CN113396722A

CN113396722A - 便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具和应用

Info

Publication number: CN113396722A
Application number: CN202110525935.1A
Authority: CN
Inventors: 高丹; 韩秋漪; 李福生; 裴卫忠; 张雪; 张善端
Original assignee: Shanghai Traditional Chinese Medicine Co ltd; Fudan University
Current assignee: Shanghai Traditional Chinese Medicine Co ltd; Fudan University
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2021-09-17
Anticipated expiration: 2041-05-14
Also published as: CN113396722B

Abstract

本发明公开了一种便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具和应用。本发明灯具包括红黄蓝LED面光源模块、导热铝板、驱动电源、控制器、传感器、反馈装置、摄像头以及远程控制系统；灯具能够发出不同强度配比的红蓝光，为室内西红花花芽分化和花丝伸长提供光照，也能够发出不同强度的黄光，使LED灯具辐射出显色指数R _a在85以上、色容差Duv在±0.005范围内接近黑体辐射线、色温大范围可调的白光，便于人工观察或自动探测种植架上西红花的生长情况。本发明解决了目前西红花室内种植过分依赖自然光照的问题，灯具具备功率密度低、散热性能好、辐射效率高、成本低、光谱可调等众多优势，利于西红花室内种植以及人工或自动观测。

Description

便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具和应用

技术领域

本发明属于植物照明技术领域，具体涉及一种便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具和应用。

背景技术

西红花(Crocus sativus L)，又称番红花、藏红花，系莺尾科番红花属多年生球茎草本植物，原产于西班牙、伊朗、阿富汗等地，后经印度传入我国西藏，目前在我国上海崇明岛、浙江、西藏等地均有种植。西红花花丝具有很高的药用价值，它消肿止痛、活血化淤、养血通经，并被临床证实具有抗抑郁和抗癌等功效，因此正被列入医保目录。作为名贵香料和药材，西红花单价达到50~300元/g。

西红花属于无性繁殖，其栽培方法分为两个阶段：大田生长期(头年11月到次年5月)和室内培养期(次年5月到11月)。通常在大田完成球茎复壮和增殖，在室内完成花芽分化、开花和花丝采摘。

中国专利CN 104584830 A公开了一种西藏地区种植藏红花的方法，包括田间种球繁育和室内培育采花，介绍了两个阶段的具体种植步骤，并通过调节各项种植参数，如温度、湿度、光照等，可生产出花丝长、品相好、产量高的西红花。

中国专利CN 103907452 A公开了一种西红花的高效栽培方法，包括机械化大田种植球茎和工厂化室内培育花蕊的西红花标准化种植。它采用机械化种植技术和自动控制技术，不仅提高了西红花单产，还大幅提高了机械化作业水平，节省了劳动力。

以上两个专利均对西红花的整个种植流程做了全面的介绍，涉及对种植条件的自动调控技术。然而，在西红花室内培育阶段，对光照的调控仅停留在依据季节和自身种植经验来利用自然光，即选择对栽培室门窗采取全遮光、半遮光或者不遮光的处理。这种做法的缺点在于，室内高层架子的球茎和低层架子的球茎接受自然光不够均匀，花丝分化和开花时间受到影响；且比较依赖自然气候变化，遇到梅雨季节或者阴天时，西红花开花时间会延迟甚至导致花丝减产。

因此，针对室内培养期，可设计一种室内西红花种植架照明灯具，通过调控光谱、光强和光周期，调节和控制西红花的产业过程，并便于人工观察或自动观测西红花的生长情况。

中国专利CN 203979912 U公开了一种植物照明LED平板灯，它包括相互连接的LED灯和驱动器，LED灯面向出光面板布置，包括红光LED和蓝光LED，并被驱动器分别控制。该平板灯可通过调节红蓝光比例实现植物光照所需，直下式照射，出光均匀，但其光效较低，且光衰较大。

中国专利CN 105698021 A公开了一种面板型植物促生长LED灯，包括板状灯体、若干个固定在板状灯体上的基板、若干个LED芯片以及将每个LED芯片封装在基板上的胶层，LED芯片包括蓝光芯片与红光芯片，其中部分封装蓝光芯片的胶层为红色荧光胶胶层。这种面板型LED灯通电后能够发出三种不同的单色光以适应植物生长过程的不同阶段需要，并能通过透镜改变光线角度以覆盖更多的植物，从而扩大光照范围。但这种面板型LED灯未考虑种植人员进入室内操作时，显色指数太低导致无法观察植物长势的问题，且面板灯的功率密度、成本等均未提及，是哪种封装技术有待考究。

中国专利CN 105841101 A和中国专利CN 104335842 A针对植物照明混色问题，提出了红蓝白光(RBW)混色方案，期望解决植物照明中工作人员无法进行室内作业的问题。其中，中国专利CN 105841101 A提出了一种RBW混色植物生长LED灯，它由矩形LED单元或三角形LED单元组成，通过均匀布置红光LED、蓝光LED和白光LED，提高植物照明中混光均匀性和工作面光效。但该项专利采用的LED灯是何种封装并不明确，猜测为LED单颗芯片封装，这种封装形式的单颗LED芯片输入功率小，无法给植物提供高照度光照，且具有光衰大、光效低等问题。

中国专利CN 104335842 A公开了一种植物用照明装置、栽培棚、植物工厂和植物栽培方法。该专利采用重点照明和辅助照明结合的方式，重点照明采用峰值波长400 nm~500 nm的蓝光LED芯片以及600 nm~700nm的红光LED芯片(或蓝光LED芯片激发红色荧光粉)混合照射，以促进植物生长；辅助照明采用蓝光LED芯片激发500 nm~600 nm的黄色荧光粉制成的白光LED进行照射，且黄色荧光粉含量较小，无明显峰值，以减轻作业者的心理负担。不过，该项专利采用直管LED灯，这种灯具光衰较大、辐射效率低且出光不均匀。同时，采用蓝光LED、红光LED和白光LED混合照射，并未设置有效调控光谱和光强的控制装置，灯具光谱单一，色温和显色指数等参数并未进行定量分析计算。

综上，需设计一种室内西红花种植架照明灯具，尽可能具备功率密度低、散热性能好、成本低、光谱可调和便于人工观察或自动探测生长情况等多种优点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具和应用，该灯具能解决西红花室内种植过分依赖自然光照，影响西红花开花周期和花丝伸长，导致减值减产的问题，同时，改善现有室内植物照明灯具散热差、成本高、辐射效率低、光衰大等缺点，使灯具具备功率密度低、散热性能好、辐射效率高、成本低、光谱可调、显色指数高等众多优势。

本发明提供一种便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具，其包括红光LED面光源模块、蓝光LED面光源模块、黄光LED面光源模块、导热铝板、传感器、反馈装置以及远程控制系统；其中：

红光LED面光源模块、蓝光LED面光源模块和黄光LED面光源模块内分别设置若干蓝光芯片，分别用于辐射出一定光强强度的红光、黄光和蓝光；红光LED面光源模块、蓝光LED面光源模块和黄光LED面光源模块共同嵌入一导热铝板，导热铝板位于红光LED面光源模块、蓝光LED面光源模块和黄光LED面光源模块的背面；

红光LED面光源模块分别和红光驱动电源、红光控制器依次相连，用于红光面光源模块的驱动和调光；蓝光LED面光源模块分别和蓝光驱动电源、蓝光控制器依次相连，用于蓝光面光源模块的驱动和调光；黄光LED面光源模块分别和黄光驱动电源、黄光控制器依次相连，用于黄光面光源模块的驱动和调光；

传感器和反馈装置相连，反馈装置和远程控制系统相连；

远程控制系统分别和红光控制器、蓝光控制器以及黄光控制器相连；用于西红花植物照明时能够根据西红花不同生长阶段发出不同强度配比的红蓝光，为室内种植架上西红花的花芽分化和花丝伸长提供光照；用于人工观察或自动探测种植架上西红花的生长情况时，在红蓝光照射的基础上增加并调节黄光光谱，使LED灯具辐射出显色指数R _a在85以上、色容差Duv在±0.005范围内接近黑体辐射线、色温大范围可调的白光。

本发明中，红光LED面光源模块、蓝光LED面光源模块和黄光LED面光源模块的功率密度均在0.10 W/cm²~0.55 W/cm²之间。

本发明中，红光、黄光和蓝光的光强大小用光量子通量PPFD表示，红光、黄光和蓝光的光强在0 μmol m⁻² s⁻¹~1000 μmol m⁻² s⁻¹范围调节。

本发明中，红光LED面光源模块是在面阵LED上涂红色荧光胶制成，峰值波长在620nm~665 nm；黄光LED面光源模块是在面阵LED上涂黄色荧光胶制成，峰值波长在570 nm~600nm；蓝光LED面光源模块是在面阵LED上直接涂硅树脂制成，峰值波长在455 nm~495 nm。

本发明中，红光LED面光源模块、蓝光LED面光源模块和黄光LED面光源模块外罩透光玻璃，三者交错排列。

本发明中，透光玻璃内部设置微透镜或微棱镜结构。

本发明中，还包括摄像头，摄像头分别与远程控制系统和反馈装置连接，远程控制系统控制摄像头拍照，同时反馈装置将图像信号传递给远程控制系统存储信息。

本发明中，远程控制系统基于ZigBee、PLC电力线载波、蓝牙、Wi-Fi中的一种或多种无线通信技术，用于远程控制红黄蓝驱动电源和控制器，通过调控红黄蓝LED面光源模块的光强输出占比，实现红黄蓝光谱可调。

本发明中还提供便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具的应用，其直接将室内西红花种植架照明灯具的导热铝板安装在西红花种植架上使用。

本发明中，导热铝板和西红花种植架的上层架之间设有隔热板。

本发明提出的这种便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具，其优点在于：

(1) 照明灯具采用面阵LED光源模块，功率密度低，光衰小，光通维持率高；

(2) 面光源模块辐射效率高，比现有面板灯高1倍，比现有LED灯条高60%，能耗低，成本小；

(3) 面光源模块结温低，对散热要求不高，采用导热铝板作为散热板和灯板，无需散热翅片，占用空间小，节约成本；

(4) LED照明灯具光谱可调，能够在室内光照条件不足或自然光照不均匀的情况下进行红蓝光补充照明，也可在人工观察或者自动拍照时开启黄光保持高显色性和宽色温范围；

(5) 采用远程控制系统，可远程调节红黄蓝三种光的光强配比，便利高效；

(6) 透光玻璃外表面光滑，利于灯具的清洁和维护，且内部设置微棱镜结构，保证了光照的均匀照射；

(7) 照明灯具安装在现用西红花种植架上，无需重新设计种植架，利用率高，改造成本小。

这种灯具能效高、成本低，且采用红蓝光源组合照射，对于西红花在室内培养期间提前开花和花丝伸长有很大的促进作用；同时，观测西红花生长情况时开启黄光照射，保证室内的高显色性，便于种植人员观察采收或者系统自动拍照监测。该灯具直接安装在现有西红花种植架上，操作方便，光照可控，值得在西红花室内种植中被广泛使用。

附图说明

图1为本发明的便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具的内部结构排布示意图。

图2为本发明的便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具的灯具控制流程示意图。

图3为本发明的红黄蓝LED面光源模块、导热铝板和透光玻璃三者相对位置侧视图。

图4为本发明的便于自动观测的室内西红花种植架和照明灯具整体示意图。

图5为本发明的全红光LED面光源模块照射的等PPFD曲线仿真结果。

图6为本发明的全蓝光LED面光源模块照射的等PPFD曲线仿真结果。

图7为本发明的红蓝光LED面光源模块照射的等PPFD曲线仿真结果。

图8为本发明的不同色温下系统拟合出不同配比的红黄蓝LED面光源光谱；（a）色温为2700K、3000K、3500K、4000K，（b）色温为4500K、5000K、5500K。

图中标号：1-红黄蓝LED面光源模块，101-红光LED面光源模块，102-黄光LED面光源模块，103-蓝光LED面光源模块，2-导热铝板，201-第一台阶，202-第二台阶，3-驱动电源，4-控制器，5-传感器，6-反馈装置，7-摄像头，8-远程控制系统，9-透光玻璃，10-种植架，11-托盘，12-隔热板。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未做出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

图1和图2分别为本发明的便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具的内部结构排布示意图和控制流程示意图。照明灯具包括由低功率密度的红黄蓝LED面光源模块1、导热铝板2、驱动电源3、控制器4、传感器5、反馈装置6、摄像头7以及远程控制系统8组成的光谱可调灯具。其中，远程控制系统8作为总的控制端，通过远程控制驱动电源R/B（即红光驱动电源/蓝光驱动电源）和控制器R/B（即红光控制器/蓝光控制器），调控所有红光LED面光源101和蓝光LED面光源103，使其发出不同强度配比的红蓝光，为室内种植架上西红花的花芽分化和花丝伸长提供光照来源。

远程控制系统8也可通过人工或自动定时方式发出不同强度的黄光，使LED灯具辐射出显色指数R _a在85以上、色容差Duv在±0.005范围内，接近黑体辐射线的白光，色温可从2700 K~6000 K遍历：当种植人员进入室内时，传感器5可探测到相关信号，将信号通过反馈装置6传输给远程控制系统8，远程控制系统8将远程发出指令给驱动电源Y（即黄光驱动电源）和控制器Y（即黄光控制器），开启黄光用于照射，便于人工观察西红花的生长情况；或者，远程控制系统8可事先设置定时开启黄光、拍照和图像反馈等功能，远程控制驱动电源Y和控制器Y以固定时长定时开启并调节黄光光谱，同时打开摄像头7拍照，拍摄好的图像通过反馈装置6将图像信号传递给远程控制系统8进行信息存储。

图3为本发明的红黄蓝LED面光源模块1、导热铝板2和透光玻璃9三者相对位置侧视图，发光面竖直向下。其中，透光玻璃9罩在红黄蓝LED面光源模块1外侧，红黄蓝LED面光源模块1和透光玻璃9共同嵌入导热铝板2上；导热铝板2作为散热板和灯板置于红黄蓝LED面光源模块1背面；第一台阶201用于透光玻璃9的嵌入，第二台阶202用于红黄蓝LED面光源模块1的嵌入。

图4为本发明的便于自动观测的室内西红花种植架和照明灯具整体示意图。图中，西红花种植架10设置4层，层间距设为40 cm，每层放置西红花球茎托盘11；导热铝板2焊接在西红花种植架10上，导热铝板2距离上层架10 cm，隔热板12置于导热铝板2和上层架之间；三组驱动电源3和控制器4放置在导热铝板2背面。关于种植架的层数和层间距这里仅举例说明，实际应用可做相应调整。

下面通过理论计算和仿真模拟，说明本发明的便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具的照射效果。通常，开启红蓝光用于室内西红花开花和花丝伸长的补充照明，开启黄光用于人工观察或自动探测西红花生长情况。

实施例1

以室内种植全开启红光LED面光源为例，说明具体的布灯方式和光强大小。图5表示本发明的全红光LED面光源模块照射的等PPFD曲线仿真结果。利用照明设计软件进行仿真模拟，设置种植架长0.95 m，宽0.6 m，层间距0.4 m，种植架左右两侧反射率设为60%，前后两侧(空气)透射率设为100%，架顶反射率设为60%，盛有西红花球茎的托盘反射率为10%，透光玻璃的出光面距离托盘0.3 m。设置西红花需获得的平均光量子密度PPFD为100 μmolm⁻² s⁻¹，而光量子学系统-辐射度学系统的换算系数K _PPF,e为4.31 μmol s⁻¹W⁻¹，那么，计算得出西红花需要的辐射照度为23.2 W m^-2。由于红光LED面光源模块是在蓝光面阵LED上涂红色荧光胶制成，光量子效率较小，取30%，依据托盘大小和光量子效率，可计算出所需LED面光源模块的总电功率为44 W，耗电量小。因此，拟布8块红光LED面光源，采用4×2排布。表1为本发明的全红光LED面光源模块照射的仿真输出PPFD表。从表1中可以看出，这种排列达到了平均光量子密度的要求，且有较好的均匀性。

表1全红光LED面光源模块照射的仿真输出PPFD表

同样，若室内种植全开启蓝光，全蓝光LED面光源模块照射的等PPFD曲线仿真结果以及仿真输出PPFD表见图6和表2。这里同样给予西红花100 μmol m⁻² s⁻¹的光照，由于蓝光LED面光源模块是在蓝光面阵LED上直接涂硅胶制成，光量子效率较高，取70%，计算得出需4块蓝光LED面光源，采用2×2排布。从表2中可以看出，这种排列达到了平均光量子密度的要求，且有较好的均匀性。

表2全蓝光LED面光源模块照射的仿真输出PPFD表

当红蓝光同时开启，通过调节两者之间的光强配比，配合室外自然光照的变化情况，以满足西红花室内各个生长阶段所需，从而促进西红花提早开花和花丝伸长，增值增产。图7和表3分别表示本发明的红蓝光LED面光源模块照射的等PPFD曲线仿真结果和仿真输出的PPFD表。这里，红光LED面光源模块用实线表示，黄光LED面光源模块用点线表示，蓝光LED面光源用短虚线表示。将12块红蓝光LED面光源模块全部点亮，2块黄光LED面光源未开启，可提供大约200 μmol m⁻² s⁻¹的光照，且这种排布均匀性较好。此外，通过调节红蓝光比例，如1: 9, 2: 8, 3: 7, 4: 6, 6: 4, 7: 3, 8: 2, 9: 1等，可实现不同光强不同光谱的照射。以上红蓝配比仅举例示意，具体实施中包含以上配比但不仅限于此。

表3红蓝光LED面光源模块照射的仿真输出PPFD表

实施例2

图8表示红黄蓝三色LED面光源同时开启，室内满足较好显色指数和色容差所对应的不同色温下的光谱。这来选用红光LED面光源峰值波长为650 nm，黄光LED面光源峰值波长为553 nm，蓝光LED面光源峰值波长为455 nm。通过编写程序，将红黄蓝三色光谱配比进行初步计算，拟合出10³个光谱。并优化参数区间，挑选出显色指数R _a在85以上，色容差Duv在±0.005以内，接近黑体辐射线的代表性色温的光谱，色温从2700 K~6000 K遍历。

表4表示不同色温下系统计算出的不同配比的红黄蓝LED面光源的显色指数R _a、R1~R15和色容差Duv等色参数。从表4中可以看出，通过调节红黄蓝光谱配比，灯具可以发出宽色温范围且接近黑体辐射的白光，便于室内西红花种植中人工观察或自动探测。

表4不同色温下系统拟合出不同配比的红黄蓝LED面光源的色参数表

本发明提出的便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具能够有效合理地控制光照强度，保证室内具有很好的显色性，便于对西红花进行生长观测；同时，面光源模块功率密度低、辐射效率高、散热好、用电少、节约成本、光衰小，避免了采用自然光照射光照不均匀或强度不够等问题，值得在西红花室内种植中推广。当然，这种红黄蓝LED面光源组合照射也可应用于温室、大棚、植物工厂等多种室内植物照明场合。

Claims

1.一种便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具，其特征在于，包括红光LED面光源

模块、蓝光LED面光源模块、黄光LED面光源模块、导热铝板、传感器、反馈装置以及远程控制系统；其中：

传感器和反馈装置相连，反馈装置和远程控制系统相连；

2.根据权利要求1所述的室内西红花种植架照明灯具，其特征在于，红光LED面光源模块、

蓝光LED面光源模块和黄光LED面光源模块的功率密度均在0.10 W/cm²~0.55 W/cm²之间。

3.根据权利要求1所述的室内西红花种植架照明灯具，其特征在于，红光、黄光和蓝光的光

强大小用光量子通量PPFD表示，红光、黄光和蓝光的光强在0 μmol m⁻² s⁻¹~1000 μmolm⁻² s⁻¹范围调节。

4.根据权利要求1所述的室内西红花种植架照明灯具，其特征在于，红光LED面光源模块是在面阵LED上涂红色荧光胶制成，峰值波长在620 nm~665 nm；黄光LED面光源模块是在面阵LED上涂黄色荧光胶制成，峰值波长在570 nm~600 nm；蓝光LED面光源模块是在面阵LED上直接涂硅树脂制成，峰值波长在455 nm~495 nm。

5.根据权利要求1所述的室内西红花种植架照明灯具，其特征在于，红光LED面光源模块、蓝光LED面光源模块和黄光LED面光源模块外罩透光玻璃，三者交错排列。

6.根据权利要求5所述的室内西红花种植架照明灯具，其特征在于，透光玻璃内部设置微透镜或微棱镜结构。

7.根据权利要求1所述的室内西红花种植架照明灯具，其特征在于，还包括摄像头，摄像头分别与远程控制系统和反馈装置连接，远程控制系统控制摄像头拍照，同时反馈装置将图像信号传递给远程控制系统存储信息。

8.根据权利要求1所述的室内西红花种植架照明灯具，其特征在于，远程控制系统基于ZigBee、PLC电力线载波、蓝牙、Wi-Fi中的一种或多种无线通信技术。

9.一种根据权利要求1所述的室内西红花种植架照明灯具的应用，其特征在于，将便于自动观测的室内西红花种植架照明灯具的导热铝板安装在西红花种植架上使用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，导热铝板和西红花种植架的上层架之间设有隔热板。