CN114245512A - 一种光源系统、感知方法及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光源系统，包括传感器、上位机、控制单元、驱动装置、以及若干波段的光源；光源用于提供植物生长所需的光照；驱动装置用于生成直流驱动信号驱动光源输出光；传感器用于测量植物的生长状态；上位机用于处理所述传感器测量的植物的生长状态，并判断促进植物生长所需的光照参数；控制单元用于根据所述上位机提供的光照参数调节所述驱动装置生成驱动所述光源的电流。本发明还涉及一种感知方法、控制方法；本发明采用感知方法判断植物在生长过程中是否处于应激状态，根据生长状态控制光源输出光照射植物，以调节植物的应激态，进而可增加果实的产量。
Description
技术领域
本发明属于光源控制技术领域，是一种用于促进植物生长的一种光源系统、感知方法及控制方法。
背景技术
由生物或非生物因素引起的植物应激对植物生长产生不利影响，会显著降低植物果实的产量。植物的应激状态会在植物中通过许多类型的症状表达。例如，水应激会关闭气孔并阻碍光合作用，导致叶片颜色和温度的变化。其它应激症状包括形态变化，如卷叶或枯萎。
对于光合作用的能量来源光照而言，光也会产生两种形式的应激，即过度光照和光照不足造成的应激。比如，当光强度超过光合作用的需要时，光可能会导致植物中氧化还原活性中间体积累的不平衡，并进而可能抑制光合的活性氧(ROS)反应并降低光合生产潜力。除了可见光之外，紫外线(UV)光也是阳光的固有组成部分，特别是到达地球表面的高度破坏性UVB辐射水平不断增加。因此，植物会受到光致损伤的危害。为了最大限度地减少光损伤的可能性，植物具有发展了各种保护机制，包括快速光合重排和更持久的调整代谢物组成、叶面形态、开花时间和种子生产。这些机制会导致当植物处于光应激态时，其叶片的形态和颜色会发生变化。另外，附加的环境压力，如干旱、温度压力和营养缺失，一般都会降低光合能力，并加剧过度光应激的影响。
早期发现并缓解植物应激状态对于最大限度地减少生产力的急性和慢性损失至关重要。比如，对于果树而言，任何补救措施的有效性都取决于及时发现和识别应激。然而，受到受光感知个体差异性的影响，人在估计植物应激时的叶片颜色和模式时存在很大的主观性，并不一定准确。因此，一种自动监测植物的应激状态，并调节光照的方法可以尽早发现并解决这一问题，最大限度地降低植物应激态对产量的影响。
另外，光可调节农作物的多种属性,如开花、结果、生物量积累、免疫和营养价值。随着LED光源技术的成熟，LED照明可替代自然光、或作为自然光的补充，从而减少能耗、水和化肥的用量，控制植物生长过程、增加营养成分。有研究报道指出，在设施农业中每增加1％的光照，意味着增长0.8％的产量。
目前，公知的用于植物照明的光源技术有两种主要问题。第一，控制系统不具备监测植物生长状态的功能。第二，光源系统不具备根据植物的应激状态自动调节光照参数的功能。由于这两个问题，采用现有技术设计实现的光源具有生产效率不高，甚至可能会导致植物出现光应激状态的缺点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于植物照明的光源系统的设计方法、感知方法及控制方法，该方法可自动监测植物的应激状态，并调节光照以缓解植物的应激态，从而提高植物果实的产量。
本发明提供一种光源系统，包括若干波段的光源、驱动装置、传感器、控制单元、上位机；
所述光源用于提供植物生长所需的光照；
所述驱动装置用于生成驱动信号驱动所述光源输出光；
所述传感器用于测量植物的生长状态；
所述上位机用于处理所述传感器测量的植物的生长状态，并判断促进植物生长所需的光照参数；
所述控制单元用于根据所述上位机提供的光照参数调节所述驱动装置生成驱动所述光源的电流。
进一步地，所述驱动装置包括微处理器、恒流驱动器，所述恒流驱动器输出多个直流电流驱动所述光源的多个光谱通道，所述微处理器输出多个脉冲宽度调制信号调节所述恒流驱动器输出的多个直流电流幅值；
还包括恒压驱动器，所述恒压驱动器用于将交流电压转换成直流电压给所述微处理器、所述多个恒流驱动器供电。
进一步地，所述光源由多个波段的LED芯片构成，所述波段包括400-470nm、530-580nm、600-670nm。
进一步地，所述光源系统还可以包括测量光照度和光谱传感器。
一种感知方法，包括以下步骤：
S1、拍摄目标植物的图像；
S2、识别图像中的植物叶片的颜色；
S3、根据叶片的颜色判断植物的生长状态。
进一步地，在步骤S1中，所述上位机对图像中的植物叶片进行图像分割，识别植物叶片图像所占的像素范围。
进一步地，在步骤S2中，对获取所述图像中的植物叶片的像素范围内的RGB通道的灰度值分别进行统计，获取各个通道占比最高的灰度值作为该颜色通道灰度的峰值。
进一步地，在步骤S3中，分别获取图像中叶片像素范围内的RGB颜色通道的峰值，比较所述叶片的RGB通道的峰值与标准叶片的RGB颜色值，判断目标叶片的颜色是否在标准叶片颜色的范围内；如果是，则保持当前照射光谱不变；如果否，则植物处于应激状态，切换到缓解植物应激状态的照射光谱。
一种光源控制方法，包括以下步骤：
S1、根据所述植物的生长状态，调取所述上位机中预先保存的匹配该状态的照射光谱，将其设定为环境光应达到的照度和光谱；
S2、用所述传感器测量环境光的照度和光谱，将测量信息作为反馈信号输入到控制单元的反馈控制模块；
S3、根据所述测量的光照度和光谱以及预设照射光谱计算控制信号，通过所述控制信号调节所述驱动装置；
S4、驱动装置向光源输出直流电流，使光源发出光。
进一步地，在步骤S3中，所述控制算法是一种根据植物生长与光照参数之间的数学关系模型设计的模型预测控制算法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种光源系统、感知方法及控制方法，该方法可自动监测植物的应激状态，并调节LED光源的照射参数来缓解植物生长的应激状态，从而提高植物果实的产量。
本发明提供的方法主要适用于补充自然光对植物进行照明，包括但不限于蔬菜、水果、花卉、药材等植物。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的光源系统结构示意图；
图2为本发明的LED光源的电驱动原理示意图；
图3为本发明的感知方法流程图；
图4为本发明的计算图像中叶片像素范围内的RGB颜色峰值流程图；
图5为本发明的一种被照植物的照片示意图；
图6为本发明的从被照植物的图像中分割出植物叶片图像的示意图；
图7为本发明的植物叶片图像的一个颜色通道的灰度值直方图示意图；
图8为本发明的植物叶片图像的一个颜色通道的灰度值的另一个直方图示意图；
图9为本发明的判断植物生长状态的流程图；
图10为本发明的采用模型预测控制方法控制光源输出光参数的原理图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种光源系统，如图1所示，包括传感器101、上位机102、控制单元103、驱动装置104、以及若干波段的光源105；光源105用于提供植物生长所需的光照；驱动装置104用于生成直流驱动信号驱动光源105输出光；传感器101用于测量植物的生长状态；上位机102用于处理所述传感器测量的植物的生长状态，并判断促进植物生长所需的光照参数；控制单元103用于根据所述上位机提供的光照参数调节所述驱动装置生成驱动所述光源的电流。
作为优选地，驱动装置，如图2所示，包括微处理器、恒流驱动器；恒流驱动器输出多个直流电流驱动所述光源的多个光谱通道，所述微处理器输出多个脉冲宽度调制信号调节所述恒流驱动器输出的多个直流电流幅值；还包括恒压驱动器，所述恒压驱动器用于将交流电压转换成直流电压给所述微处理器、所述多个恒流驱动器供电。
作为优选地，光源由多个波段的LED芯片构成，所述波段包括蓝光400-470nm、绿光530-580nm、红光600-670nm等植物生长主要依赖的光谱成分。
用于感知植物生长状态的方法，如图3所示，包括如下步骤：
S1、使用成像设备拍摄目标植物的图像；
S2、识别图像中的植物叶片的颜色；
S3、根据叶片的颜色判断植物的生长状态。
作为优选地，识别图像中的植物叶片的颜色的方法，如图4所示，包括如下步骤：
S21、对图像中的叶片进行分割，作为优选地，可以采用卷积神经网络、或者高通滤波器对图像进行分割处理；
S22、识别图像中的植物叶片所占的像素范围，即叶片分割区域内的像素的行号与列号的集合；
S23、计算叶片所占的像素范围内的RGB通道的峰值，作为优选地，可以绘制各个颜色通道灰度值的直方图，统计每个等间隔的灰度值范围内的像素数量，像素数量最多的灰度值范围即对应叶片颜色在某个通道的峰值。
在一个实施例中，首先拍摄如图5所示的一株果树21的局部图像2，包括果树的叶片。采用U-Net型卷积神经网络对图5的图像进行分割，得到如图6所示的叶片的分割图像2，其中201为分割出来的叶片图像。继续绘制绿通道的直方图a如图7所示，其中c为一定灰度值范围内的像素数量的柱状图，b所示阴影为参考叶片颜色灰度的取值范围。
作为优选地，根据叶片的颜色判断植物的生长状态的方法，如图9所示，包括如下步骤：
S411、分别获取图像中叶片像素范围内的RGB颜色通道的峰值；
S412、比较所述叶片的RGB通道的峰值与标准叶片的RGB颜色值；
S413、判断目标叶片的颜色是否在标准叶片颜色的范围内；
S414、如果是，则植物处于正常生长状态，则保持当前照射光谱不变；如果否，则植物处于应激状态，切换到缓解植物应激状态的照射光谱。
在一个实施例中，如图7所示，所拍摄叶片的绿色通道的峰值c在参考叶片颜色的范围b内；因此，上位机判断所拍摄的植物处于正常生长状态，无需触发控制器切换LED光源的照明参数。
在另一个实施例中，如图8所示，所拍摄叶片的绿色通道的峰值c不在参考叶片颜色的范围d内；上位机判断所拍摄的植物处于过度光照的应激状态，进而触发控制器调低LED光源的输出光的辐照度。
一种光源控制方法，如图9所示，包括以下步骤：
S1、根据所述植物的生长状态，调取所述上位机中预先保存的匹配该状态的照射光谱，将其设定为环境光应达到的照度和光谱；
S2、用光传感器测量环境光的照度和光谱，将测量信息作为反馈信号输入到控制单元的反馈控制模块；
S3、根据所述测量的光照度和光谱以及预设照射光谱计算控制信号，通过所述控制信号调节所述驱动装置；
S4、驱动装置向光源输出直流电流，使光源发出光。
作为优选地，在步骤S3中，所述计算控制信号的算法是一种根据植物生长与光照参数之间的数学关系模型设计的模型预测控制算法。
在一个实施例中，如图10所示，所述模型预测控制算法获取最优光参数，输出到控制单元，进而调节驱动装置的直流电流幅值以改变光源输出的光参数，直到达到预设的植物生长状态为止。
为了进一步说明所述模型预测控制算法，在一个实施例中，首先建立植物的生长状态与光照参数之间的数学模型，如下：
z＝f(l，e) (1)
其中，l和e分别为光照参数和其它必要的环境参数；z表示植物的生长状态，作为优选的，z可以是0到1之间的一个实数，0表示植物已经死亡，1表示植物生长非常旺盛；中间的小数的数值越小，则表示植物的应激态越强烈。
基于模型(1)，可以采用控制论中常用的模型预测控制方法设计一个控制算法，如下：
s.t.0≤Lm≤1 (3)
0≤Zm≤1 (4)
其中，Tm、Zm、Lm、Em分别表示从当前时刻开始的未来m个时间采样点内的植物生长状态的期望值、根据公式(1)推导出的生长状态的表达式、光照参数的值、以及其它必要的环境参数的值；函数Zm(Lm，Em)由公式(1)直接得出；算子
即加权二范数；公式(3)和(4)为优化公式(2)的约束条件。计算公式(2-4)得出未来m个时间采样点内的最优光参数序列Lm后，取其中对应于当前时刻的光参数作为当前时刻的最优参数。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光源系统，其特征在于：包括若干波段的光源、驱动装置、传感器、控制单元、上位机；
所述光源用于提供植物生长所需的光照；
所述驱动装置用于生成驱动信号驱动所述光源输出光；
所述传感器用于测量植物的生长状态；
所述上位机用于处理所述传感器测量的植物的生长状态，并判断促进植物生长所需的光照参数；
所述控制单元用于根据所述上位机提供的光照参数调节所述驱动装置生成驱动所述光源的电流。
2.如权利要求1所述的一种光源系统，其特征在于：所述驱动装置包括微处理器、恒流驱动器，所述恒流驱动器输出多个直流电流驱动所述光源的多个光谱通道，所述微处理器输出多个脉冲宽度调制信号调节所述恒流驱动器输出的多个直流电流幅值；
还包括恒压驱动器，所述恒压驱动器用于将交流电压转换成直流电压给所述微处理器、所述多个恒流驱动器供电。
3.如权利要求1所述的一种光源系统，其特征在于：所述光源由多个波段的LED芯片构成，所述波段包括400-470nm、530-580nm、600-670nm。
4.如权利要求1所述的一种光源系统，其特征在于：还可以包括测量光照度和光谱传感器。
5.一种感知方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、拍摄目标植物的图像；
S2、识别图像中的植物叶片的颜色；
S3、根据叶片的颜色判断植物的生长状态。
6.如权利要求5所述的一种感知方法，其特征在于：在步骤S1中，所述上位机对图像中的植物叶片进行图像分割，识别植物叶片图像所占的像素范围。
7.如权利要求5所述的一种感知方法，其特征在于：在步骤S2中，对获取所述图像中的植物叶片的像素范围内的RGB通道的灰度值分别进行统计，获取各个通道占比最高的灰度值作为该颜色通道灰度的峰值。
8.如权利要求5所述的一种感知方法，其特征在于：在步骤S3中，分别获取图像中叶片像素范围内的RGB颜色通道的峰值，比较所述叶片的RGB通道的峰值与标准叶片的RGB颜色值，判断目标叶片的颜色是否在标准叶片颜色的范围内；如果是，则保持当前照射光谱不变；如果否，则植物处于应激状态，切换到缓解植物应激状态的照射光谱。
9.一种光源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据所述植物的生长状态，调取所述上位机中预先保存的匹配该状态的照射光谱，将其设定为环境光应达到的照度和光谱；
S2、用所述传感器测量环境光的照度和光谱，将测量信息作为反馈信号输入到控制单元的反馈控制模块；
S3、根据所述测量的光照度和光谱以及预设照射光谱计算控制信号，通过所述控制信号调节所述驱动装置；
S4、驱动装置向光源输出直流电流，使光源发出光。
10.如权利要求9所述的一种光源控制方法，其特征在于：在步骤S3中，所述计算控制信号的算法是一种根据植物生长与光照参数之间的数学关系模型设计的模型预测控制算法。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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