使流体冷却剂在冷却剂回路中流动，其中冷却剂回路包括：至少一个基于LED的照明器材，当流体冷却剂在冷却剂回路中流动通过至少一个基于LED的照明器材时，流体冷却剂从其中提取器材生成的热量，和至少一个流体循环环路，其联接到至少一个基于LED的照明器材，以便于农业环境的至少一部分中的温度调节；B)用由至少一个基于LED的照明器材输出的光合有效辐射(PAR)辐照多个植物；C)经由通信联接到至少一个基于LED的照明器材的至少一个传感器来感测农业环境中的至少一种状况，其中至少一个传感器包含以下中的至少一个：空气温度传感器；近红外(NIR)传感器；相对湿度传感器；相机；二氧化碳(CO2)传感器；和红外(IR)传感器；和D)至少部分地基于C)中的至少一种感测状况来控制以下中的至少一个：1)由至少一个LED照明器材输出的PAR和2)至少一个LED照明器材和流体循环环路中至少一个中的流体冷却剂的流动，其中：至少一个基于LED的照明器材包含形成冷却剂回路的至少一部分的至少第一铜管和第二铜管；并且A)包括使流体冷却剂分别沿相反方向在第一铜管和第二铜管中流动。
本申请通过引用并入了2017年8月25日提交的美国临时申请序列号62/550,379、2018年2月26日提交的美国临时专利申请序列号62/635,501和2018年8月27日提交的美国非临时申请序列号16/114,008。
应当理解，前述概念和下面更详细讨论的另外的概念的所有组合(假设此些概念并不相互矛盾)被认为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的所要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的发明主题的一部分。还应理解，本文明确采用的术语也可能出现在通过引用并入的任何公开中，其应被赋予与本文公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
专利或申请文件含有至少一个彩色附图。专利局将根据要求以及必要费用的支付来提供带有一个或多个彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。
本领域技术人员将理解，附图主要出于说明性目的，并非旨在限制本文描述的发明主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可以在附图中被夸大或放大示出，以便于对不同特征的理解。在附图中，类似的附图标记通常是指类似的特征(例如，功能上相似和/或结构上相似的元件)。
图1是使用一个或多个HPS灯的常规受控农业环境的图示。
图2是使用一个或多个常规的基于LED的照明器材的常规受控农业环境的图示。
图3是根据本公开的一些实施方案的受控农业环境的图示，其中一个或多个流体冷却的基于LED的照明器材被改造到预先存在的环境中。
图4是根据本公开的一些实施方案的受控农业环境的图示，其中一个或多个流体冷却的基于LED的照明器材联接到流体循环系统。
图5是根据本公开的一些实施方案的照明器材的框图。
图6A是根据本公开的一些实施方案的详细示出了照明器材的示例性LED模块的前半部分的电路图。
图6B是详细示出了图6B的示例性LED模块的后半部分的电路图。
图7A示出了根据本公开的一些实施方案的照明器材的底部前透视图。
图7B示出了图7A的照明器材的前视图、底视图、左侧视图和右侧视图。
图7C示出了沿平面A-A的图7B的照明器材的截面视图。
图7D-1示出了根据本公开的一些实施方案的包含一个或多个板载相机和无线通信功能的照明器材的各种视图。
图7D-2示出了图7D-1的照明器材的几个视图。
图7E示出了根据本公开的一些实施方案的具有多光谱成像系统的示例性照明器材的底部左前透视图。
图7F示出了图7E的照明器材的顶部左前透视图。
图7G示出了图7E的照明器材的底部右后透视图。
图7H示出了图7E的照明器材的顶视图。
图7I示出了图7E的照明器材的底视图。
图7J示出了图7E的照明器材的前视图。
图7K示出了图7E的照明器材的后视图。
图7L示出了图7E的照明器材的右视图。
图7M示出了图7E的照明器材的左视图。
图7N示出了图7E的照明器材的前截面视图，其中截面平面将照明器材一分为二。
图7O示出了图7N的照明器材的放大视图。
图7P示出了图7E的照明器材的右截面视图，其中截面平面横切多光谱成像系统。
图7Q示出了各种植物相关化合物的光谱吸收率。
图8A示出了根据本公开的一些实施方案的示例性多光谱成像系统的照片。
图8B示出了图8A的成像系统的顶部左前透视图。
图8C示出了图8A的成像系统的底部右后透视图。
图8D示出了图8A的成像系统的顶视图。
图8E示出了图8A的成像系统的底视图。
图8F示出了图8A的成像系统的前视图。
图8G示出了图8A的成像系统的后视图。
图8H示出了图8A的成像系统的右视图。
图8I示出了图8A的成像系统的左视图。
图8J示出了没有外壳的图8A的成像系统的顶部左前透视图。
图8K示出了图8I的成像系统的底部右后透视图。
图8L示出了图8I的成像系统的顶视图。
图8M示出了图8I的成像系统的底视图。
图8N示出了图8I的成像系统的前视图。
图8O示出了图8I的成像系统的后视图。
图8P示出了图8I的成像系统的右视图。
图8Q示出了图8I的成像系统的左视图。
图9A示出了365nm紫外(UV)发光二极管(LED)的电路图。
图9B示出了450nm宝蓝色可见光LED的电路图。
图9C示出了530nm绿色可见光LED的电路图。
图9D示出了630nm超红可见光LED的电路图。
图9E示出了660nm HE光红(photo red)LED的电路图。
图9F示出了730nm远红LED的电路图。
图9G示出了860nm红外LED的电路图。
图9H示出了950nm深红外LED的电路图。
图9I示出了第一额外通道的电路图。
图9J示出了第二额外通道的电路图。
图9K示出了Lepton 3.5插座的电路图。
图9L示出了红外测温仪的电路图。
图9M示出了VL53L1X飞行时间接近传感器的电路图。
图9N示出了RT8020脉宽调制(PWM)转换器的电路图。
图9O示出了数字信号转换器的电路图。
图10A示出了根据本公开的一些实施方案的联接到第二照明器材和支撑结构的第一照明器材的顶部透视图。
图10B示出了根据本公开的一些实施方案的受控农业环境的透视图，其示出了联接在一起形成连续的电和冷却剂回路的多行流体冷却的基于LED的照明器材。
图11A示出了根据本公开的一些实施方案的示例性流体循环系统，其包含流体储存罐和多个管道子系统(例如，照明环路、加热环路和冷却环路)。
图11B示出了根据本公开的一些实施方案的示例性流体循环系统的一部分，其联接到照明器材和种植区域。
图11C示出了根据本公开的一些实施方案的受控农业环境，其中一个或多个流体冷却的基于LED的照明器材设置在垂直堆叠的多层种植区域中并且联接到流体循环系统。
图12示出了根据本公开的一些实施方案的受控农业环境的侧视图，其具有多个流体冷却的基于LED的照明器材和多个传感器以便于监控环境状况。
图13A是根据本公开的一些实施方案的详细示出了处理器的各个电子组件(包含控制板、网络板和单板计算机)的框图。
图13B是提供图13A的控制板的另外的细节的框图。
图13C是提供图13A的网络板的另外的细节的框图。
图14A是根据本公开的一些实施方案的详细示出了网络板的各个电子组件的电路图。
图14B是图14A的以太网交换机的放大视图。
图14C是图14A的PoE端口的放大视图。
图14D是图14A的PoE控制器的电路图。
图15是根据本公开的一些实施方案的单板计算机的电路图。
图16A是根据本公开的一些实施方案的详细示出了控制板的各个电气组件的电路图。
图16B是详细示出了图16A的控制板的偏置和控制电源的电路图。
图16C是详细示出了图16A的控制板的DC-DC转换器的电路图。
图16D是详细示出了图16A的控制板的AC线路传感器的电路图。
图16E是详细示出了图16A的控制板的DSP的电路图。
图16F是详细示出了图16A的控制板的温度传感器电路系统的电路图。
图16G是详细示出了图16A的控制板的升压电路的电路图。
图16H是进一步详细示出了图16G的升压电路的电路图。
图17A是根据本公开的一些实施方案的合同执行方法的流程图。
图17B是根据本公开的一些实施方案的更新租赁照明系统中的许可证的方法的流程图。
具体实施方式
以下是与受控环境农业的流体冷却的基于LED的照明方法和设备有关的各种概念以及其实施方案的更详细的描述。应当理解，可以以多种方式来实施上面介绍和下面将更详细讨论的各种概念。主要出于说明性目的提供具体实施方案和应用的实例，从而使本领域技术人员能够实践对本领域技术人员显而易见的实施方案和替代方式。
以下描述的附图和示例性实施方案并不旨在将本发明实施方案的范围限制为单个实施例。通过互换所描述或示出的一些或全部元件，其它实施方案也是可能的。此外，当可以使用已知组件来部分或完全实施所公开的示例性实施方案的某些元件时，在一些情况下，仅描述了对于理解本发明实施方案必要的此些已知组件的那些部分，并且省略了对此些已知组件的其它部分的详细描述，以免混淆本发明实施方案。
在下面的讨论中，提供了本发明的照明器材和多光谱成像系统的各个实例，其中一个给定实例或实例集合展示了照明器材、冷却系统、传感器(例如，多光谱成像系统)以及部署一个或多个照明器材的农业系统的一个或多个特定特征。应当认识到，结合框架、LED模块、冷却剂管、无线装置、相机和/或传感器的一个给定实例所讨论的一个或多个特征可以用于根据本公开的照明器材的其它实例中，使得本文公开的各个特征可以容易地组合在根据本公开的给定系统中(条件是相应特征不相互矛盾)。
受控环境农业
受控环境农业(CEA)(也被称为受控环境园艺或CEH)是在受控环境中种植植物的过程，其中对各个环境参数(例如，照明、温度、湿度、营养水平和二氧化碳(CO2)浓度)进行监控并调整以提高植物的质量和产量。与常规植物栽培方法相比，CEA可以实现植物的全年生产，对变化的天气状况不敏感，减少病虫害并且减少每个植物消耗的资源量。另外，CEA可以支持各种类型的种植系统，包含但不限于基于土壤的系统和水培系统。
受控农业环境通常至少部分地被建筑结构(例如，温室、种植屋或一部分被覆盖的田地)封闭，以便提供对环境状况的某种程度的控制。在这种受控农业环境中通常使用一种或多种人造照明系统来补充和/或代替可能由建筑结构阻挡或在一年中的某些时期(例如，冬季)不足的自然阳光。人造照明系统的使用还可以提供又一控制措施，其中可以定制照明系统的强度和光谱特性以提高植物的光合速率。可以使用各种类型的人造照明系统，包含但不限于高强度放电灯、发光二极管(LED)和荧光灯。
然而，人工照明系统会生成热量，当热量散发到环境中时，这可能会显著增加受控农业环境的冷却负荷。为了适应较高的冷却负荷并因此将受控农业环境保持在期望的温度范围内，可能需要增加冷却系统的冷却能力，从而导致更大的能量消耗。对于可变能量预算下的受控农业环境，更大的能量消耗可能导致更高的能量成本。可替代地，对于固定能量预算下的受控环境，冷却系统可能会消耗大部分能量预算，从而降低了可用于支持更大的农作物尺寸和产量的能量和能力。
为了说明由人工照明系统生成的多余热量可能对能量消耗的影响，图1示出了常规受控农业环境，其具有辐照多个植物900的一个或多个高压钠(HPS)灯10(一种特定类型的高强度放电灯)。图1中示出的示例性受控农业环境进一步包含用于管理环境的相对湿度的除湿器65和空调85，所述空调可以包含风机盘管、压缩机和冷凝器。空调85的能量消耗通常取决于(1)环境的总冷却负荷和(2)空调85的能量效率比(EER)。空调的EER被定义为在给定操作点处的冷却能力(以瓦为单位)与输入功率(以瓦为单位)之比。EER在外部温度为35℃(95℉)、内部(回风)温度为26.7℃(80℉)以及相对湿度为50％下计算。越高的EER指示空调85越有效。
如图1中所示，HPS灯10可以通过以下方式来增加环境的冷却负荷：(1)将热量对流地和/或辐射地直接散发到环境中；和(2)增加环境的相对湿度，并且从而增加功率输入和由除湿器65生成的结果热量。在本示例性受控农业环境中的冷却负荷为约1315W。对于EER为3到7的情况，空调的输入功率因此分别在450到190W的范围内。基于1009W的HPS灯10的输入功率和265W的除湿器65的输入功率，空调85因此消耗了总能量预算的约13％和26％，分别对应于7和3的EER。
所生成的热量可能会取决于所使用的照明系统的类型而有所不同。然而，受控农业环境的人造照明系统通常具有大功率输入(例如，大于1000W)，以便维持足够水平的光合有效辐射(PAR)。因此，由各种类型的照明系统生成的热量仍可能构成环境内产生的大部分热量。在另一实例中，图2示出了常规受控农业环境，其中一个或多个常规的基于LED的照明器材12A和12B辐照多个植物900。在本示例性受控农业环境中，基于LED的照明器材12A和12B主要经由对流散发了热量，这可能会减少输入功率和由除湿器65生成的热量。在本实例中，总冷却负荷为约1210W。对于EER比为3到7的情况，空调85的输入功率在405W到175W的范围内。与第一实例相比，基于LED的照明器材12A和12B的使用降低了受控农业环境的总能量预算。然而，对于EER比为7和3的情况，空调85使用的能量比例仍然与第一实例相似，分别为约13％和25％。如两个示例性受控农业环境中所示，人造照明系统可能会生成大量的热量，这可能导致空气调节系统在受控农业环境中消耗总能量预算的很大一部分。
因此，本公开涉及一种流体冷却的基于LED的照明器材。在一些实施方案中，流体冷却系统可以集成到照明器材中，使得由照明器材中的一个或多个LED生成的大部分热量被流体冷却系统捕捉。以这种方式，可以显著减少由照明器材传递到环境的热量，从而减少可能在受控农业环境中的任何空气调节系统的冷却负荷和能量输入。在一些实施方案中，流体冷却系统可以联接到流体循环系统，以分配来自照明器材的废热以控制种植区域或分开的内部空间(例如，住宅建筑)的温度。在一些实施方案中，两个或两个以上照明器材可以串联或“菊花链式”连接，其中电和管道连接被共享以支撑连续电路和冷却剂回路。照明器材还可以提供电连接以向一个或多个传感器供电以监控各种环境状况。以这种方式，流体冷却的基于LED的照明器材也可以用作集成传感器平台。
为了说明本文公开的流体冷却的基于LED的照明器材的益处，图3示出了受控农业环境2000A的一个示例性实施方案，其中照明器材1000被改造到包含除湿器65和空调85的预先存在的环境中。尽管未在图3中明确示出，但是环境可以至少部分地由用于容纳多个植物900、一个或多个照明器材1000和其它设备的建筑结构构成。照明器材1000由在冷却剂回路570中循环的流体冷却剂800冷却。由流体冷却剂800载运的热量由位于受控农业环境2000A外部的冷却塔557去除。冷却剂回路570可以包含一个或多个泵、调节器和/或阀555，以控制冷却剂回路570中的流体冷却剂800的流动。
如图3中所示，一个或多个泵、调节器和/或阀555可以产生流体冷却剂800的流，其在进入照明器材1000时表现出相对较冷的温度TC并且在离开照明器材1000时表现出相对较热的温度TH。流体冷却剂800的温度升高部分是由于流体通过照明器材1000时由于从照明器材1000内的一个或多个LED模块生成的热量导致的流体对流加热所致。因此，流体冷却剂800可以用于捕捉和输送由照明器材1000生成的热量，这可以显著减少环境的冷却负荷以及空调85和/或除湿器65的功率输入。如图3中所示，示例性受控农业环境2000A的冷却负荷为约635W，大约为图1和2中示出的示例性受控农业环境中的冷却负荷的50％。对于EER在3到7的范围内的情况，空调的输入功率因此分别在210W到90W的范围内。基于1009W的照明器材1000的输入功率和160W的除湿器65的输入功率，空调85因此消耗了总能量预算的约7％和15％，分别对应于7和3的EER。
尽管在图3中示出了冷却塔557以便于对离开照明器材1000的所加热的流体冷却剂的蒸发冷却，但是应当理解，可以在冷却剂回路570中采用各种类型的排热装置以从流体冷却剂800去除热量。排热装置的一些实例包含但不限于各种类型的蒸发冷却器、“自然”冷却器、深冷器、干式冷却器、空气源冷却器、地源热交换器、水源热交换器或任何前述的组合。
在另一实例中，图4示出了示例性受控农业环境2000B，其中照明器材1000联接到冷却剂回路570，所述冷却剂回路将流体冷却剂800引导到具有多个管道子系统700A和700B的流体循环系统501，所述多个管道子系统通过利用由照明器材1000生成的废热作为热源来调节和/或保持受控农业环境2000B的各个部分的温度和/或受控农业环境2000B附近的空间(例如，热水池、种植区域)的温度。冷却剂回路570可以从照明器材1000和其它环境源(例如，除湿器65、环境空气)接收热量，使得可以显著去除在环境中生成的多余热量，从而进一步提高了能量节省，以操作受控农业环境2000B。在一些实施方案中，可以充分减少冷却负荷，从而消除对任何空气调节系统的需要(即没有空调风机盘管、压缩机或冷凝器)。
如图4中所示，受控农业环境2000B可以包含除湿器65以调节环境的相对湿度。冷却剂回路570可以将由照明器材1000加热的流体冷却剂800引导到除湿器65中，以与从照明器材1000去除热量相似的对流方式进一步去除由除湿器65生成的热量。然后，冷却剂回路570可以将流体冷却剂800引导到流体循环系统700A和700B，所述流体循环系统可以分别用于加热多个植物900和热水池。冷却剂回路570可以在通过冷却塔557散发剩余热量之前，通过一个或多个阀502以受控方式分配和引导所加热的流体冷却剂800。
在一些实施方案中，流体循环系统501还可以用于调节周围环境本身的温度。例如，当流体冷却剂800流动通过流体循环系统501时，流体循环系统501可以用于对流地和/或辐射地加热受控农业环境2000B。此外，尽管图4示出了通过除湿器65的冷却剂回路570，但是应当理解，在其它实施方案中，冷却剂回路570不需要包含除湿器65，例如冷却剂不必流动通过加湿器65。
示例性照明器材
在图5中示出了流体冷却的基于LED的照明器材1000的一个示例性实施方案。照明器材1000可以包含框架1004，以机械支撑并容纳照明器材1000的各个组件。轻脊1002可以并入框架1004的一个或多个侧面上，其具有将照明器材1000机械联接并固定到设置在受控农业环境中的支撑结构的特征。一个或多个冷却剂管1006可以联接到框架1004，其中每个冷却剂管1006可以用于使流体冷却剂800流动以冷却照明器材1000。一个或多个LED模块400可以设置在框架1004上以向多个植物发射PAR。处理器90可以联接到框架1004以便于照明器材1000的操作，包含但不限于功率转换、网络连接和数据处理。一个或多个电力端口1010可以设置在框架1004上，以向照明器材1000的各个组件提供电力，包含但不限于LED模块400、处理器90和可以联接到照明器材1000的其它传感器。一个或多个通信端口1009可以设置在框架1004上，以便于电通信和数据传输(并且在一些情况下供电，例如下面进一步讨论的以太网供电)。与无线通信有关的一个或多个装置1003(“WiFi 1003”，例如无线天线、具有加密功能的芯片组等)可以设置在框架1004上和/或包含在框架内，以便于可能加密或可能不加密的到达照明器材1000和来自照明器材的无线通信。一个或多个相机1005和/或其它感测装置(板载相机/传感器)也可以设置在框架1004上和/或包含在框架内(与联接到电力端口和/或通信端口1009相对)，以便于在各种目标光谱区域和/或其它感测功能内进行图像采集。
框架1004可以是形成基本上封闭的外壳的机械刚性中空结构。框架1004的内部腔的尺寸可以被设置成容纳照明器材1000中的多个组件，例如处理器90中的各个电子器件。框架1004可以在内部腔内包含一个或多个安装特征，以将多个组件牢固地联接到框架1004。例如，框架1004可以包含一个或多个狭槽，所述狭槽设置在框架1004的内部腔内并且被布置成机械支撑印刷电路板的至少两个相对边缘。其它安装特征可以包含但不限于安装柱和安装桩。
框架1004中可以包含一个或多个可移动面板，以提供进入内部空间的通道。可以使用各种类型的联接机构来将一个或多个可移动面板联接到框架1004的一部分，所述联接机构包含但不限于螺钉紧固件、螺栓紧固件、夹子和夹具。在一些实施方案中，框架1004可形成足够气密的围罩或腔以保护可能对受控农业环境的环境状况敏感的组件(例如，电子器件)。例如，受控农业环境可能在可以导致水分冷凝在照明器材1000的各个表面上的相对湿度下操作，从而导致对组件(包含所暴露的电子器件)的损坏。在框架1004是气密围罩的情况下，可以基本上限制水分渗入框架1004的内部空间，以降低冷凝水形成在设置在框架1004内的组件上的可能性。
框架1004还可以包含沿框架1004的至少一个侧面(例如，底侧)设置的凹入部分，所述凹入部分具有至少部分地围绕一个或多个LED模块400的侧壁。凹入部分可以用于沿优选方向和角度分布引导由一个或多个LED模块400发射的光。例如，凹入部分可以用于显著照亮含有位于框架1004下方的一个或多个植物的种植区域。在一些实施方案中，形成凹入部分的侧壁的内表面的表面质量和定向可以形成整体反射器以反射由一个或多个LED模块400发射的光。例如，侧壁的内表面可以被抛光以以基本上镜面的方式反射光并且被定向成使得光朝着优选方向(例如，种植区域)反射。
框架1004还可以包含沿框架1004的一个或多个侧面形成的一个或多个通道，其中每个通道可以用于将相对应的冷却剂管1006固定到框架1004。通道的截面形状可以与冷却剂管1006的截面形状基本上相似，以便于将冷却剂管1006插入通道中。可以使用几种方法来将冷却剂管1006固定到框架1004的通道。例如，通道的截面尺寸可以等于或小于冷却剂管1006的截面尺寸，以便于冷却剂管1006经由摩擦固定到通道的压配合。在其它实例中，可以使用一个或多个夹具来将冷却剂管1006夹紧到框架1004，所述夹具可以包含但不限于束线带和具有蜗杆传动紧固件的夹具。夹具可以是可移动的，以允许更换冷却剂管1006。一个或多个通道的表面也可以被抛光以改善与冷却剂管1006的热接触，从而使更多的热量散发到流体冷却剂800中。在其它实例中，冷却剂管1006可以使用各种方法(包含但不限于粘合剂结合、焊接和钎焊)粘附或结合到框架1004。热界面材料也可以设置在通道和冷却剂管之间以改善热接触。
框架1004还可以至少部分地导热以将热量从一个或多个LED模块400传递到冷却剂管1006。特别地，设置在LED模块400和冷却剂管1006之间的框架1004的第一部分可以由导热材料形成，其具有某一尺寸以(1)减小LED模块400和冷却剂管1006之间的距离，并且(2)增加LED模块400和冷却剂管1006之间的侧向截面积。以这种方式，可以减小LED模块400和冷却剂管1006之间的热阻。在一些实施方案中，框架1004可以完全由导热材料形成，以简化制造和组装。在一些实施方案中，框架1004的第一部分可以由导热材料形成，而框架1004的其余部分由另一种材料(例如，聚合物)形成，以降低材料成本。
框架1004可以由各种金属、陶瓷、聚合物或复合材料(包含但不限于铜、铝、不锈钢、碳钢、聚乙烯、丙烯酸和瓷)形成。取决于用于形成框架1004的材料，可以利用各种制造方法，包含但不限于挤压、砂铸、铣削、注射成型和手动成型。对于框架1004由多个部分组装的情况，各种联接机构可以用于组装，包含但不限于卡扣配合、螺钉紧固件、螺栓紧固件、粘合剂、钎焊和焊接。
轻脊1002可以用于在受控农业环境中将照明器材1000固定到支撑结构。支撑结构可以是各种类型的结构，包含但不限于栏杆、悬挂平台、天花板和墙壁。轻脊1002可以是形成在框架1004上的突出鳍片，其包含一个或多个不同尺寸的孔，以容纳用于将照明器材1000固定到支撑结构的不同尺寸和类型的联接机构。联接机构可以包含但不限于螺栓紧固件、螺钉紧固件、钩和钩环。轻脊1002的尺寸可以被设置成跨过框架1004的长度，从而沿框架1004提供多个位置，以将照明器材1000以稳定的方式联接到支撑结构。例如，轻脊1002可以以跨过框架1004的长度的长度设置在框架1004的顶侧上。轻脊1002可以包含多个孔，其中每个孔的中心轴线平行于框架1004的顶侧。多个螺栓紧固件可以安装在轻脊1002的每个端部和中心，以将照明器材1000固定到支撑结构的侧壁。多个轻脊1002也可以沿框架1004的长度或在框架1004的多个侧面上分布，以允许照明器材1000联接到不同的支撑结构。
如上所述，冷却剂管1006可以用于使流体冷却剂800流动以捕捉由LED模块400生成的热量。冷却剂管1006的尺寸可以被设置成具有比框架1004更长的长度，使得冷却剂管的一部分1006可以延伸超过框架1004的侧面，以便于将冷却剂管1006从冷却剂回路、流体循环系统或另一照明器材1000联接到管。各种类型的联接机构可以用于将冷却剂管1006联接到另一管，包含但不限于螺纹配件，其中冷却剂管1006的端部具有相对应的螺纹；和螺栓紧固件，其中冷却剂管1006的端部具有与另一管上的相对应法兰配合的法兰。在一个优选实施方案中，推动连接管道配件可以用作联接机构，其中冷却剂管1006的端部裸露。以这种方式，不需要使用内部密封件和O形环。
多个冷却剂管1006可以并入框架1004中，其中每个冷却剂管1006可以用于使流体冷却剂800沿相同或相反方向流动。例如，照明器材1000可以包含设置在框架1004的相对侧面上的两个冷却剂管1006。对于支撑多个LED模块400的照明器材1000，相反的流配置(例如，流体冷却剂800在两个冷却剂管1006之间以相反方向流动)可以更均匀地从多个LED模块400去除热量。相比之下，相同的流配置将导致从最靠近流体冷却剂800输入的LED模块400去除更多的热量，而从最远离流体冷却剂800输入的LED模块400去除更少的热量。另外，相反的流配置可以更容易地便于闭合冷却剂回路的实施。例如，两个冷却剂管1006可以通过管道配件在一端连接，使得进入照明器材1000的流体冷却剂800先流动通过第一冷却剂管1006，然后顺序地通过第二冷却剂管1006，再在相同的侧面上离开照明器材1000。
冷却剂管1006可以由各种材料(包含铜、铝和不锈钢)形成。在一个优选实施方案中，冷却剂管1006可以由铜形成，以减少藻类生长、结垢和腐蚀。因此，通过使用上述推动连接管道配件来联接铜冷却剂管1006，流体冷却剂800可以通过仅由铜构成的冷却剂回路，而不会接触照明器材中的其它材料(例如，铝框架1004)。
冷却剂管1006的截面尺寸可以取决于多种因素而有所不同，所述因素包含但不限于期望的流速、流体冷却剂特性(例如，动态粘度、密度)和期望的流动类型。例如，可能期望流体冷却剂处于湍流状态，这产生更高的热传递系数，从而从照明器材1000散发更多的热量。在一些实施方案中，可以选择冷却剂管1006的截面尺寸，使得对于给定的泵功率和冷却剂回路几何形状，特定的雷诺数Re大于所需阈值(例如，对于湍流而言，Re>4000)。冷却剂管1006的内表面也可以被粗糙化以增加表面积和对流热传递系数。可以选择内表面粗糙度的有效深度和间距，从而基本上不增加泵送要求(例如，由于较大的压降)，并保持内表面对流体冷却剂800的润湿性(例如，保持亲水性、亲油性)。
可以基于几种因素来选择用于捕捉和载运来自照明器材1000的热量的流体冷却剂800。第一，优选的是，流体冷却剂800表现出高导热率和高比热，以便增加从LED模块400到流体冷却剂800的热量散发。第二，流体冷却剂800在受控农业环境的操作温度和压力范围内应保持液相。例如，流体冷却剂800在通过照明器材1000、冷却剂回路、流体循环系统或冷却塔时不应冻结或沸腾。第三，还应选择流体冷却剂800，以使其基本上不腐蚀冷却剂管1006。对于受控农业环境，流体冷却剂800可以是各种流体，包含但不限于水、矿物油、乙二醇和混合物。
照明器材1000还可以包含一个或多个通信和/或辅助电力端口，例如以向联接到一个或多个端口的一个或多个辅助装置提供辅助DC电力，和/或便于照明器材和一个或多个辅助装置之间的通信。此类端口的实例包含但不限于一个或多个以太网供电(PoE)端口和/或一个或多个通用串行总线(USB)端口。
例如，照明器材1000可以包含至少一个电力端口1010，以向照明器材1000中的各个组件(例如，LED模块400)和/或电联接到照明器材1000的各个组件(例如，其它照明器材1000或辅助传感器)供应电力。电力端口1010可以接收交流(AC)电力(例如，来自建筑电力供应系统)作为输入，其可以经由处理器90转换为直流(DC)电力。处理器90可以包含电子器件以便于DC和AC电力之间的转换，如下面将更详细地讨论。
一个或多个通信端口1009也可以在照明器材1000中使用，以便于到和来自照明器材1000的数据传输。例如，通信端口1009可以用于远程地控制照明器材1000的各个方面，包含但不限于对电力的调整(例如，高电压和低电压模式)，对发光的光谱含量的调整(例如，将更多电力引导到蓝色或红色LED元件)和操作辅助传感器装置的命令(例如，数据记录的频率)。在另一实例中，通信端口1009可以用于向远程用户发送各种状态和监控数据，包含但不限于电力消耗、温度和由辅助传感器装置测量的数据。由通信端口1009接收和传输的数据可以部分地由处理器90管理，如将在下面更详细地讨论。
通信端口1009可以容纳各种类型的电缆，包含但不限于通用串行总线(USB)电缆和以太网供电(PoE)电缆。在一些实施方案中，可以使用多个通信端口1009(包含USB和PoE端口)来实现更大的灵活性和与更多类型的电缆和辅助装置的兼容性。一个或多个通信端口1009可以设置在框架1004的一个或多个侧面上。例如，一组通信端口1009可以设置在框架1004的相对侧面上(例如，左侧和右侧，或前侧和后侧)，以便于菊花链配置中的多个照明器材1000之间的连接。通信端口1009也可以设置在可能部署了辅助传感器的框架1004上。例如，通信端口1009可以设置在框架1004的底侧上，以提供到辅助传感器的电连接，所述辅助传感器用于监控位于照明器材1000下方的植物附近的环境状况。在一些实施方案中，通信端口1009还可以供应DC电力。例如，照明器材1000可以包含USB端口，其可以为辅助传感器装置供电并通过相同的通信端口1009接收由辅助传感器装置测量的数据。
LED模块400可以包含被布置成阵列的一个或多个LED元件。LED模块400的一个或多个LED元件可以各自发射特定波长的光，使得LED模块400组合地用多个波长的光辐照植物，所述多个波长被定制以改善与植物的种植和受控农业环境的操作有关的各个方面，包含但不限于提高植物的光合速率、种植改良和紫外线(UV)灭菌。可以将一个或多个LED元件组装到印刷电路板的前侧。在图6A和6B中示出了根据一个发明实施方案的LED模块400的示例性电路布局，其示出了LED模块400A的相应半部400A1和400A2。如图所示，LED模块400A可以包含分布在整个印刷电路板上的多个LED元件。
印刷电路板可以是金属芯印刷电路板(MCPCB)，以便于由一个或多个LED元件生成的热量散发。LED模块400可以联接到框架1004，使得印刷电路板的后侧与如上所述的位于凹入部分中的框架1004的底侧接触。LED模块400可以使用各种联接机构(包含但不限于螺钉紧固件、螺栓紧固件、夹子和夹具)联接到框架1004。可以调整联接机构，使得将夹紧力施加到LED模块400，从而改善LED模块400和框架1004之间的热接触。另外，热界面材料也可以放置在LED模块400和框架1004之间以改善热接触。
在一些实施方案中，照明器材1000还可以包含位于框架1004的凹入部分上的光学器件，其覆盖LED模块400。光学器件可以用于修改由LED模块400发射的光的方向和角度分布。例如，光学器件的一部分可以具有凸面，以将从LED模块400发射的光聚焦到直接位于照明器材1000下方的植物上。光学器件可以使用各种联接机构(包含但不限于螺钉紧固件、螺栓紧固件、夹子和夹具)联接到框架1004。在一些实施方案中，光学器件可以在LED模块400周围形成基本上气密的围罩，从而在受控农业环境中将LED模块400与周围环境基本上隔离。与可以由框架1004形成的气密围罩类似，光学器件可以减少水分渗入，从而降低损坏LED模块400的冷凝风险。
在图7A-7C中示出了根据一个发明实施方案的示例性照明器材1000。图7A示出了照明器材1000的底部透视图，并且图7B示出了照明器材1000的前视图、底视图、左侧视图和右侧视图。如图所示，照明器材1000包含尺寸被设置成支撑三个LED模块400A、400B和400C的框架1004，所述三个LED模块定位成一行并且设置在框架1004的底侧上。可以在框架1004的顶部上形成基本上跨过框架1004的整个长度的轻脊1002。轻脊1002可以包含多个不同尺寸的孔，以便于在受控农业环境中将照明器材1000联接到支撑结构。框架1004的左侧和右侧面板可以通过多个螺钉紧固件固定，并且因此可以被去除以允许进入框架1004的内部腔。框架1004的左侧面板可以包含两个通信端口1009，例如USB端口1012A和PoE端口1008C。框架1004的右侧面板还可以包含两个通信端口1009，例如两个PoE端口1008A和1008B，以及电力端口1010。两个通信端口，例如USB端口1012B和PoE端口1008D，可以设置在框架1004的底侧上，以便于与辅助传感器装置的连接，所述辅助传感器装置可以用于监控植物附近的环境状况。照明器材1000还包含沿框架1004的前侧和后侧设置的两个冷却剂管1006A和1006B。框架1004可以由铝挤压件形成以包含相对应的一对通道。可以由铜形成的冷却剂管1006A和1006B可以被压配合或挤配合到相对应的通道中。以这种方式，显著降低了流动通过冷却剂管1006A和1006B的流体冷却剂接触框架1004的可能性。
图7C示出了照明器材1000的截面视图，其中冷却剂管1006A和1006B被示出为被压配合到框架1004的通道中。热界面材料1007可以设置在通道和冷却剂管1006A和1006B之间以改善热接触。LED模块400A-400C基本上设置在框架1004的底侧的凹入部分中并且紧邻冷却剂管1006A和1006B以便于热量散发。如图所示，由导热材料形成的框架1004的一小部分存在于冷却剂管1006A和1006B和LED模块400A-400C之间。图7C还示出了用于支撑各个控制电路系统板100、200和300(其在下文中被统称为处理器90)的安装特征1014。安装特征1014是沿框架1004的前侧和后侧设置的一对突出狭槽，其尺寸被设置成支撑处理器90的相对边缘。处理器90位于冷却剂管1006A和1006B核LED模块400A-400C的上方，以便减少由于由LED模块400A-400C生成的热量引起的热效应。还包含光学器件1020，其可以经由多个螺钉紧固件联接到框架1004。光学器件1020可以是具有凸面的透明透镜，其用于沿期望的方向和角度分布重新引导由LED模块400A-400C发射的光。光学器件1020还可以基本上将LED模块400A-400C封闭并且使其与周围环境隔离。
图7D-1和7D-2示出了根据本公开的一些实施方案的包含一个或多个板载相机和/或传感器1005以及无线通信装置1003的另一照明器材1000的各种视图。如图所示，一个或多个相机/传感器1005以及无线装置1003可以被安装和/或集成到照明器材1000的框架1004中。一个或多个相机/传感器1005和/或无线装置1003可以与联接到照明器材1000的传感器/通信装置结合使用或作为其替代物使用，以用作各个通信端口(例如，PoE端口1008A-1008D、USB端口1012A-1012B)的附件。在一些实施方案中，一个或多个相机/传感器1005和/或无线装置1003可以从电力端口1010直接接收电力(例如，端口1010提供AC电力)，或者从另一装置间接接收电力(例如，处理器90提供DC电力)。
在一些实施方案中，框架1004可以包含一个或多个开口(未示出)以机械安装相机/传感器1005和/或无线装置1003(例如，与外壳或一个或多个相机/传感器1005和/或无线装置1003中的印刷电路板上的相对应开口对准的一个或多个螺栓或一个或多个螺钉紧固件的开口)。一个或多个开口还可为一个或多个相机/传感器1005和/或无线装置1003提供电馈通。例如，一个或多个相机/传感器1005的感测组件和/或无线装置1003的传输器/接收器可以设置在框架1004的外部，并且经由一个或多个电线电联接到设置在框架1004的腔内的相应处理器。在一些实施方案中，框架1004可以包含孔和/或凹入部分以减少或防止对一个或多个相机/传感器1005的视场的阻碍。框架1004还可以提供垫片和/或密封件的配合特征(例如，凹入部分)，以保护设置在框架1004的腔中的相机/传感器1005和/或无线装置1003的敏感组件(例如，暴露的电子电路系统)免受环境的影响。
一个或多个无线通信装置1003可以包含一个或多个WiFi天线和随附的电路(例如，芯片组、处理器)，以便于到达/来自照明器材1000的无线通信。在一些实施方案中，无线装置1003可以包含传输器和/或接收器以与一个或多个远程装置(例如，计算机、服务器、平板计算机、智能电话)进行通信。例如，无线装置1003可以包含传输器，以将由相机/传感器1005(或联接到PoE端口1008A-1008D和/或USB端口1012A-1012B的另一传感器)收集的各种感觉数据传输到远程装置(例如，以进行处理、记录)。在另一实例中，无线装置1003可以包含接收器，以从远程装置接收信号，所述信号可以包含调整照明器材1000的操作的命令。命令可以包含但不限于调整LED模块400的光输出(例如，总强度、光谱强度分布)、通过冷却剂管1006A和1006B的流体冷却剂的流量(例如，调整阀以控制流速)以及调整各个传感器的设置(例如，打开/关闭传感器、获取速率、传感器的操作模式)。
在一些实施方案中，无线装置1003的一个或多个电路可以包括电联接到无线装置1003的相应天线的分立电路板(未示出)。所述电路板继而可以联接到照明器材1000中的电路系统(例如，处理器90)以便于照明器材1000的相应组件之间的电通信。在一些实施方案中，无线装置1003可以直接联接到照明器材1000上的一个或多个通信端口(例如，PoE端口1008A-1008D和/或USB端口1012A-1012B)和/或另一装置(例如，相机/传感器1005)。
无线装置1003通常可以使用各种通信协议与其它远程装置进行通信，所述通信协议包含但不限于LoRaWAN、WiSun、Zigbee、蓝牙、3G、4G和5G。在一些实施方案中，可以使用可以使用各种加密协议来加密由无线装置1003传输和/或接收的无线信号，所述加密协议包含但不限于有线等效保密(WEP)、Wi-Fi保护访问(WPA)、WPA版本2(WPA2)和WPA版本3(WPA3)。在一些实施方案中，可以使用无线装置1003代替以太网电缆160来进行到达/来自照明器材1000的数据通信。以这种方式，包含多个照明器材1000的照明系统可以利用相应无线装置1003进行通信(例如，在照明器材1000之间，在照明器材1000和远程装置之间)，从而通过减少所使用的以太网电缆160的数量来简化安装。在一些实施方案中，各自采用一个或多个无线装置1003的多个照明器材1000可以被配置和布置为照明器材的无线网状网络。
图7D-1和7D-2的照明器材1000还可以包含设置在照明器材1000的框架1004之中或之上(与其集成)的一个或多个相机、其它成像装置(例如，热成像仪)或其它传感器(被统称为附图标记1005)。可以使用一个或多个相机/传感器1005来获取关于农业环境的各种信息，包含但不限于照明器材1000周围的环境中的植物和/或其它目标对象的图像(视频图像或静态图像以及热图像)、照明条件、温度、相对湿度、空气和/或土壤中的营养水平以及二氧化碳(CO2)浓度)。可以包含在一个或多个相机/传感器1005中的各种类型的传感器的实例包含但不限于响应于至少可见光波长和/或IR波长范围内的辐射的一个或多个相机、空气温度传感器、近红外(NIR)叶片水分传感器、相对湿度传感器、高光谱相机，二氧化碳传感器，红外(IR)叶片温度传感器，气流传感器和根区温度传感器。
在一些实施方案中，一个或多个相机/传感器1005可以被配置成获取在由一个或多个LED源400辐照的照明器材1000周围的环境中的植物和/或其它目标对象的部分附近的感觉数据。在采用多个相机/传感器1005的一些示例性实施方案中，多个相机/传感器1005可以共定位在照明器材1000的框架1004上(例如，彼此足够接近)，使得相机和/或传感器的相应视场(FOV)基本上重叠或基本上相同。以这种方式，不同类型的感觉数据可以对应于环境的相同区域，从而使得能够对环境进行更全面的分析。在一些实施方案中，由照明器材1000的一个或多个LED光源400辐照的植物和/或其它目标对象的部分可以进一步细分为子区域，所述子区域各自的特征在于设置在照明器材1000上/集成在其中的相对应的相机/传感器1005的集合。
在一些实施方案中，一个或多个相机/传感器1005可以包含多个相机或其它成像装置(例如，热成像仪)，其便于在不同光谱频带内获取图像和其它信息。例如，照明器材1000可以包含在各种光谱频带中获取图像的相机，所述光谱频带包含但不限于紫外频带(例如，10nm和400nm之间的波长)、可见光频带(例如，400nm和700nm之间的波长)、近红外(NIR)频带(例如，700nm和1.4μm之间的波长)、中红外(MIR)频带(例如，1.4μm和8μm之间的波长)和远红外(FIR)频带(例如，大于8μm的波长)。
为此，图7D-2示出了照明器材1000的一个实施方案可以包含三个相机/传感器1005A、1005B和1005C。如图7D-2中所示，多个相机/传感器1005A、1005B和1005C可以与照明器材1000的底部部分集成并且设置在其上，邻近一个或多个光源400。尽管图7D-2示出了位于照明器材1000的底部部分上的多个光源400的一侧上的三个相机/传感器，但是应当理解，根据本文所述的发明构思，照明器材1000中可以包含不同数量的相机/传感器1005，并且一个或多个相机/传感器可以设置在照明器材1000上或与以其它方式与其集成，位于除图7D-2中所示以外的照明器材上的各个其它位置(location/position)处(并且如以下结合其它示例性实施方案进一步讨论)。
在一些实施方案中，一个或多个相机/传感器1005可以包含一个或多个处理器(例如，Raspberry Pi处理器)，并且一个或多个相机/传感器可以被配置成与一个或多个处理器一起操作。在图7D-2中示出的照明器材的一个示例性实施方案中，照明器材1000包含可见光相机1005A、红外相机1005B和/或IR单点传感器1005C。如图所示，多个相机/传感器可以彼此邻近地共定位在器材1000上(例如，使得它们具有重叠或显著重叠的视场)。相机/传感器1005A、1005B和1005C可以由设置在框架1004的腔中的一个或多个处理器控制。
相机/传感器1005A的一个实例包含但不限于Raspberry Pi相机模块v2。v2相机模块具有Sony IMX219 8百万像素传感器，并且可以用于获取高清视频和/或静态照片。所述传感器除了静态捕捉外还支持1080p30、720p60和VGA90视频模式。所述传感器经由15cm带状电缆附接到Raspberry Pi上的相机串行接口(CSI)端口。所述相机与各种Raspberry Pi型号一起工作，包含但不限于Raspberry Pi 1、2和3。可以使用多媒体抽象层(MMAL)和Linux视频(V4L)API来访问和控制相机1005A。另外，可以使用多种第三方软件库在各种软件环境中控制相机1005A(例如，使用Picamera Python库的Python)。
相机/传感器1005B的一个实例包含但不限于红外相机模块v2(Pi NoIR)。v2 PiNoIR具有Sony IMX219 8百万像素传感器，其与1005A的Raspberry Pi相机模块v2中使用的相机相同。区别在于Pi NoIR不包含红外滤波器(NoIR＝无红外)，并且因此能够获取红外光谱的至少一部分(例如，NIR)的图像。在一些实施方案中，Pi NoIR可以与蓝色凝胶方块(square of blue gel)一起使用以监控绿色植物的健康。与Pi Cam相似，Pi NoIR可以与各种Raspberry Pi型号一起工作，包含但不限于Raspberry Pi 1、2和3。而且，也可以使用MMAL和V4L API以及第三方库(例如，使用Picamera Python库的Python)在软件中访问和控制Pi NoIR相机。
在一些示例性实施方案中，以上结合相机1005B描述的Pi NoIR相机可以替代地用作相机/传感器1005A，使得相机1005A可以用于捕捉具有在大约356纳米至950纳米的范围内的光谱含量(包含所述光谱的可见光部分和红外光谱的至少一部分(例如，NIR))的图像。在相机/传感器1005A包含宽带相机/传感器(例如，Pi NoIR相机)的实施方案中，相机/传感器1005B可以是响应于大约8微米到大约14微米的范围内的波长(FIR)的长波IR热成像仪。此热成像仪的一个实例包含但不限于FLIR Lepton 3.5微型热成像仪，其提供160x 120像素的校准辐射输出。
IR单点传感器1005C的一个实例包含但不限于用于非接触温度测量的MelexisMLX90614红外测温仪。IR敏感热电堆检测器芯片和信号调节专用集成电路(ASIC)集成在同一TO-39罐中。MLX90614还包含低噪声放大器、17位模数转换器(ADC)和功能强大的数字信号处理器(DSP)单元，以实现测温仪的高精度和高分辨率。测温仪可以利用数字系统管理总线输出进行工厂校准，从而以0.02℃的分辨率提供对一个或多个完整温度范围中的测量温度的访问。数字输出可以被配置成使用脉冲宽度调制(PWM)。作为标准，10位PWM被配置成以0.14℃的输出分辨率连续传输-20℃到120℃范围内的测量温度。
在一些实施方案中，一个或多个处理器可以对应于处理器90(例如，一个或多个相机/传感器1005联接到用于支持LED光源400和各个通信端口的同一电路系统板)。在一些实施方案中，与一个或多个相机/传感器1005的操作相关联的一个或多个处理器可以与电联接到处理器90的一个或多个分立电路板相关联。对于这种情况，可以使用处理器90来便于经由相应的一个或多个处理器对一个或多个相机/传感器1005进行控制。例如，一个或多个处理器可以是一个或多个Pi处理器，它们特征通常是Broadcom片上系统(SoC)，所述片上系统具有与RISC机器(ARM)兼容的集成高级中央处理器(CPU)以及片上图形处理单元(GPU)。可以使用安全数字(SD)卡来以SD高容量(SDHC)或微型SDHC大小存储操作系统和程序存储器。所述板可以具有多个端口(例如，一个到四个USB端口)。可以支持HDMI和复合视频来进行视频输出，并且可以支持标准3.5mm芯-环-套筒插孔来进行音频输出。由支持例如I2C的通用协议的多个GPIO引脚提供较低水平的输出。B型号具有8P8C以太网端口，并且Pi 3和PiZero W具有板载Wi-Fi802.11n和蓝牙。
在一些实施方案中，一个或多个相机和/或传感器1005可以被包装为单独的模块，以易于与照明器材1000相关的组装和/或安装。此相机/传感器模块可以直接机械安装到照明器材1000的框架1004并且电联接到照明器材1000中的其它系统(例如，将模块连接到处理器90的电缆或电线)。在一个方面中，单独的模块可能更易于包装相机/传感器1005并保护各个组件免于暴露于环境中的水和/或水分。在一些实施方案中，可以将多个模块设置在框架1004上，其中每个模块可以含有一个或多个相机/传感器1005。具有一组相机/传感器1005的模块也可以容易地被具有另一组相机/传感器1005的另一模块替换。以这种方式，照明器材1000可以是模块化设计的，从而使得能够在照明器材1000的初始组装和/或后组装(以在部署后改变/更新模块)期间将具有不同功能的不同模块安装到同一个框架1004上。
在另一示例性实施方案中，图7E-7P示出了配备有如上文的讨论中所介绍的相机/传感器1005的照明器材1000的几个视图，其中相机/传感器被集成为用作多光谱成像系统1100(在本文中也被称为“成像系统1100”)的模块。如图中所示，在一个示例性实施方案中，成像系统1100可以直接安装到LED光源400A和400B之间的框架1004。照明器材1000还可以包含板载冷却(例如，冷却管1006A和1006B)和各个通信端口(PoE端口1008A-1008C、USB端口1012A)，以在照明器材1000和另一装置(例如，另一照明器材1000、远程装置、附件)之间进行数据传递。如图7N-7P的截面视图中所示，成像系统1100可以包含电子电路系统。在一些实施方案中，成像系统1100可以电联接到照明器材1000的其它组件(例如，控制电路系统板100、200、300)以接收电力和/或向/从成像系统1000传递数据。
可以使用成像系统1100来表征环境中的植物随时间的生长和/或健康。这可以部分地通过利用成像系统1100本身或与一个或多个光源(例如，LED光源400A-400C)结合以用不同的辐射波长辐照植物和/或其它目标对象并响应于不同波长的辐照而测量植物和/或其它目标对象随时间在其周围环境(例如，照明器材1000的环境中)的光谱光学性质来实现。前述过程可以被称为“动力学有限吸收和反射光谱学”，其中响应于特定波长的辐照，针对植物和/或其它目标对象随时间收集不同的有限光谱图像和/或其它信息，然后分析所获取的图像/所收集的信息，以确定植物和/或其它目标对象的物理变化。
如下面进一步讨论，在一个示例性实施方案中，成像系统1100可以包含一个或多个相对窄带或基本上单色的辐照器(例如，在本文中也被称为“闪光灯”)。可以控制这些辐照器以提供对一个或多个植物和/或其它目标对象的辐照(“闪光”)，同时操作成像系统1100的一个或多个相机/传感器来获取关于相对窄带或基本上单色的闪光灯所辐照的目标对象的图像和/或其它信息。
可以使用由成像系统1100测量的植物的光谱光学性质来检测和量化与植物发育有关的各种化学化合物。例如，图7Q示出了各种类型的叶绿素化合物的光谱吸收性质。如图所示，各种化学化合物表现出不同的吸收峰，其可以用于标识和区分化合物。这些化合物的存在可能在不同的植物物种之间有所不同。对于特定的植物物种，由成像系统1100测量的相对于标称基线的这些化合物的量可以提供关于植物发育的各个方面(包含但不限于发育阶段、预期作物产量、外观、营养成分、结构完整性、开花和授粉)的有价值的信息。
在一个实例中，光源可以用基本上宽带的光(例如，白光源)照亮植物。在这种情况下，成像系统1100可以包含光谱仪(例如，板载单色仪)，所述光谱仪通过分离植物反射的宽带光的光谱分量来测量植物的光谱反射性质。在另一实例中，光源可以用特定波长的基本上单色的光照亮植物，并且成像系统1100可以测量由植物以所述波长反射的光的量(例如，单点测量、植物的图像)。光源的发射波长可以是可调的。因此，成像系统1100可以通过调整照亮植物的光的波长来获取植物的不同波长的光谱反射性质。对于这种情况，成像系统1100可以在不使用滤波器的情况下获取植物的光谱性质。
可以使用由成像系统1100收集的数据来监控植物的发育和/或提供反馈以调整照明器材1000的其它组件(例如，LED光源400发射的光的总强度或光谱强度)以便改善植物的健康和生长。例如，如果成像系统1100检测到由虫害引起的对植物的损害，则可以调整照明器材1000以用更多的UV光作为驱虫剂的形式照亮植物。在另一实例中，成像系统1100可以随时间获取数据以评估典型的白天/夜晚周期(例如，短日/长日植物的开花)期间的植物的变化。可以使用本信息来通过调整照明器材1000以用更多/更少的近红外光(例如，730nm光)照亮植物，从而改变植物开花的时间。以这种方式，植物可以以更快的速度生长。
图8A-8I和8J-8Q分别示出了根据示例性发明实施方案的具有和不具有外壳1120的多光谱成像系统1100的几个视图。如图所示，成像系统1100可以包含支撑前述的相机/传感器1005A、1005B和1005C的电路板1110。成像系统1100还可以包含LED阵列1140A和1140B(被统称为LED阵列1140)，以用各种波长的辐射辐照植物，以便于获取一个或多个相对应的多光谱图像(其中当暴露于来自具有一个或多个特定辐射波长的一个或多个LED的一个或多个闪光时，由一个或多个相机/传感器感测/捕捉一个或多个对象植物所反射或以其它方式发射的辐射)。因此，成像系统1100在单个独立装置中提供多光谱辐照和感测。成像系统1100还可以包含辅助LED阵列1150A和1150B(被统称为辅助LED阵列1150)以增强LED阵列1140和/或改变植物的化学/形态性质。成像系统还可以包含单点激光测距仪1170。电路板1110可以包含电力电子电路系统1160以支持LED阵列1140和1150、相机/传感器1005、激光测距仪1170以及成像系统1100的其它组件的操作。成像系统1100可以包含外壳1120，以保护相机/传感器1005A、1005B和1005C、LED阵列1140和1150以及其它电子器件免受周围环境的影响。
LED阵列1140可以包含一个或多个LED元件1142。阵列1140的每个LED元件1142可以发射特定波长频带或基本上单色波长的辐射，并且可以独立于其它LED元件1142来控制。当操作一个或多个LED元件1142以用相对窄带或基本上单色的辐射来辐照环境的期望部分(例如，照明器材1000下方的植物)，一个或多个相机/传感器1005(例如，相机1005A)响应于所操作的一个或多个LED元件的一个或多个相对应波长的辐射而获取含有由视场中的植物对象所反射或以其它方式发射的辐射的相对应图像。可以激活不同的LED元件1142以用不同波长的辐射照亮环境的期望部分，并且相机/传感器1005继而可以获取与由激活的LED元件的相应不同波长/波长频带产生的反射和/或发射辐射相关的相对应图像或其它感测信息。在一些示例性实施方案中，在以多个波长/波长频带获取图像和/或其它信息之后，可以通过将相应的获取图像彼此对准和叠加来形成多光谱图像。以这种方式，多光谱图像可以包含关于环境的期望部分的空间和光谱信息(例如，多光谱图像的每个像素含有相对应的光谱数据)。
成像系统1100通常可以包含一个或多个LED阵列1140。每个LED阵列1140可以包含一个或多个LED元件1142。例如，每个LED阵列1140可以包含约1至约100个LED元件1142。LED阵列1140中的LED元件1142可以彼此相邻地设置在电路板1110上。LED阵列1140可以布置在电路板1110上以提供期望的照明分布。例如，LED阵列1140A和1140B可以包含相同类型的LED元件1142，从而提供发射相同波长的辐射的多个辐射源。图8A示出了LED阵列1140A和1140B可以设置在相机1005A的相对侧上。通过用来自相机1005A的相对侧的辐射辐照植物和/或其周围环境，相机1005A可以在更均匀的辐照下获取图像。可以通过不同的布置和/或使用光学元件(例如，将LED阵列1140的前面的外壳1120的一部分成形，将单独的漫射器或透镜放置到LED阵列1140上)来实现其它照明分布。
LED阵列1140通常可以包含分别发射不同波长的辐射的LED元件1142。例如，LED元件1142可以发射在约200nm至约2μm之间的波长范围内的辐射。LED元件1142的数量和它们发光的波长可以部分地基于与照明器材1000的环境中的植物(参见图7Q)和/或其它目标对象相关联的各种化学化合物的已知光谱吸收峰来选择。例如，可以选择LED元件1142以覆盖从UV到NIR波长范围的几种不同类型的化合物的吸收峰。在一些实施方案中，可能优选的是，使用具有较小光谱带宽(例如，基本上单色的辐射)的LED元件1142，以便在获取植物和/或其它对象的多光谱图像时提供更大的光谱分辨率。例如，被认为是基本上单色的一个或多个LED元件1142的光谱带宽可以小于约50nm。其它LED元件1142可以发射更宽波长范围内的辐射；例如，一个或多个LED元件1142可以是白色LED，其中所生成的辐射覆盖某一波长频带并且可以被指定为对应于特定色温。
在一些实施方案中，可以分别接连地(并且任选地根据某一模式或顺序)在相对短的时间内激活(即，快速地打开和关闭)LED元件1142，从而在使用一个或多个相机/传感器(1005)获取与反射辐射有关的各种信息时使植物暴露于光的短暂“闪光”。例如，LED元件1142可以发射持续时间小于约1秒的辐射。以这种方式激活LED元件1142可能具有多种好处，包含但不限于(1)减少获取不同波长的图像/信息之间的时间延迟，使得所获取的多个图像/信息代表相同的环境状况，和(2)减少植物和/或其它成像对象暴露于辐射的持续时间。在一些实施方案中，一个或多个相机/传感器1005可以与LED元件1142同步，使得当LED元件1142被激活时，一个或多个相机/传感器1005被触发以获取图像/信息。以这种方式，可以通过用来自不同LED元件1142的辐射依次对植物闪光并使用一个或多个相机/传感器1005捕捉每次闪光期间的图像/信息来收集一系列图像/信息。在其它实施方案中，可以一起激活具有不同光谱输出的多个LED，同时获取与由被辐照的植物和/或其它对象吸收和/或反射的辐射有关的一个或多个图像和/或其它信息。
在一个示例性实施方案中，LED阵列1140的基本上单色的LED元件1142的相应波长可以包含但不限于365nm、450nm、530nm、620nm、630nm、660nm、730nm、850nm、860nm、940nm和950nm。更一般地，LED阵列1140的LED元件1142可以具有大约365nm至540nm之间以及大约605nm至1100nm之间的辐射波长。
在一些实施方案中，可能优选的是，LED阵列1140中的LED元件1142发射具有足够强度的辐射以以期望的质量获取图像/信息(例如，图像/信息的信噪比为高于预定阈值)，而不会引起植物的化学和/或形态变化(例如，光形态发生)。以这种方式，由一个或多个相机/传感器1005获取的各种图像/信息代表处于其非照明状态的植物。例如，LED元件1142可以具有小于约6瓦的额定瓦数(所述额定瓦数可以与从LED元件1142输出的辐射相关)。
辅助LED阵列1150可以包含另外的LED元件1152。LED元件1152可以具有与上述LED元件1142相同的一个或多个特征。在一个实例中，LED元件1152可以以与LED元件1142相同的一个或多个波长发射辐射，以便在获取与被照射的植物/其它对象相关的图像/信息时增加总体辐射强度(即，LED元件1142和1152都被激活)。在一些实施方案中，LED元件1152可以提供大于LED元件1142的辐射输出。例如，LED元件1152可以具有大于约6瓦的额定瓦数。可以部分地使用LED元件1152提供的较高的辐射输出来有意地诱发环境中的植物的化学和/或形态变化。例如，LED元件1152可以在730nm处提供较高的辐射输出，以便改变植物的白天/夜晚周期(例如，改变植物开花的时间)。在另一实例中，LED元件1152可以提供UV光以防治环境中的虫害。
可以部分地使用外壳1120来封闭和保护成像系统1100的各个组件并便于将成像系统1100安装到照明器材1000的框架1004上。例如，图8A-8E示出了外壳1120包含每个拐角处的多个开口1122，所述开口与框架1004上的相对应的一组孔(未示出)对准，以便于例如经由一个或多个螺栓或螺钉紧固件的附接。在一些实施方案中，外壳1120可以形成基本上密封的围罩，以便防止水分和/或水接触电路板1110上的各个电子器件、相机和传感器。如图8C和8E中所示，外壳1120可以沿其周边包含凹槽以支撑垫圈1124。当外壳1120联接到框架1004时，垫圈1124可以变形以形成密封。在一些实施方案中，外壳1120可以与框架1004形成基本上水密的密封。
外壳1120可以由各种塑料和/或陶瓷材料形成。在一些实施方案中，外壳1120可以由对波长至少与LED元件1142和1152的发射波长相对应的光基本上透明的材料形成。因此，当辐照植物和/或周围环境时，由LED元件1142和1152发射的辐射可以透射通过外壳1120。在一些实施方案中，外壳1120可以被成形为沿着期望的方向重定向由LED元件1142和1152发射的辐射。例如，外壳1120可以被成形为将以更宽的角度发射的辐射重定向到设置在照明器材1000正下方的植物，以便更有效地将辐射用于成像/信息获取。在一些实施方案中，可以改变外壳1120的表面光洁度以分散辐射(例如，基本上光滑的光洁度以提供镜面照明，或者基本上粗糙的光洁度以提供漫射照明)。
在一些实施方案中，外壳1120可以由在目标波长范围上不足够透明的材料形成。例如，相机1005A可以从UV到NIR范围获取图像/信息，而相机1005B可以在MIR和FIR范围中获取图像/信息。在如此大的波长范围内，材料通常不是透明的。此外，在一些情况下，外壳1120的寄生吸收可能影响由一个或多个相机/传感器1005收集的数据。鉴于前述，外壳1120可以包含设置在一个或多个相机/传感器1005附近的多个开口1126，所述相机/传感器被成形为支持为每个相机/传感器1005的适当波长范围定制的各种光学元件。
例如，图8B和8D示出可以将锗(Ge)窗1130安装到位于相机1005B和传感器1005C正上方的开口1126中。Ge窗1130可以部分地用作红外滤波器，所述红外滤波器基本上减少(衰减)较高频率(较短波长)的辐射的透射，从而确保相机1005B和传感器1005C接收MIR和FIR范围中的红外光。类似地，玻璃窗1132可以设置在位于相机1005A正上方的开口1126中，以透射UV到NIR辐射。在一些实施方案中，Ge窗1130和玻璃窗1132可以包含抗反射涂层，以增加由相应的一个或多个相机/传感器1005透射和检测的光的量。应当理解，Ge窗1130和玻璃窗1132是两种示例性材料，并且可以用适合于一个或多个相应波长范围的其它材料代替。例如，可以将硒化锌(ZnSe)窗用于IR范围。可以将氟化镁(MgF2)、蓝宝石(Al2O3)和氟化钙(CaF2)用于UV和NIR范围。
图9A-9O示出了根据一个示例性实施方案的成像系统1100中的各个组件的电路图。图9A-9H分别示出了形成LED阵列1140的365nm紫外(UV)LED、450nm宝蓝色LED、530nm绿色LED、630nm红色LED、660nm红色LED、730nm远红LED、860nm红外LED和950nm红外LED的相应驱动器的电路图。图9I和9J示出了可以用于支持额外LED元件1142的另外的通道的电路图。图9K示出了用于IR成像(例如，相机/传感器1005B)的Lepton 3.5插座的电路图。图9L示出了红外测温仪(例如，传感器1005C)的电路图。图9M示出了VL53L1X飞行时间接近传感器(例如，参见图8A中示出的单点激光测距仪1170)的电路图。图9N示出了RT8020脉宽调制(PWM)转换器的电路图。图9O示出了支持成像系统1100的各个组件的数字信号转换器的电路图。
具有照明器材的示例性照明系统
如上所述，照明器材1000可以以菊花链配置联接到其它照明器材1000，其中电和管道连接被共享以便于连续电路和冷却剂回路的组装。对于冷却剂回路，菊花链配置可以是串联的，其中从一个照明器材1000离开的流体冷却剂800流动进入菊花链内的随后的照明器材1000。流体冷却剂800的温度可能由于从随后的照明器材1000的LED模块400生成的热量而进一步升高。应当理解，只要冷却剂流体800的温度小于照明器材1000中的LED模块400的温度，流体冷却剂800仍可以从照明器材1000捕捉热量。此外，在一些实施方案中，排热装置可以沿冷却剂回路散布以在流体冷却剂800通过多个照明器材1000时降低流体冷却剂800的温度并保持足够的热量。图10A中示出了详细说明两个照明器材1000和1000-B可以以菊花链配置联接的方式的一个示例性实施方案。在一些实施方案中，如图10A中所示，可以使用通过轻脊1002中的孔放置并固定到支撑结构999的侧面的螺栓紧固件1027来将照明器材1000联接到支撑结构999。
照明器材1000的冷却剂管1006A和1006B可以使用一个或多个中间管从另一照明器材1000-B联接到相对应的一组冷却剂管1006A-B和1006B-B。如图10A中所示，一对冷却剂管1006B和1006B-B(1006A和1006A-B)可以经由单个中间管1040B(1040A)连接。每个中间管1040B(1040A)可以具有设置在两端上的推动连接配件1025A(1025B)，以便于与冷却剂管1006B和1006B-B(1006A和1006A-B)的连接。中间管的形状可以取决于照明器材1000和1000-B之间的期望距离和定向而有所不同。例如，中间管的长度可以更长，以便将照明器材1000和照明器材1000-B进一步间隔开，以提供更大的面积覆盖或横贯分隔两个分开的种植区域的间隙。在另一实例中，中间管可以弯曲，使得照明器材1000和1000-B相对于彼此以一定角度(例如，90度)定向，以适应可变形状的种植区域。在又一实例中，中间管可以是基本上U形的，以联接平行的两行照明器材1000，其中照明器材1000和1000-B是每个相应行中的最后的照明器材1000。以这种方式，对于多行照明器材1000，冷却剂回路可以是连续的。
可以通过单个电力电缆将电力供应给多个照明器材1000。在图10A中示出了联接到照明器材1000的示例性电力电缆1030。在一些实施方案中，电力电缆1030可以被规定成支持特定电力和电流输入。例如，电力电缆1030可以被规定成供应至少1000W的电功率和高达15A的电流。取决于照明器材1000的功率和电流要求，电力电缆1030可以用于为多个照明器材1000供电，从而减少了需要安装在受控农业环境中的电缆的量和电终端(例如，电插座)的数量。
照明器材1000也可以通信联接到另一照明器材1000，以便于向多个照明器材1000传输数据和控制信号。如图10A中所示，以太网电缆1060可以用于将照明器材1000的PoE端口1008A联接到照明器材1000-B的PoE端口1008C-B。照明器材1000和1000-B中的每一个可以包含处理器，以管理数据和/或控制信号的流。在一些实施方案中，照明器材1000可以用作背负式(piggyback)，以便于将数据和/或控制信号传递到沿菊花链较远定位的另一照明器材1000。以这种方式，跨过大面积的多个照明器材1000可以通信联接到较少数量的网络节点(例如，集线器、交换机、路由器)，并且无需使用过量的网络电缆。
在图10B中示出了受控农业环境2000中的照明器材1000的示例性布置。多个照明器材1000可以沿跨过由架子902A的尺寸限定的种植区域的行布置。所述行中的每个照明器材1000可以联接到设置在架子902A上方的支撑结构999A。如上所述，所述行中的照明器材1000可以以菊花链配置联接在一起。中间管道可以用于联接相邻的照明器材1000，使得流体冷却剂800可以以连续的方式从所述行的单个入口和出口循环通过多个照明器材1000。一个或多个电力电缆可以用于向照明器材1000供应电力。以太网电缆可以用于以串行方式将照明器材1000通信联接到公共网络节点。如图10B中所示，受控农业环境2000可以包含由布置在相对应行的架子902A-902E上方的支撑结构999A-999E支撑的多行照明器材1000。受控农业环境2000可以进一步包含风机75、除湿器65A和65B以及一个或多个空调的空气调节管道85A和85B。
如先前分别在图3和4中的示例性受控农业环境2000A和2000B中所示，照明器材1000可以并入到冷却剂回路570中以便于流体冷却剂800的流动，使得热量可以连续地从照明器材1000去除。在一些实施方案中，冷却剂回路570可被设计成基本上仅从照明器材1000去除热量，并且不旨在与受控农业环境2000A的其它组件或区域热相互作用，如改造应用的图3中的冷却剂回路570中所示。然而，在一些实施方案中，冷却剂回路570可以包含另外的管道子系统，其被设计成将热量重新分配到受控农业环境附近或内部的空间(例如，流体循环应用的图4中示出的冷却剂回路570)和/或储存由照明器材1000捕捉的热量以供以后使用。
管道子系统可以从冷却剂回路570分支，使得流体冷却剂800的流动可以被可控地调整(例如，通过阀和单独的泵)，而不影响流体冷却剂800通过冷却剂回路570的流动，并且因此不影响从照明器材1000去除热量。然而，在一些情况下，管道子系统可以与冷却剂回路570串联放置，其中管道子系统也连续使用。与冷却剂回路570串联使用的管道子系统的一些示例性实例包含但不限于住宅空间中的热水系统的加热系统，将来自流体冷却剂800的热量储存在热能储存系统中，和通过将来自流体冷却剂800的热量转换为电(例如，使用热电装置)来对电池充电。
图11A示出了可以与冷却剂回路570结合以及在使用一个或多个照明器材1000的受控农业环境的其它实施方案中使用的示例性流体循环系统501。如图所示，流体循环系统501可以包含用于储存流体冷却剂800的流体储存罐500，其可以设置在受控农业环境的内部或外部。在一些实施方案中，流体储存罐500可以包含相对较冷的流体冷却剂800和相对较热的流体冷却剂800的分开的隔室，具有足够的热绝缘以使隔室彼此之间并且与周围环境基本上热隔离。流体储存罐500的尺寸也可以被设置成具有足够大的储存容量，使得流体储存罐500的热时间常数在操作期间满足期望的温度变化率。例如，可能期望的是，储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800的温度保持为全天基本上不变(例如，每小时1℃)，以减少供应给各个管道子系统的热量的波动。然而，如果期望对流体冷却剂800的温度进行调整，则由于较长的热时间常数，进行调整所需的时间量可能是禁止性的。在这种情况下，可以代替地使用多个流体储存罐500，每个流体储存罐具有较小的容量并且因此具有较短的热时间常数。
三个潜水泵560A、560B和560C可以设置在流体储存罐500内，以通过三个相对应的管道子系统(即照明环路510、加热环路512和冷却环路514)泵送流体冷却剂800。与泵560A相关联的照明环路510负责将相对较冷的流体冷却剂从流体储存罐500提供给一个或多个照明器材1000，并且将相对较热的流体冷却剂800从一个或多个照明器材1000返回到流体储存罐500。以这种方式，照明环路510可以用作热源以加热储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800，随后热量被分配给其它管道子系统。在一些实施方案中，照明环路510可以用于经由自然对流或热辐射来加热受控农业环境2000的至少一部分，以在期望的温度范围内调节和保持所述部分的温度。
在一些实施方案中，次级加热环路可以并入到照明环路510中以更直接且可控地加热受控农业环境2000的可能不靠近照明环路510的一部分(例如，种植区域)。例如，次级加热环路可以包含泵、风机和风机盘管。泵可以生成通过风机盘管的相对较热的流体冷却剂800的流，从而加热风机盘管。然后，风机可以生成热空气的流，从而经由强制对流加热受控农业环境2000的所述部分。在另一实例中，可以使次级加热环路路经种植区域的根部区域，以经由对流和传导的组合将土壤或营养液加热到期望温度。次级加热环路可以包含流控制装置(例如，阀)，以控制加入到受控农业环境的所述部分的热量。例如，次级加热环路可以联接到根据白天/夜晚周期调整加入的热量的恒温器。
与泵560B相关联的加热环路512还可以用于加热受控农业环境2000的一部分或与受控农业环境2000分开地定位的另一空间。例如，加热环路512可以联接到建筑中的加热、通风和空气调节(HVAC)系统以调节建筑的内部气候，联接到制造工厂中的加热系统(以抵消气体或电消耗)，或联接到热电厂以产生电和高级热量。在一些实施方案中，加热环路512也可以联接到储热器530，所述储热器可以提供另外的容量来储存热量以供受控农业环境2000或另一空间将来使用。
与泵560C相关联的冷却环路514可以用于冷却储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800。以这种方式，可以调节和保持进入照明环路510的相对较冷的流体冷却剂800的温度，这可以减小随时间变化的热漂移的影响(其中相对较冷的流体冷却剂800的温度增加，从而减少了从一个或多个照明器材1000去除的热量)。在一些实施方案中，冷却环路514可以是沿冷却环路514的长度经由自然对流和辐射将热量捕捉到外部环境的管道子系统。在一些实施方案中，排热装置可以并入到冷却环路514中以便于流体冷却剂800的冷却。可以使用各种类型的排热装置，包含但不限于冷却塔、蒸发冷却器、“自然”冷却器、深冷器、干式冷却器、空气源冷却器、地源热交换器、水源热交换器或任何前述的组合。在一些实施方案中，冷却环路514也可以联接到储冷器520，所述储冷器可以提供另外的容量来储存相对较冷的流体冷却剂800以供受控农业环境2000或另一空间将来使用。
在本文描述的各个实施方案中，储存在流体储存罐500中并流动通过照明环路510、加热环路512、冷却环路514以及联接到照明环路510、加热环路512、冷却环路514中的任何一个的一个或多个次级环路的流体冷却剂800的温度可以在适当的温度范围内变化。在一些实施方案中，流体冷却剂800的温度可以在约20℃到约50℃的范围内。流体冷却剂800通过照明环路510的流速可以在每分钟约1加仑到每分钟约3加仑的范围内。加热环路512和冷却环路514可以使用相似或显著不同(例如，更高)的流速。此外，冷却剂回路和各个管道子系统(例如，照明环路510、加热环路512和冷却剂环路514)可以经由泵、调节器和/或阀中的至少一个来控制。泵、调节器和/或阀中的至少一个可以在各种时间周期(例如，每天、每周、每月、每个季节、其它周期性或其任意组合)上操作以调节和保持期望的热状况，这在受控农业环境2000B中可以是随时间动态变化的。
另外，尽管在图11A中示出了三个管道子系统，但是应当理解，可以将任何数量和组合的管道子系统与冷却剂回路570一起使用。例如，加热环路512和冷却环路514中的一个或两个可以结合照明环路510来使用。还应当理解，尽管在图11A中示出了三个潜水泵560A-560C，但是任何数量的泵可以用于特定的管道子系统，并且泵560A-560C也可以设置在流体储存罐500的外部。泵可以是各种类型的泵，包含但不限于活塞泵、端吸泵、隔膜泵、齿轮泵、凸轮泵、柔性叶片泵、章动泵、蠕动泵、离心泵、扩散泵、旋桨泵和周边泵。
图11B中示出了在受控农业环境2000中联接到照明器材1000和冷却剂回路570的流体循环系统501的一个示例性实施方案。流体循环系统501可以包含其中含有潜水泵560的流体储存罐500。潜水泵560用于将相对较冷的流体冷却剂800泵送到照明环路510中，其中流体冷却剂800然后在通过照明器材1000时被加热。随后，相对较热的流体冷却剂800离开照明环路510并进入流体储存罐500以进行储存。应当理解，只要储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800的温度小于从照明环路510进入流体储存罐500的流体冷却剂800的温度，由照明器材生成的热量1000就可以被去除。随着时间的流逝，如果流体冷却剂800的温度升高，可以去除的热量可能由于较小的温度差而减少。因此，可能需要将排热装置并入到流体循环系统501中以调节储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800的温度。
图11B中示出的流体循环系统501还可以包含联接到由照明器材1000加热的相对较热的流体冷却剂800所流动通过的照明环路510的一部分的次级加热环路512。如图所示，次级加热环路512可以包含泵704和具有风机盘管702的电动风机。泵704生成通过风机盘管的相对较热的流体冷却剂800的流，从而加热风机盘管。然后，电动风机702可以将所加热的空气吹向位于照明器材1000下方的多个植物900，以根据需要增加种植区域的温度。可以使用一个或多个可控阀来控制第二加热环路512，以切换次级加热环路512并调整由电动风机702吹送的空气的温度。
图11C中示出了设置在受控农业环境200D中的流体循环系统501的另一示例性实施方案。如图所示，受控农业环境200D可以具有垂直堆叠的多层种植区域。种植区域的每一层可以包含一个或多个联接到照明环路510的照明器材1000。照明环路510可以联接到流体储存罐500，所述流体储存罐可以也在其中含有潜水泵。类似于图11B的受控农业环境2000，流体循环系统501可以包含次级加热环路，以分别加热每一层中的每个种植区域。可以使用具有多个入口和出口的管道配件将照明环路510的对应于每一层的部分联接。另外，一旦流体冷却剂800流动进入种植区域的每个相应层，则照明环路510的联接到流体储存罐500的部分可以支持较高的流速以解决流速降低的问题。
在一些实施方案中，照明器材1000还可以用作传感器平台，所述传感器平台支撑用于监控受控农业环境中的环境状况的一个或多个传感器。照明器材1000中的处理器90可以通过通信端口1009(例如，USB端口和PoE端口)和/或一个或多个相机/传感器1005向传感器供应和调节电力。处理器90还可以包含用于将AC电力转换为DC电力的电子器件，如下所述，从而无需在受控农业环境中部署的每个传感器中设置单独的AC-DC转换器。
处理器90还可以用于管理数据通信(例如，经由以太网电缆1060的有线通信或经由无线装置1003的无线通信)，包含将控制信号发送到传感器并接收由传感器测量的感觉数据，以进行处理和/或传输到远程装置(例如，远程计算机或服务器)。在一些实施方案中，远程装置可以包含网络集线器以与多个照明器材1000通信。网络集线器可以是有线的(例如，以太网电缆1060连接到集线器)，无线的(例如，无线信号传输到无线装置1003/从无线装置接收)或两者的组合。在一些实施方案中，远程装置的网络集线器可以仅是无线的，从而通过消除以太网电缆1060而允许更简单的安装。在一些实施方案中，远程装置的网络集线器可以被接线以支持更大的网络带宽和/或更高的安全性(例如，只可以在远程装置处访问数据通信)。
以这种方式，照明器材1000可以提供一个或多个各种类型的传感器的集成，从而补充了对单独的电力和数据通信系统的需求。此外，由一个或多个传感器测量的数据可以用于调整和控制受控农业环境中的一个或多个照明器材1000(例如，调整从照明器材1000输出的PAR)、一个或多个冷却剂回路(例如，调整通过冷却剂回路(包含图11A中示出的照明环路、流体循环环路和冷却环路)的流体流动)、一个或多个风机、一个或多个除湿器或一个或多个空调的操作。在一些实施方案中，测量和控制各种环境状况以提供环境中的目标蒸汽压差。
图12中示出了受控农业环境2000的一个示例性实施方案，其详细示出了经由多个照明器材1000的各个传感器的集成。类似于图10B，多个照明器材1000可以安装到设置在架子902上布置的多个植物900上方的支撑结构999。受控农业环境2000可以包含一个或多个除湿器65、一个或多个空调85和一个或多个风机75。照明器材1000可以支撑各种传感器，包含但不限于空气温度传感器80A、近红外(NIR)叶片水分传感器80B、相对湿度传感器80C、高光谱相机80D、二氧化碳传感器80E、红外(IR)叶片温度传感器80F、气流传感器80G和根部区域温度传感器80H。高光谱相机80D是一种测量多个能带(例如，数百个)内的光的相机，其中每个能带比常规成像系统窄(例如，10nm)。有限光谱相机(也被称为多光谱相机)也可以在受控农业环境2000中使用，以使用较少数量的能带(例如，3到10个)测量光，其中每个能带都较宽(例如，大于20nm)。在受控农业环境2000中利用的相机可以测量跨电磁光谱的各个部分的光，包含但不限于紫外、可见光、近红外、中红外和远红外波长。照明器材1000还可以用于支撑其它辅助装置，包含但不限于一个或多个风机、安全相机、智能电话和多光谱相机(例如，用于分析土壤水分和营养成分)。以这种方式，由于通信端口1009在相应照明器材1000上的灵活放置，各个辅助装置可以分布在受控农业环境中。
照明器材的示例性电气设计
处理器90可以用于便于与照明器材1000的操作有关的多种功能，包含但不限于照明器材1000的操作中的功率转换、网络连接和数据处理。在一些实施方案中，处理器90可以包含电联接在一起的离散电子组合件，其中每个电子组合件提供一个或多个不同的功能。例如，图13A示出了根据一个发明实施方案的框图，其详细示出了处理器90中的满足这些功能的各个电子组件和电路系统。处理器90可以包含控制板100、网络板200和单板计算机300。
控制板100可以用于调节电力并将其分配到照明器材1000的其它组件。如图13A中所示，控制板100可以通过电力端口1010接收AC电力并将AC电力转换为DC电力。然后，控制板100可以将DC电力和其它控制信号供应给照明器材400中的其它电子器件。例如，控制板100可以分别经由控制板100上的端口/连接器104A、104B和104C直接联接到多个LED模块400A、400B和400C。控制板100还可以联接到网络板200，从而向网络板200提供电力和控制信号。控制板100还可以包含板载存储器，其中存储有数字信号处理(DSP)固件152以便于控制信号的生成，如下所述。
图13B中示出了图13A中的控制板100的更详细的框图。控制板100可以包含保险丝/电磁干扰(EMI)滤波器153，以提供安全性并减少输入到照明器材1000的噪声。整流器154可以用于将AC电力转换为DC电力。AC线路传感器155可以用于监控DC电力输入的电压和电流。然后，DC电力可以直接传递到偏置和控制电源156，所述偏置和控制电源可以用于将DC电力分配到照明器材1000的其它组件，包含网络板200和数字信号处理器(DSP)150。还可以包含DC-DC转换器158以向网络板200供应不同的电压输入。例如，偏置和控制电源156可以供应48V和5V以为网络板200和单板计算机300上的不同电路系统供电。5V输入可以经由DC-DC转换器158从48V线路向下转换。DSP 150可以通过执行上述固件152来经由一个或多个通信隔离器160向各个组件(包含网络板200)提供控制信号。DSP 150还可以向一个或多个升压转换器162A、162B和162C提供控制信号，其可以用于调节经由端口104A-104C供应给相对应LED模块400A-400C的电。一旦经由整流器154从AC电力转换，升压转换器162A-162C就可以直接接收DC电力。DSP 150可以接收来自偏置和控制电源156的电力、来自AC线路传感器155的电压和电流测量以及经由热传感器端口154的热传感器输入(其可以用于监控LED模块400A-400C的温度)。
网络板200可以用于管理照明器材1000和联接到照明器材1000的各个装置(包含但不限于联接到照明器材1000的其它照明器材1000和一个或多个辅助传感器)之间的数据通信。如图13A中所示，在一些实施方案中，网络板200可以控制照明器材1000的一个或多个PoE端口1008A、1008B、1008C和1008D。网络板200可以经由控制板端口102从控制板100接收电力和控制信号。网络板200还可以经由单板计算机端口202向单板计算机300供应电力和控制信号。网络板200还可以支持网络板200和单板计算机300之间的通过以太网端口213的专用以太网电缆连接212，以管理通过PoE端口1008A-1008D的数据传递。
图13C中示出了图13A中的网络板200的更详细的框图。控制板端口102可以用于以不同的电压(例如，48V和5V)向PoE控制器206、电源208、风机控制器和端口210供应电力。控制板端口102也可以经由单板计算机端口202直接将控制信号从控制板100中继到单板计算机300。在一些实施方案中，控制板端口102可以作为背负板布置到网络板200。PoE控制器206可以用于调节电力并将其供应给PoE端口1008A-1008D。电源208可以通过单板计算机端口202向单板计算机300供应电力，并向以太网交换机204供应电力。以太网交换机204经由支持专用以太网电缆连接212的以太网端口213通信联接到PoE端口1008A-1008D和单板计算机300。以太网交换机204可以用于便于数据和/或控制信号到和从PoE端口1008A-1008D的接收和传输。
单板计算机300可以向处理器90提供几种功能，包含但不限于管理控制板100和网络板200的操作以及数据处理。如图13A中所示，单板计算机300也可以用于支持照明器材1000上的USB端口1012A和1012B的功能。单板计算机300可以包含存储卡350，所述存储卡含有(其上存储有)各种数据和计算机可执行代码352，包含但不限于会话边界控制器(SBC)软件、操作系统、web服务器软件和其它web服务器资源。
处理器90可以用于管理供应给照明器材1000的各个组件(例如，电力电缆、LED模块400A-400C)的电压和电流，以便降低在不同操作条件下损坏的可能性。例如，照明器材1000可以在低电压条件下操作，其中可以向LED模块400A-400C供应1200W，并向辅助传感器供应65W。用于从外部源(例如，建筑供电系统)向照明器材1000供电的电力电缆可以被规定成维持高达15A的电流。处理器90可以用于将通过照明器材1000的电流限制为5A，使得三个照明器材400A-400C可以由单个电力电缆1030供电。如果照明器材1000的电流消耗接近5A，则处理器90可以减少照明器材的电力消耗。以这种方式，三个照明器材400A-400C可以共同避免的总电流消耗超过15A，从而降低损坏电力电缆的可能性。
在一些实施方案中，处理器90可以使用有源反馈控制环路来实施电流消耗限制。例如，控制板100的DSP 150可以用于主动地测量经由AC线路传感器155供应给照明器材1000的电压和电流。然后，取决于所测量的电压和电流的变化幅度和/或速率，DSP150可以调整供应给每个LED模块400A-400C的电压和电流，使得由照明器材1000消耗的电流保持在电流消耗限制以下。本过程可以以迭代的方式进行，其中以预设的时间标度反复进行对供应给照明器材1000的电压和电流的测量以及对供应给LED模块400A-400C的电压和电流的后续调整。时间尺度可能从约1ms到约60s不等。电压和电流在每个增量期间的变化量也可以根据供应给照明器材1000的电压和电流的变化速率而有所不同。在一些实施方案中，可以通过将比例积分微分(PID)控制器并入到处理器90中来控制有源反馈控制环路的稳定性。
图14A-14D、13、16A-16H示出了根据一个实施方案的处理器90的各个电气组件的电路图。图14A示出了来自网络板200的以太网交换机204以及到用于与单板计算机300通信的PoE端口1008A-1008D和以太网端口213的电连接的电路图。图14A还示出了来自网络板200的电源208的电路图。为了清楚起见，图14B和14C分别示出了来自图14A的以太网交换机204和PoE端口1008D的放大视图。图14D示出了来自网络板200的PoE控制器206的电路图。图15示出了单板计算机300的电路图，其详细示出了各个输入和输出连接。图16A示出了来自控制板100的电力端口1010、保险丝/EMI滤波器153、整流器154以及偏置和控制电源156的第一部分的电路图。图16B示出了图16A中示出的偏置和控制电源156的第二部分。图16C-16F示出了来自控制板100的DC-DC转换器158、AC线路传感器155、DSP 150和热传感器端口154。图16G和16H示出了来自控制板100的示例性升压电路162A的电路图。
示例性租赁照明系统
本文公开的照明器材1000也可以用在租赁照明系统中，其中客户支付重复性费用以租用和操作照明器材1000(例如，使用照明器材1000来提供照明)。在本系统中，可以显著降低通常与购买照明器材1000硬件和安装相关联的成本，从而为客户节省了很多钱。提供照明器材1000的操作的制造商可以通过客户的持续支付而随时间获得利润。在一些实施方案中，租赁照明系统可以基于在预设时间段内操作照明器材1000的费用的支付。照明器材1000可以经由处理器90通信联接到服务器。服务器可以远程地调节照明器材的操作，只要客户提供必要的费用来保持租赁，照明器材1000就能够提供照明。
在图17A中示出了合同执行方法的一个示例性实施方案，其中照明器材1000通信联接到许可证服务器600。如图所示，许可证服务器600可以包含含有信息的数据库602，所述信息包含但不限于由客户安装的一个或多个照明器材1000的序列号以及租赁一个或多个照明器材1000的客户的客户状态(例如，支付状态)。数据库还可以包含预共享密钥604，其还可以在运送给客户之前由制造商与计时器一起安装在每个照明器材1000上，例如安装在照明器材1000的DSP 150的受保护内部存储设备中。根据客户的初始支付，制造商可以在数据库1000中设置初始计时器更新，以提供某一时间段的初始照明，此后需要另外的租赁费用。一旦照明器材1000部署到客户，计时器的到期可以触发许可证更新过程。一旦进行了另外的租赁支付，操作许可证服务器600的制造商就可以用新的计时器值来更新数据库602，所述计时器值被通信到照明器材1000。通信可以经由专有通信协议进行。
在图17B中示出了更新具有一个或多个照明器材1000的租赁照明模型的许可证的过程的一个示例性实施方案。在本示例性过程中，处理器90的DSP 150和单板计算机300可以经由互联网联接到许可证服务器600和数据库602，以便于制造商对一个或多个照明器材1000或租赁代理进行操作。如上所述，预共享密钥604和许可证计时器可以由制造商与照明器材1000的序列号一起存储在DSP 150的受保护内部存储设备中。单板计算机300可以定期地检查许可证计时器的状态。一旦许可证计时器接近到期，单板计算机300可以用DSP 150发起许可证更新请求。本请求可以包含由DSP 150生成的“挑战包”，其由单板计算机300转发到许可证服务器600。挑战包可以包含至少部分地基于照明器材1000的序列号的加密信息和使用噪声累加器生成的临时随机密钥。然后，可以由许可证服务器600对挑战包进行解密。如果发现挑战包有效并且对另外的照明进行了支付，则许可证服务器600可以确定新的允许计时器值。然后，可以对新的允许计时器值进行加密并将其发送回单板计算机300，所述单板计算机将加密的计时器值传递给DSP 150。然后，DSP 150可以基于预共享密钥604来对新的计时器值进行解密。如果发现新的计时器值有效，则DSP 150可以更新存储在DSP150的受保护内部存储设备中的许可证计时器。
结论
本文描述的所有参数、尺寸、材料和构造旨在是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用本发明的教导的一个或多个具体应用。应当理解，前述实施例主要通过举例呈现，并且在所附权利要求及其等同内容的范围内，可以以不同于具体描述和要求的方式来实践发明实施例。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。
另外，如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾，则两个或两个以上此些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合包含在本公开的发明范围内。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施方案的相应元件的设计、操作条件和布置中进行其它替换、修改、改变和省略。数值范围的使用并不排除以同样的方式实现相同功能以产生相同结果的范围之外的等同数值。
可以以多种方式来实施上述实施例。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实施实施例。当在软件中实施时，软件代码可以在合适的处理器或处理器集合上执行(无论是在单个计算机中提供还是在多个计算机之间分布)。
此外，应当理解，计算机可以以多种形式中的任何一种来体现，例如机架安装式计算机、台式计算机、膝上型计算机或平板计算机。另外，计算机可以被嵌入通常不被认为是计算机但是具有合适的处理能力的装置中，所述装置包含个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其它合适的便携式或固定电子装置。
而且，计算机可以具有一个或多个输入和输出装置。这些装置尤其可以用于呈现用户界面。可以用来提供用户界面的输出装置的实例包含用于视觉呈现输出的打印机或显示屏，以及用于听觉呈现输出的扬声器或其它声音生成装置。可以用于用户界面的输入装置的实例包含键盘和指示装置，例如鼠标、触摸板和数字面板。作为另一实例，计算机可以通过语音识别或以其它可听格式接收输入信息。
此些计算机可以通过一个或多个网络以合适的形式互连，所述网络包含局域网或广域网，例如企业网络、智能网络(IN)或因特网。此些网络可以基于合适的技术，可以根据合适的协议进行操作，并且可以包含无线网络、有线网络或光纤网络。
本文概述的各种方法或过程可以被编码为可在采用多种操作系统或平台中的任何一种的一个或多个处理器上执行的软件。另外，此软件可以使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任何一种来编写，并且还可以被编译为可执行机器语言代码或在框架或虚拟机上执行的中间代码。一些实施方案可以具体地采用特定操作系统或平台以及特定编程语言和/或脚本工具中的一个或多个以便于执行。
而且，各种发明构思可以体现为一种或多种方法(已经提供了其至少一个实例)。在一些情况下，作为所述方法的一部分进行的动作可能会以不同的方式进行排序。因此，在一些发明实施方案中，给定方法的相应动作可以以与具体所示出不同的顺序进行，这可以包含同时进行一些动作(即使此些动作在说明性实施例中被示出为顺序动作)。
本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献通过引用整体并入本文。
如本文定义和使用的所有定义应被理解为优先于字典定义、通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非明确相反的指示，否则本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一个/一种(a/an)”应被理解为表示“至少一个”。
本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应被理解为表示如此结合的元素(即，在一些情况下，结合地存的元素；并且在其它情况下，分离地存在的元素)中的“一个或两个”。用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式解释，即如此结合的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”从句具体标识的元素之外，还可以任选地存在其它元素，无论与那些具体标识的元素相关还是无关。因此，作为一个非限制性实例，在与开放式语言(例如“包括”)结合使用时，对“A和/或B”的提及在一个实施例中可以仅指A(任选地包含除B之外的元素)；在另一实施例中可以仅指B(任选地包含除A之外的元素)；在又一实施例中可以指A和B(任选地包含其它元素)；等等。
如本文在说明书和权利要求书中所使用，“或”应被理解为具有与如上文所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分开将列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包含多个元素或元素列表中的至少一个，但也包含不止一个，并且任选地包含另外的未列出的项目。仅明确相反指示的术语，例如“……中的仅一个”或“……中的恰好一个”，或当在权利要求书中使用时，“由……组成”将是指包含多个元素或元素列表中的恰好一个元素。一般而言，当在排他性术语(例如，“任一个”、“……中的一个”、“……中的仅一个”或“……中的恰好一个”)之后时，本文使用的术语“或”仅应被解释为指示排他性选择连词。当在权利要求书中使用时，“基本由……组成”应具有专利法领域中所使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用，在提及一个或多个元素的列表时，短语“至少一个”应被理解为是指从元素列表中的任何一个或多个元素选择的至少一个元素，但不一定包含元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中的元素的任何组合。本定义还允许，除了短语“至少一个”所指代的元素列表中具体标识的元素之外，还可以任选地存在其它元素，无论与具体标识的那些元素相关还是无关。因此，作为一个非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可以是指至少一个，任选地包含不止一个A，不存在B(并且任选地包含除B之外的元素)；在另一实施例中可以是指至少一个B(任选地包含不止一个B)，不存在A(并且任选地包含除A之外的元素)；在又一实施例中可以是指至少一个A(任选地包含不止一个A)以及至少一个B(任选地包含不止一个B)(并且任选地包含其它元素)；等等。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语，例如“包括”、“包含”、“载运”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由……构成”等，应被理解为开放式的，即是指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，仅过渡短语“由……组成”和“基本由……组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡短语。

Claims (50)

1.一种流体冷却的基于LED的照明器材，其包括：
挤压铝框架，其包含至少一个第一通道、第二通道和其中形成的至少一个封闭腔，所述挤压铝框架进一步包含从所述框架突出并具有多个孔的鳍片，以便于所述照明器材机械联接到至少一个支撑结构；
至少一个LED光源，其由所述挤压铝框架机械支撑；
第一铜管，其用于载运流体冷却剂以在所述照明器材的操作期间提取由至少所述至少一个LED光源生成的热量，其中所述第一铜管被压配合到所述挤压铝框架的所述第一通道中，从而在所述第一铜管和所述挤压铝框架之间建立第一热连接；
第二铜管，其用于载运所述流体冷却剂，其中所述第二铜管被压配合到所述挤压铝框架的所述第二通道中，从而在所述第二铜管和所述挤压铝框架之间建立第二热连接；
控制电路系统，其设置在所述挤压铝框架的所述至少一个封闭腔中，以接收AC电力并控制所述至少一个LED光源；
至少一个相机，其设置在所述挤压铝框架之中或之上；和
多个端口，其电联接到所述控制电路系统中的至少一些，以向联接到所述多个端口中的至少一个的至少一个辅助装置提供DC电力。
2.根据权利要求1所述的照明器材，其进一步包括：
至少一个无线通信装置，其设置在所述挤压铝框架之中或之上。
3.根据权利要求1所述的照明器材，其中所述至少一个相机包括响应于第一辐射光谱的第一成像或感测装置。
4.根据权利要求3所述的照明器材，其中所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带。
5.根据权利要求3所述的照明器材，其中所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带和近红外(NIR)辐射频带。
6.根据权利要求3所述的照明器材，其中所述至少一个相机进一步包含响应于不同于所述第一辐射光谱的第二辐射光谱的第二成像或感测装置。
7.根据权利要求6所述的照明器材，其进一步包括：
至少一个无线通信装置，其设置在所述挤压铝框架之中或之上。
8.根据权利要求6所述的照明器材，其中：
所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带；并且
所述第二辐射光谱包含红外辐射频带。
9.根据权利要求6所述的照明器材，其中：
所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带和近红外(NIR)辐射频带；并且
所述第二辐射光谱包含远红外(FIR)辐射频带。
10.根据权利要求6所述的照明器材，其中所述至少一个相机进一步包括响应于不同于所述第一辐射光谱和所述第二辐射光谱的第三辐射光谱的第三成像或感测装置。
11.根据权利要求10所述的照明器材，其进一步包括：
至少一个无线通信装置，其设置在所述挤压铝框架之中或之上。
12.根据权利要求10所述的照明器材，其中：
所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带；
所述第二辐射光谱包含第一红外辐射频带；并且
所述第三辐射光谱包含第二红外辐射频带。
13.根据权利要求10所述的照明器材，其中：
所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带和近红外(NIR)辐射频带；
所述第二辐射光谱包含远红外(FIR)辐射频带；并且
所述第三辐射光谱包含中红外(MIR)辐射频带。
14.根据权利要求10所述的照明器材，其中所述第三成像或感测装置包括非接触式红外测温仪。
15.根据权利要求6所述的照明器材，其中所述至少一个LED包括：
第一多个LED，其用于在所述照明器材的操作期间在所述照明器材的环境中提供照明；和
第二多个LED，其用于以至少以下来辐照所述照明器材的环境中的至少一个物体：
第一波长或第一波长辐射频带；和
不同于所述第一波长或第一波长辐射频带的第二波长或第二波长辐射频带，
其中所述第二多个LED便于所述第一成像或传感装置和所述第二成像或传感装置响应于所述第二多个LED的辐照而感测所述环境中的所述至少一个物体反射或发射的反射或发射辐射。
16.根据权利要求15所述的照明器材，其进一步包括：
至少一个无线通信装置，其设置在所述挤压铝框架之中或之上。
17.根据权利要求15所述的照明器材，其中：
所述第一波长或第一波长辐射频带在所述可见光辐射频带中；并且
所述第二波长或第二波长辐射频带在所述红外辐射频带中。
18.根据权利要求17所述的照明器材，其中所述第二多个LED包括：
多个可见光LED，其用于以所述可见光辐射频带中的多个第一波长或第一波长辐射频带辐照所述至少一个物体；和
多个红外LED，其用于以所述红外辐射频带中的多个第二波长或第二波长辐射频带辐照所述至少一个物体。
19.根据权利要求18所述的照明器材，其进一步包括：
至少一个无线通信装置，其设置在所述挤压铝框架之中或之上。
20.根据权利要求18所述的照明器材，其中所述第二多个LED进一步包括：
至少一个紫外LED，其用于以所述紫外辐射频带中的第三波长或第三波长辐射频带辐照所述至少一个物体。
21.根据权利要求15所述的照明器材，其中：
所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带；并且
所述第二辐射光谱包含红外辐射频带。
22.根据权利要求15所述的照明器材，其中：
所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带和近红外(NIR)辐射频带；并且
所述第二辐射光谱包含远红外(FIR)辐射频带。
23.根据权利要求22所述的照明器材，其中：
所述第一波长或第一波长辐射频带在所述可见光辐射频带中；并且
所述第二波长或第二波长辐射频带在所述红外辐射频带中。
24.根据权利要求23所述的照明器材，其中所述第二多个LED包括：
多个可见光LED，其用于以所述可见光辐射频带中的多个第一波长或第一波长辐射频带辐照所述至少一个物体；和
多个红外LED，其用于以所述红外辐射频带中的多个第二波长或第二波长辐射频带辐照所述至少一个物体。
25.根据权利要求15所述的照明器材，其中所述至少一个相机进一步包括响应于不同于所述第一辐射光谱和所述第二辐射光谱的第三辐射光谱的第三成像或感测装置。
26.根据权利要求25所述的照明器材，其中：
所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带；
所述第二辐射光谱包含第一红外辐射频带；并且
所述第三辐射光谱包含第二红外辐射频带。
27.根据权利要求26所述的照明器材，其中：
所述第一波长或第一波长辐射频带在所述可见光辐射频带中；并且
所述第二波长或第二波长辐射频带在所述红外辐射频带中。
28.根据权利要求27所述的照明器材，其中所述第二多个LED包括：
多个可见光LED，其用于以所述可见光辐射频带中的多个第一波长或第一波长辐射频带辐照所述至少一个物体；和
多个红外LED，其用于以所述红外辐射频带中的多个第二波长或第二波长辐射频带辐照所述至少一个物体。
29.根据权利要求25所述的照明器材，其中：
所述第一辐射光谱包含至少可见光辐射频带和近红外(NIR)辐射频带；
所述第二辐射光谱包含远红外(FIR)辐射频带；并且
所述第三辐射光谱包含中红外(MIR)辐射频带。
30.根据权利要求29所述的照明器材，其中：
所述第一波长或第一波长辐射频带在所述可见光辐射频带中；并且
所述第二波长或第二波长辐射频带在所述红外辐射频带中。
31.根据权利要求30所述的照明器材，其中所述第二多个LED包括：
多个可见光LED，其用于以所述可见光辐射频带中的多个第一波长或第一波长辐射频带辐照所述至少一个物体；和
多个红外LED，其用于以所述红外辐射频带中的多个第二波长或第二波长辐射频带辐照所述至少一个物体。
32.根据权利要求31所述的照明器材，其进一步包括：
至少一个无线通信装置，其设置在所述挤压铝框架之中或之上。
33.一种流体冷却的基于LED的照明器材，其包括：
挤压铝框架，其包含至少一个第一通道、第二通道和其中形成的至少一个封闭腔，所述挤压铝框架进一步包含从所述框架突出并具有多个孔的鳍片，以便于所述照明器材机械联接到至少一个支撑结构；
至少一个LED光源，其由所述挤压铝框架机械支撑；
第一铜管，其用于载运流体冷却剂以在所述照明器材的操作期间提取由至少所述至少一个LED光源生成的热量，其中所述第一铜管被压配合到所述挤压铝框架的所述第一通道中，从而在所述第一铜管和所述挤压铝框架之间建立第一热连接；
第二铜管，其用于载运所述流体冷却剂，其中所述第二铜管被压配合到所述挤压铝框架的所述第二通道中，从而在所述第二铜管和所述挤压铝框架之间建立第二热连接；
控制电路系统，其设置在所述挤压铝框架的所述至少一个封闭腔中，以接收AC电力并控制所述至少一个LED光源；
至少一个无线通信装置，其设置在所述挤压铝框架之中或之上；和
多个端口，其电联接到所述控制电路系统中的至少一些，以向联接到所述多个端口中的至少一个的至少一个辅助装置提供DC电力。
34.一种流体冷却的基于LED的照明器材，其包括：
挤压铝框架，其包含至少一个第一通道、第二通道和其中形成的至少一个封闭腔，所述挤压铝框架进一步包含从所述框架突出并具有多个孔的鳍片，以便于所述照明器材机械联接到至少一个支撑结构；
至少一个LED光源，其由所述挤压铝框架机械支撑，其中所述至少一个LED包括：
第一多个LED，其用于在所述照明器材的操作期间在所述照明器材的环境中提供照明；和
第二多个LED，其用于以至少以下来辐照所述照明器材的环境中的至少一个物体：
第一波长或第一波长辐射频带；和
不同于所述第一波长或第一波长辐射频带的第二波长或第二波长辐射频带，
第一铜管，其用于载运流体冷却剂以在所述照明器材的操作期间提取由至少所述至少一个LED光源生成的热量，其中所述第一铜管被压配合到所述挤压铝框架的所述第一通道中，从而在所述第一铜管和所述挤压铝框架之间建立第一热连接；
第二铜管，其用于载运所述流体冷却剂，其中所述第二铜管被压配合到所述挤压铝框架的所述第二通道中，从而在所述第二铜管和所述挤压铝框架之间建立第二热连接；
控制电路系统，其设置在所述挤压铝框架的所述至少一个封闭腔中，以接收AC电力并控制所述至少一个LED光源；
至少一个相机，其设置在所述挤压铝框架之中或之上；
至少一个无线通信装置，其设置在所述挤压铝框架之中或之上；和
多个端口，其电联接到所述控制电路系统中的至少一些，以向联接到所述多个端口中的至少一个的至少一个辅助装置提供DC电力，
其中所述第二多个LED便于所述至少一个相机响应于所述第二多个LED的辐照而感测所述环境中的所述至少一个物体反射或发射的反射或发射辐射。
35.一种照明器材系统，其包括：
外壳；
光源，其联接到所述外壳，以用光合有效辐射(PAR)辐照植物；
铜管，其联接到所述外壳，以使流体冷却剂流动，所述流体冷却剂在所述照明器材的操作期间提取由所述光源生成的热量；
相机或传感器中的至少一个，其联接到所述外壳，以感测周围环境的至少一种状况；和
处理器，其联接到所述外壳，以基于所述至少一种状况来调整所述PAR或所述流体冷却剂的流量中的至少一种。
36.根据权利要求35所述的照明器材系统，其中所述相机和所述传感器中的至少一个包括：
第一相机，其用于在第一光谱频带中获取所述环境的至少一部分的图像；和
第二相机，其用于在第二光谱频带中获取所述环境的至少一部分的图像。
37.根据权利要求36所述的照明器材系统，其中所述第一光谱频带对应于可见光，并且所述第二光谱频带对应于红外光。
38.根据权利要求36所述的照明器材系统，其中所述相机和所述传感器中的所述至少一个进一步包括：
单点传感器，其用于基于来自所述环境的至少一部分的红外辐射来测量温度。
39.根据权利要求38所述的照明器材系统，其中所述第一相机、所述第二相机和所述单点传感器彼此靠近定位，从而具有基本上重叠的视场。
40.根据权利要求35所述的照明器材系统，其进一步包括：
天线，其联接到所述外壳，以进行以下中的至少一种：将所述至少一种状况传输到远程装置或从所述远程装置接收信号，所述处理器使用所述至少一种状况或所述信号来调整所述PAR或所述流体冷却剂的流量中的至少一种。
41.根据权利要求40所述的照明器材系统，其进一步包括：
所述远程装置。
42.一种照明器材系统，其包括：
外壳；
光源，其联接到所述外壳，以用光合有效辐射(PAR)辐照植物；
铜管，其联接到所述外壳，以使流体冷却剂流动，所述流体冷却剂在所述照明器材的操作期间提取由所述光源生成的热量；
天线，其联接到所述外壳，以进行以下中的至少一种：从远程装置传输或接收信号；和
处理器，其联接到所述外壳，以控制所述光源并进行以下中的至少一种：在由所述天线传输时生成所述信号，或在由所述天线接收时处理所述信号。
43.根据权利要求42所述的照明器材系统，其进一步包括：
所述远程装置。
44.根据权利要求42所述的照明器材系统，其中所述处理器基于从所述远程装置接收的所述信号来调整所述PAR或所述流体冷却剂的流量中的至少一种。
45.根据权利要求42所述的照明器材系统，其进一步包括：
传感器，其通信联接到所述处理器，以感测周围环境的状况。
46.根据权利要求45所述的照明器材系统，其中所述处理器基于所述周围环境的状况来生成传输到所述远程装置的所述信号。
47.根据权利要求45所述的照明器材系统，其中所述传感器包括相机或单点传感器中的至少一个。
48.根据权利要求42所述的照明器材系统，其中所述照明器材系统不包含通信电缆。
49.一种照明器材系统，其包括：
铝外壳，其具有第一通道、第二通道、封闭腔和凹入部分；
发光二极管(LED)光源，其设置在所述凹入部分中以发射光合有效辐射(PAR)；
光学器件，其设置在所述光源上以将所述光源与周围环境基本上隔离；
第一铜管，其设置在所述第一通道中，以载运第一流体冷却剂以在所述照明器材的操作期间提取由所述光源生成的热量；
第二铜管，其设置在所述第二通道中并且基本上平行于所述第一铜管定向，以载运第二流体冷却剂以在所述照明器材的操作期间提取由所述光源生成的热量；
电力端口，其设置在所述外壳上；
以太网供电(PoE)端口，其设置在所述外壳上；
通用串行总线(USB)端口，其设置在所述外壳上；
第一相机，其设置在所述凹入部分中，以获取所述环境的至少一部分的可见光图像；
第二相机，其设置在所述凹入部分中，以获取所述环境的至少一部分的红外图像；
单点传感器，其设置在所述凹入部分中，以基于来自所述环境的至少一部分的红外辐射来测量温度；
天线，其设置在所述铝外壳上，以提供加密的无线通信；和
处理器，其设置在所述封闭腔内，以从所述电力端口接收电力并控制所述光源、所述PoE端口、所述USB端口、所述第一相机、所述第二相机、所述单点传感器或所述天线中的至少一个。
50.根据权利要求49所述的照明器材系统，其中所述第一相机、所述第二相机和所述单点传感器在所述外壳上彼此靠近定位，从而具有基本上重叠的视场。
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