CN116548203A - 基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法。系统包括：光控制组件，用于将不同波长的光分别照射至植物；控制单元，用于调节所述光控制组件的光束所述光控制组件包括：光照射单元，用于提供太阳光；照明单元，用于提供植物所需波长的人造光；其中，所述控制单元选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。本发明从多个角度调控光照射单元和照明单元，在节省植物工厂光照成本的基础上，促进植物生长。响应于每种植物生长阶段所需的光照强度和光谱，控制单元驱动光照射单元和照明单元进行调节，并且结合天气因素通过照明单元进行光源补充。

Description

基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法

技术领域

本发明涉及植物工厂技术领域，尤其涉及基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法。

背景技术

光合作用是地球上最重要的化学反应，植物通过光合作用将光转化为可为人类直接利用的稳定的化学能形式，并提供了人类生存所需的氧气和食物。然而就植物对太阳光能的利用效率而言，从整个生长季来计算，田间作物所能够利用的光能低于整个生长季作物接受的地球表面太阳光能量的1％。现有植物工厂中常通过LED照明设备进行植物光照的补充。例如，采用LED灯与扩散板的集合均匀散射LED光，而使得植物工厂内的植物受其光照。从LED照明设备照射出的LED光会影响到植物的生长时间、结果时间等等，并且对于所需光照时长较少的植物来说，需要对每天的日照时间进行调控。现有植物工厂中通过优化控制环境条件，例如温湿度、光照、二氧化碳浓度等，在不受天气条件影响下种植植物。然而上述优化控制的各智能设施需要消耗大量的能源，是需要进行维护管理的高能耗设施。因此，如何基于植物的类型和生长阶段对植物的光照进行光照强度以及光谱分布的调节，同时降低照明的能源成本，是现有技术急需解决的问题。

CN110996427B公开一种植物工厂的照明调节方法及装置，所述方法用于照明系统中，包括：确定峰谷电价时段；根据所述植物工厂内目标植物的类别确定与所述类别相对应的照明装置的亮度范围和所述目标植物的需求光照强度；根据所述峰谷电价时段、所述需求光照强度和所述亮度范围确定预设周期内的所述照明装置的第一资源消耗区间和与所述第一资源对应的时间长度；根据所述第一资源消耗区间和所述时间长度确定所述照明装置预设周期内每个时间点的亮度值，以使得所述照明装置为所述目标植物提供与所述亮度值对应的光照强度。使光源在谷值时段和峰值时段不同的亮度值，这样在不影响植物生长的前提下，降低了峰值时段的用电资源，优化了为植物工厂的电力系统。该专利对于照明装置能耗降低的解决方法局限于通过光源在谷值时段和峰值时段不同的亮度值进行调控，从而基于峰谷电价降低植物工厂内照明所需的成本。但是该方法未从根本上解决照明成本过高的问题，其资源的消耗降低较少。

中国专利CN100553443C公开了一种密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂，包括围护结构、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、CO₂供给系统、光源供给系统，还包括基于嵌入式网络技术的控制系统和自动计电系统；该专利是密闭隔热不透光的，并且完全采用人工光源；通过控制系统，对系统内的温度、湿度、CO₂浓度、光照、风向、风速等环境因子进行网络化监测和控制，将空气洁净与环境控制相结合，为植物生产提供清洁的、最适的生长环境。该专利具有低成本、低能耗的优点，可直接应用于无农药、高品质和高附加值的植物遗传资源和低成本化的大量快繁和大规模种苗生产，实现规格化和标准化的栽培管理和计划生产。该专利完全利用人工光实现对植物环境的控制，虽对于植物的加速培育具有良好效果，但是缺乏照明成本的控制，不利于工业化形成植物工厂。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于植物光能吸收率的光源调节系统，至少包括：光控制组件，用于将不同波长的光分别照射至植物；控制单元，用于调节所述光控制组件的光，所述光控制组件包括：光照射单元，用于提供太阳光；照明单元，用于提供植物所需波长的人造光；其中，所述控制单元基于植物类型和生长阶段选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。本发明从多个角度调控光照射单元和照明单元，在节省植物工厂光照成本的基础上，促进植物生长。响应于每种植物生长阶段所需的光照强度和光谱，控制单元驱动光照射单元和照明单元进行调节，并且结合天气因素通过照明单元进行光源补充。

根据一种优选的实施方式，所述控制单元配置为按照如下方式进行所述光照射单元和/或照明单元的选择性驱动：按照时间序列获取所述光照射单元发射的太阳光的第一光束光谱信息；获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段；基于植物类型和生长阶段从数据库中获取预定最佳光谱信息；基于所述第一光束光谱信息和预定最佳光谱信息计算植物所需补充的照明单元的第二光束光谱信息。本发明获取植物图像，并且对植物图像进行处理分析，排除不同光照对图像的干扰后，判断植物的类型和生长阶段，由此获取预定最佳光谱信息。通过光照射单元和照明单元的双重调节使得植物的光照条件维持在最佳状态，并且还能够根据植物的叶片温度或光导单元的温度调节光收集单元的光学焦点，以降低植物的蒸腾作用以及防止因聚集太阳光可能造成的火灾。

根据一种优选的实施方式，所述第一光束光谱信息是指通过所述光控制组件发出的太阳光光束的光谱信息；所述第二光束光谱信息是指所述照明单元发出的人造光光束的光谱信息。

根据一种优选的实施方式，所述控制单元基于所述第二光束光谱信息调节所述照明单元上LED件的光束的波长。

根据一种优选的实施方式，所述光控制组件还包括：光收集单元，用于收集太阳光；光导单元，用于透射由所述光收集单元收集的太阳光至所述光照射单元。在按照时间序列获取所述光收集单元收集的太阳光的所述第一光束光谱信息之前，所述控制单元还配置为；基于所述光导单元的温度调节所述光收集单元的光学焦点位置以改变所述光照射单元的太阳光光量。本发明引入了太阳光作为主要光源，节省植物工厂内所需的大量光照能耗，并且设置照明单元作为补充光源，用于提供植物所需的特殊波长的光束。

根据一种优选的实施方式，所述系统还包括用于采集所述植物图像的图像采集单元。所述控制单元从所述植物图像中获取植物的叶绿素荧光或红外区域的光能吸收率变化以判断植物类型和生长阶段。本发明通过上述图像处理和分析实时直观确定植物的生长状态，并且由此建立预定最优光谱信息。控制单元基于图像获取的预定最优光谱信息调节光照射单元和照明单元。例如在植物生长的初始阶段，通过照明单元照射含有大量红光的光束，而在成熟阶段将光转换为含有较少红光的光由此缩减植物的生长周期。再例如，在植物生长过程中，叶片颜色从绿色变为红色的情况下，减小光照射单元和照明单元中的红光入射量。

根据一种优选的实施方式，在所述控制单元获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段之前，所述控制单元还被配置为：基于所述太阳光和/或人造光与波长区域的强度比来校正所采集的所述植物图像。本发明通过植物图像来掌握植物的类型、生长阶段和环境胁迫情况，由此改变光照射单元和/或照明单元的光照需要通过植物当前所受到光照的光束光谱信息来校准植物图像，从而获取预定最佳光谱信息。

根据一种优选的实施方式，在所述第一光束光谱信息和第二光束光谱信息符合所述预定光谱信息的情况下，所述图像采集单元和控制单元持续进行植物图像获取和植物类型与生长阶段的判断；当植物叶片温度升高时，或当由于植物生长阶段发生改变时，所述控制单元控制所述光照射单元和/或照明单元的光量以保持所述第一光束光谱信息和第二光束光谱信息与预定光谱信息的匹配。本发明反射单元和图像采集单元的设置能够准确测量待测波长区域内的光的强度，通过反射单元限定所获取蓝光和/或红光的波长范围，准确判断植物所需预定最佳光谱信息。

根据一种优选的实施方式，所述控制单元基于获取的植物类型和生长阶段去判断植物的至少一种生长需要；所述控制单元基于植物的至少一种所述生长需要，并基于所述光照射单元和照明单元的对于植物生长的光调节去促进或抑制植物的与至少一种所述生长需要相关的生长特征。

本发明还涉及一种基于植物光能吸收率的光源调节方法，所述方法包括：提供太阳光；提供植物所需波长的人造光；选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。

根据一种优选的实施方式，所述方法还包括：按照时间序列获取发射的太阳光的第一光束光谱信息；获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段；基于植物类型和生长阶段从数据库中获取预定最佳光谱信息；基于所述第一光束光谱信息和预定最佳光谱信息计算植物所需补充的第二光束光谱信息。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的基于植物光能吸收率的光源调节系统的简化结构示意图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的光收集单元、光导单元和光照射单元的简化连接结构示意图；

图3是本发明提供的一种优选实施方式的光导单元的横截面示意图；

图4是本发明提供的一种优选实施方式的照明单元的简化结构示意图；

图5是本发明提供的一种优选实施方式的广角成像单元和图像采集单元的结构示意图。

附图标记列表

1：控制单元；2：光控制组件；3：光收集单元；4：光导单元；5：光照射单元；6：照明单元；7：光芯部件；8：光量单元；9：温度检测单元；10：光遮单元；11：LED件；12：基板；13：光谱模块；14：图像采集单元；15：广角成像单元；16：反射单元。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

现有植物工厂中常通过LED照明设备进行植物光照的补充。例如，采用LED灯与扩散板的集合均匀散射LED光，而使得植物工厂内的植物受其光照。从LED照明设备照射出的LED光会影响到植物的生长时间、结果时间等等，并且对于所需光照时长较少的植物来说，需要对每天的日照时间进行调控。传统LED照明设备为了均匀辐射LED光，需要设置扩散板，这导致LED光所输出的能量随着透射率的降低而降低，能量损耗并发导致植物生长速率下降。现有植物工厂中通过优化控制环境条件，例如温湿度、光照、二氧化碳浓度等，在不受天气条件影响下种植植物。然而上述优化控制的各智能设施需要消耗大量的能源，是需要进行维护管理的高能耗设施。因此，如何在保障种植的植物具有一定产量、生长速率的同时，降低能源成本，是现有技术急需解决的问题。

本实施例涉及一种基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法，更具体来说，本发明涉及一种基于植物所需能量总和和光能吸收率去调节光源光照强度的调节系统及方法。本发明能够根据每一种植物或作物的生长阶段所需能量总和和光能吸收率提供合适的培育环境，同时减小能量消耗。本发明能够通过调节光源通过反射光的方式来减少人工照明以降低能量消耗。

根据一种优选的实施方式，系统包括用于检测光束光谱的光谱模块13和用将不同波长的光分别照射至植物的光控制组件2。优选地，控制单元1将光谱模块13检测到的照射到生长植物上光束的光束光谱信息，对应于每种植物的生长阶段。优选地，控制单元1基于光束光谱信息，在该光束光谱信息不满足与生长阶段对应的预定最佳光谱信息时，从中提取对应于该植物生长阶段的预定最佳光谱信息。优选地，控制单元1选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。控制单元1用于检测照射到本系统中种植的植物的光束光谱信息，并该光束光谱信息对应于系统中生长的每种植物的生长阶段。当该光束光谱信息与预定最佳光谱信息发生偏差时，选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。

根据一种优选的实施方式，光控制组件2包括光收集单元3、光导单元4、光照射单元5和照明单元6。光照射单元5用于将太阳光照射于植物。照明单元6用于将人造光照射于植物，例如采用LED光源等。照明单元6所发出的人造光还能够是具有不同波长的可见光。光照强度、光照质量和光周期是影响植物生长的重要因素。优选地，照明单元6提供包括380nm～430nm的紫光、430nm～470nm的蓝光、500nm～560nm的绿光和650nm～760nm的红光。优选地，控制单元1调节光控制组件2的光照光谱和光照时间以适应所生长的植物类型和生长阶段。优选地，光收集单元3用于收集太阳光。光导单元4透射由光收集单元3收集的太阳光。光照射单元5将从光导单元4透射的太阳光照射至植物上。控制单元1基于从光照射单元5发射出的太阳光的输出和预定最佳光谱信息调节照明单元6的人造光。优选地，光照射单元5发射出的太阳光的输出能够由测量单元测得。控制单元1接收从测量单元发送的光照射单元5的太阳光的输出调节照明单元6的人造光输出。控制单元1所具有的存储器或与控制单元1连接的存储设备预先设置有与植物类型和生长阶段相对应的所需光谱、光照强度和光照时间。由于照明单元6的人造光是根据从光照射单元5照射的太阳光的输出来进行调节的。因此，植物照明的调节是适应其类型和生长阶段的。同时，由于光照射单元5能够将太阳光中具有较长波长的红光照射在植物上，因此植物的叶片上温度被维持在促进叶片蒸腾作用的范围以防止叶片温度过高。即，通过对光收集单元3的光学焦点位置的调节，能够实现对太阳光入射量的调整，以在植物叶片温度过高时，减小该太阳光入射量，将叶片上温度维持在促进叶片蒸腾作用的范围内。照明单元6是用于在太阳光照射不足时，作为补充光源进行植物的光照维持的，由此显著降低了系统的光照能耗。

根据一种优选的实施方式，光导单元4的外壳能够由可自由弯曲的塑料材质制成，其内部具有至少一个光芯部件7。上述可自由弯曲是指该光导单元4能够在该外壳引导下发生自由形变，以使得从植物工厂外部延伸至植物工厂内部的光导单元4能够位于植物工厂内的任一地点。例如，植物工厂通常具有多层级结构，即同一地点处具有多层培育空间，为使得光导单元4能够自由延伸至每一层培育空间，其外壳具有可自由弯曲的特性。光芯部件7是指能够在光导单元4延伸方向上传输光的光纤。光芯部件7能够由单个光纤或包括多个光纤的光纤束组成。光芯部件7外部包覆有防止异物污染的外壳。该外壳还用于在光导单元4弯曲时，防止光芯部件7损坏。需要说明的是，本发明的光芯部件7之所以不采用光导玻璃纤维或集成光波导制成，是因为其在被弯曲时，玻璃光纤易被损坏或折断，而不能形成光路，并且玻璃光纤所采用的成本较高。

根据一种优选的实施方式，光收集单元3例如是采用菲涅尔透镜的光收集设备。光收集单元3通过菲涅尔透镜的方式将太阳光收集到光学焦点，其光学焦点位于光芯部件7处。优选地，光收集单元3能够由合成树胶材质制成，由此减轻光收集单元3的重量，并且防止由于外部冲击而对光收集单元3的损坏。光控制组件2还包括用于调节光收集单元3和光导单元4之间距离的光量单元8。光量单元8与控制单元1通信连接以使得控制单元1调节入射在光导单元4上的光量。光量单元8例如是通过控制光收集单元3的位移以使得光收集单元3的光学焦点与光导单元4偏移，从而减小光导单元4的入光量。光量单元8例如是通过驱动电机控制光收集单元3的位移。由于光收集单元3为镜面设置，通过至少两个驱动电机即能够控制其四个方位上的位移，以实现光学焦点的偏移。具体地，在太阳光照强的情况下，光量单元8控制光收集单元3的移动，使得光收集单元3的光学焦点与光导单元4的端部分离，入射在光导单元4上的光量减小，由此控制光导单元4的透射光量，并且防止了光导单元4的局部温度过高而出现损坏或引发火灾。优选地，光收集单元3和光导单元4之间能够设置阻热部件。例如阻热膜，以减少聚光温度。优选地，若干个光导单元4对应于若干个光收集单元3和若干个光量单元8，或者若干个光导单元4对应于一个光收集单元3和一个光量单元8，以共同控制光导单元4的聚光温度和/或入射光量，并且降低系统建设成本。

优选地，光导单元4的外壳端部上能够嵌入有温度检测单元9。温度检测单元9检测光导单元4的温度并且将温度相关数据发送至控制单元1。控制单元1根据所获取的温度数据通过光量单元8调整光收集单元3，以防止火灾的发送。

优选地，光照射单元5在植物的竖向上方排布为若干列。光照射单元5将从光导单元4透射的太阳光照射在植物竖向上方。光照射单元5由单个光纤或包括多个光纤的光纤束组成。优选地，光照射单元5能够分别连接或统一连接至每一个光导单元4。光照射单元5能够将太阳光均匀照射至植物上。

根据一种优选的实施方式，光控制组件2还包括光遮单元10。该光遮单元10阻挡透射至光导单元4的太阳光以调节光照时间。优选地，光遮单元10设置于光收集单元3中。光遮单元10能够设置于光收集单元3的太阳光入射侧。优选地，光遮单元10还能够设置于光导单元4与光照射单元5之间。由此，控制单元1通过控制光遮单元10和照明单元6去调节不同植物类型和生长阶段的光照时间。具体地，光遮单元10包括设置在光收集单元3上的光遮件和移动光遮件的移动件。光遮件例如是光遮面板或其余遮挡物。当需要向植物提供光照时，移动件将光遮件移动到光收集单元3和光导单元4之间的间隙。

优选地，照明单元6包括提供人造光的若干个LED件11以及安装有若干个LED件11的基板12。照明单元6作为补充光源提供太阳光缺乏时，植物所需的光照。

本发明通过光导单元4和光照射单元5将通过光收集单元3收集的太阳光对植物进行照射，该系统使得太阳光能够用于多层级结构的植物工厂或智能温室系统中，并且将太阳光均匀照射到植物。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

由于太阳光中提供了植物生长所需的所有波长的光照，所以在太阳光充足阶段，无需通过照明单元6对植物所需光照进行补充。本发明在太阳光不能够对植物生长进行供应时，通过照明单元6的补充光照对植物进行持续光照供应，并且该补充光照符合对植物生长最有效的光谱分布。传统照明设备存在以下问题：若按照预定比例混合不同波长的光束以符合对植物生长最有效的光谱分布的方式设置LED光源，仅能够初步符合预定最佳光谱信息。然而植物的不断生长以及所处环境温度的不断变化会使得该预定最佳光谱信息同样发生变化。因此现有照明设备不能随时间改变其混合光束，并且不同类型植物处于不同生长阶段以及不同环境温度时的预定最佳光谱信息是不断改变的。即使其混合光束的光配方能够改变，在未确定植物所需的预定最佳光谱信息时，混合光束所需的光谱信息也是未知的。需要说明的是，植物的预定最佳光谱信息还受到环境温度的影响。即使是同一植物同一生长阶段，也可能在环境胁迫影响下其所需的预定最佳光谱信息也存在不同。上述预定最佳光谱信息(光束光谱信息)是指植物生长所需的光照强度和光配方。

优选地，本发明提供一种基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法。系统还包括光谱模块13，光谱模块13包括反射单元16和用于采集植物图像的图像采集单元14。优选地，控制单元1通过反射光强度与波长区域之比来控制照明单元6发出混合光束。优选地，控制单元1基于反射光强度与波长区域之比校准从图像采集单元14获取的植物图像。优选地，控制单元1从所采集的植物图像中获取植物的叶绿素荧光或红外区域的光能吸收率变化。优选地，反射单元16用于发射从照明单元6入射的光。反射单元16被划分为若干个区域，并且每一区域包括用于选择性反射不同波长区域的滤色片。光谱模块13还包括设置于植物上的广角成像单元15，广角成像单元15表面形成植物图像。图像采集单元14获取在广角成像单元15上形成的植物图像。具体地，广角成像单元15具有相对于径向对称的凸面镜面。

本发明的图像采集单元14具有以下有益效果：

在实时测量照射到植物的波长区域的光的强度比和光束光谱信息后，通过控制照明单元6进行光照补充以保持优化的光谱分布。本发明通过实时测量照射到植物上的光的强度的比率，再通过该比率校正获取的植物图像，使其不受到照射的光束波长不同的影响，其采集到的植物图像真实反映其光能吸收率。

根据一种优选的实施方式，光照射单元5和照明单元6选择性将太阳光和/或人造光照射到植物上。反射单元16用于反射太阳光和/或人造光。广角成像单元15设置在植物的竖向上方。图像采集单元14能够正对广角成像单元15以采集植物图像。优选地，照明单元6能够是以一定比例混合的各波长LED灯的组合。照明单元6能够提供针对植物生长优化的光谱分布的光照。例如，照明单元6能够排列有红色、蓝色和白色的三色LED灯，通过LED灯的启停实现不同波长光束的提供。优选地，反射单元16设置在若干个植物之间。反射单元16分有若干个区域，每一区域设置有滤色片，选择性地反射不同波长的光束。彩色滤光片可以通过沉积选择性反射波长区域的材料的方法进行涂覆。例如，使用反射450±10nm波长范围内的光束的蓝色滤光片和反射655±10nm波长范围内的光束的红色滤光片的反射单元16，由此获取蓝光和红光的强度。若确定该强度的比率偏离预定最佳光谱信息，通过调节照明单元6来获取优化光谱分布的光照。

优选地，广角成像单元15用于增加图像采集单元14的采集角度。由于常规的植物工厂的种植空间由若干层组成，并且每层高度受到限制，若需要在有效空间中种植尽可能多的植物，其植物密度需要达到一定标准，而设置的图像采集单元14难以获取高密度的植物图像。广角成像单元15的表面为凸面，即径向对称，由此在该广角成像单元15的表面形成位于广角成像单元15下方的宽圆形区域的植物图像。图像采集单元14设置于广角成像单元15下方以拍摄在广角成像单元15上形成的植物图像。在广角成像单元15上形成的植物图像容易出现失真，需要控制单元1进行校正以将其转换为实际观察到的植物图像。图像采集单元14能够是采用电荷耦合器件或互补金属半导体的光接收元件。由光照射单元5和照明单元6组合形成的对植物的光照被反射单元16选择性反射至广角成像单元15，并且由广角成像单元15形成图像再通过图像采集单元14进行采集，通过不同波长区域测量入射到图像采集单元14的图像接收元件上的光的强度。光接收元件上能够贴敷有R滤光片、G滤光片和B滤光片。例如，R滤光片能够测量由655±10nm波长范围内的光束的强度，B滤光片能够测量450±10nm波长范围内的光束的强度。本发明反射单元16和图像采集单元14的设置能够准确测量待测波长区域内的光的强度，通过反射单元16限定所获取蓝光和/或红光的波长范围，准确判断植物所需预定最佳光谱信息。

通过图像采集实现对植物预定最佳光谱信息的视觉确认其缺陷在于：图像采集时的光源的光谱分布必须是恒定的，以避免不同光谱分布的光源照射下，导致的图像的色彩改变。尤其需要在植物被白光照射状态下的图像，才能够准确判断植物的生长阶段以及光能吸收情况。在不具有白光照射条件下对植物图像进行采集，进而分析出的预定最佳光谱信息是不具有实际意义的。例如，在植物图像变为红色时，无法确定植物本身变为红色或光源红色对应的频率区域强度增强而导致的图像变红。现有在特殊光照下的获取的植物图像与在白光下获取的植物图像存在颜色上的差异。植物呈现绿色的原因在于植物吸收蓝光和红光，反射绿光。因此在光照提供中，将不必要的绿光降至最低，仅提供植物生长所需的蓝光和红光，因此获取的植物图像颜色可能是蓝色或红色，而非绿色，并且该图像颜色随着照明单元6所发出的光的光束光谱信息变化而变化。因此，本发明通过植物图像来掌握植物的类型、生长阶段和环境胁迫情况，由此改变光照射单元5和/或照明单元6的光照需要通过植物当前所受到光照的光束光谱信息来校准植物图像，从而获取预定最佳光谱信息。

优选地，控制单元1通过图像采集单元14测量的每一波长区域内光的强度来计算照射到当前植物上的光的光谱分布。优选地，在光照射单元5进行照射而照明单元6停止照射的情况下，此时植物受到白光照射。优选地，控制单元1基于光照射单元5的单一照射下获取的植物图像去校准使用混合光束强度与波长区域的比率获得的植物图像。例如，在待测植物为白色的情况下，图像采集单元14采集到的植物图像。此时图像采集单元14采集到的植物图像的比例为R：G：B＝4：0.5：1.5，该植物被判断为红色。在光照射单元5进行照射而照明单元6停止照射的情况下，该太阳光的比例为R：G：B＝8：1：3。通过该太阳光的比例将反射单元16反射的光校准为白光时，图像采集单元14采集到的植物图像的比例修正为R：G：B＝0.5：0.5：0.5，由此该植物被校准判断为白色，并且获取植物白光下的图像。本发明通过上述图像处理和分析实时直观确定植物的生长状态，并且由此建立预定最优光谱信息。控制单元1基于图像获取的预定最优光谱信息调节光照射单元5和照明单元6。例如在植物生长的初始阶段，通过照明单元6照射含有大量红光的光束，而在成熟阶段将光转换为含有较少红光的光由此缩减植物的生长周期。再例如，在植物生长过程中，叶片颜色从绿色变为红色的情况下，减小光照射单元5和照明单元6中的红光入射量。优选地，控制单元1基于所获取的植物图像测量植物的叶绿素荧光强度以分析植物的生长状况或环境胁迫情况。优选地，控制单元1获取叶绿素荧光强度随时间的变化曲线，并且通过叶绿素荧光强度的最大值和最小值的比较来判断植物生长状态。

优选地，光照射单元5和/或照明单元6发出的光束被反射单元16反射，由并且由广角成像单元15和图像采集单元14采集其植物图像。优选地，控制单元1基于植物图像获取光照射单元5和/或照明单元6发出光束的光束光谱信息。控制单元1基于植物图像获取植物的生长状态并从数据库中获取该生长状态相对应的植物的预定光谱信息。若预定光谱信息为450±10nm波长区域的光强度与655±10nm波长区域的光强度之比等于1：2。在光束光谱信息符合预定光谱信息的情况下，图像采集单元14和控制单元1进行持续图像获取和判断。当叶片温度升高而降低整体光量时，或当由于655±10nm波长区域的红光减弱而比例变化时，控制光照射单元5和/或照明单元6光量以保持光束光谱信息与预定光谱信息的匹配。上述数据库是指依据某一数据模型组织并且存在于二级存储器中的数据集合。在本发明中，数据库具有各类型植物在各生长阶段以及生长状态下所需的预定最佳光谱信息。

优选地，控制单元1基于广角成像单元15的形状畸变和入射光与波长区域的强度比来校正所采集植物图像的颜色变化。工作人员可以通过连接到控制单元1的显示器检查植物的生长状态，同时确认校准后的植物图像。

根据一种优选的实施方式，控制单元1配置为按照如下方式进行光照射单元5和/或照明单元6的调节：按照时间序列获取光照射单元5发射的太阳光的第一光束光谱信息；获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段；基于植物类型和生长阶段从数据库中获取预定最佳光谱信息；基于第一光束光谱信息和预定最佳光谱信息计算植物所需补充的照明单元6的第二光束光谱信息。优选地，控制单元1基于第二光束光谱信息调节照明单元6上LED件11的光束的波长。在按照时间序列获取光收集单元3收集的太阳光的第一光束光谱信息之前，控制单元1还被配置为：基于光导单元4的温度调节光收集单元3的光学焦点位置。上述第一光束光谱信息是指通过光导单元4的太阳光光束的光谱信息。上述第二光束光谱信息是指照明单元6发出的人造光光束的光谱信息。基于上述设置，本发明至少具有如下优势：引入了太阳光作为主要光源，节省植物工厂内所需的大量光照能耗，并且设置照明单元6作为补充光源，用于提供植物所需的特殊波长的光束。本发明获取植物图像，并且对植物图像进行处理分析，排除不同光照对图像的干扰后，判断植物的类型和生长阶段，由此获取预定最佳光谱信息。通过光照射单元5和照明单元6的双重调节使得植物的光照条件维持在最佳状态，并且还能够根据植物的叶片温度或光导单元4的温度调节光收集单元3的光学焦点，以降低植物的蒸腾作用以及防止火灾。本发明从多个角度调控光照射单元5和照明单元6，在节省植物工厂光照成本的基础上，促进植物生长。响应于每种植物生长阶段所需的光照强度和光谱，控制单元1驱动光照射单元5和照明单元6进行调节，并且结合天气因素通过照明单元6进行光源补充。例如，在光照强度较小的阴天或雨天，光照射单元5所获取的太阳光较少，光照强度较低，通过照明单元6弥补该部分光照，使得光照射单元5和照明单元6共同的混合光束满足每种植物生长阶段所需的光照强度和光谱。

优选地，在本实施例中，针对植物的生长发育，尤其是针对不同类型、不同生长阶段的植物的培育，对于植物生长需要的调控非常重要。因此给出以下步骤：控制单元1基于获取的植物类型和生长阶段去判断植物的至少一种生长需要；控制单元1基于植物的至少一种生长需要，并基于光照射单元5和照明单元6的对于植物生长的光调节去促进或抑制植物的与至少一种生长需要相关的生长特征。

根据一种优选的实施方式，在设置有若干个图像采集单元14的情况下，控制单元1被配置为基于所采集的植物图像判断植物的类型和生长阶段，从而基于遍历的生长需要而择出至少一种生长特征，使得光照射单元5和照明单元6能够基于该择出的生长特征而实际进行光调节并作用于植物上。上述生长需要可以被选择为例如培育该类植物的培育目的，在一种实施例中，该培育目的可以包括使植物在开花期前收获、让植物在某一特定时间段进入结果期以及在某一生长阶段获取植物叶梗等。例如，莴笋开花后会降低口感和食用价值。而某些植物在结果后会快速进入衰退期，通过延缓其结果时间能够迎合市场销售周期，避免结果后果实的囤积。即，油菜花在开花后会快速结籽，导致其叶梗快速变老，纤维变硬，而严重影响食用口感。对此，本发明基于植物的生长需要，以有利于植物品质以及市场价值的提升。上述生长特征是指与生长需要对应的需要改变的植物性状，包括延缓植物进入花期、延缓植物快速生长甚至避免植物结果。控制单元1能够基于该生长特征为延缓植物进入花期而控制光照射单元5和照明单元6降低光量，或给予植物特定波长的光照。本发明提供的光源调节除了能够促进植物生长、降低光照成本外，还能够实现缓花缓果，同时保障植物品质。在另一种实施例中，该生长需要还能够被选择为植物易受的灾害。不同类型的植物所易遭受的灾害不同，以虫害为例。某一类型植物具有对某一种虫害的抵抗性，而对于另一种虫害缺乏抵抗性。控制单元1基于该类型植物的易受灾害，进行环境参数的调节。例如，增加光量以提高叶片温度，从而抑制易受灾害的发生。在上述情况下，生长特征是指该类型植物需要存在的环境参数，以避免该类型植物易受灾害的发生。例如，某一类型的植物可能具有三种易受灾害，控制单元1通过照射单元5和照明单元6调整光照从而使得该植物所处的环境不利于上述三种易受灾害的发生，从而抑制病虫害。尤其是易受灾害中的虫害，虫害的发生往往是因为外界环境的刺激，而使得存在于种植土壤或叶片或种子或其余能够附着虫卵的区域的虫卵开始发育。本发明的控制单元1至少针对不同类型植物具有的各易受灾害容易出现的刺激条件进行调节，使得易受灾害的发生减小90％以上，而不易受灾害忽略不计，极大提高了植物培育品质，使得植物能够快速发育。

优选地，本方案还提出一种人造光联合太阳光对植物进行最优光照的优化实施例，该实施例中，太阳光作为光收集单元3所采集至植物工厂中的一种光源，其至少被配置为能够与外界天气情况相关的自然光源。光收集单元3收到控制单元1调配而配置其所采集太阳光的强度。优选地，在已经配置有上述太阳光强度的情况下，照明单元6按照其植物工厂内植物的至少一种生长需要而在预定的光配比下被控制单元1调配地改变其当前光照参数。具体地，在一种实施例下，控制单元1能够按照光收集单元3的光学焦点位置改变的方式改变光收集单元3所采集的太阳光的强度范围，且照明单元3能够在控制单元1调配下具有对人造光光束的调配功能。生长需要至少是由植物工厂内植物类型和生长阶段判断的。控制单元1基于至少一种生长需要以及光收集单元3的太阳光情况去调配照明单元3的人造光光束。生长需要例如是需要让该类型植物于某一时间段进行某一生长阶段。控制单元1通过促进或抑制该植物生长的方式调节其生长时间，从而使得该植物在指定时间段进入指定生长阶段。优选地，控制单元1通过光收集单元3和照明单元6共同的光照调节实现对植物的促进或抑制。控制单元1能够基于温度传感器监测光收集单元3光学焦点的温度和/或植物叶片的照射温度以控制光收集单元3的光学焦点的位置，从而改变太阳光的进光量。例如，在外界天气光照强度过高的情况下，或在植物叶片的照射温度超过植物耐受温度(生长最佳温度)的情况下，控制单元1控制光收集单元3的光学焦点的偏移以减小太阳光的进光量，并且控制照明单元6补充该所减小的进光量，使得植物工厂内植物所受光照保持在最佳范围内。由于太阳光分布有所有波段的光，在其太阳光进光量减小后，照明单元6无需提供所有波段的光束，而仅需提供植物生长需要的特定波动的光束，由此植物叶片的照射温度不会上升，而会下降至适宜温度。控制单元1同时获取该植物工厂内植物类型和生长阶段，由此判断植物的至少一种生长需要并与太阳光进光量变化联合调控照明单元6的人造光光束。控制单元1基于该类型植物于某一时间段需要进行某一生长阶段的生长需求去选择性驱动照明单元6促进或抑制植物的生长。某一特殊植物可能需要在植物工厂内进行缓花缓果，例如采摘周期较短的植物需要延长其成熟期，或需要其较嫩根茎或叶片的植物延缓其进入成熟期等。本方案至少有促进植物生长需要同时节约能源的效果，其由提供补充光源的照明单元6和提供自然光源的光收集单元3响应于太阳光变化、植物照射温度以及植物生长需要而被驱动。控制单元1对光收集单元3和照明单元6的调配受到多种因素的影响，包括外界天气光照条件、植物叶片的照射温度、植物类型、植物生长阶段以及植物的生长需要，由此考虑多种因素使得获取的植物工厂内植物生长过程符合正常生产的需要。

在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种基于植物光能吸收率的光源调节系统，至少包括：

光控制组件(2)，用于将不同波长的光分别照射至植物；

控制单元(1)，用于调节所述光控制组件(2)的光，其特征在于，所述光控制组件(2)包括：

光照射单元(5)，用于提供太阳光；

照明单元(6)，用于提供植物所需波长的人造光；其中，

所述控制单元(1)基于植物类型和生长阶段选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。

2.根据权利要求1所述的基于植物光能吸收率的光源调节系统，其特征在于，所述控制单元(1)配置为按照如下方式进行所述光照射单元(5)和/或照明单元(6)的选择性驱动：

按照时间序列获取所述光照射单元(5)发射的太阳光的第一光束光谱信息；获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段；

基于植物类型和生长阶段从数据库中获取预定最佳光谱信息；

基于所述第一光束光谱信息和预定最佳光谱信息计算所述照明单元(6)的第二光束光谱信息。

3.根据权利要求1或2所述的基于植物光能吸收率的光源调节系统，其特征在于，所述控制单元(1)基于所述第二光束光谱信息调节所述照明单元(6)上LED件(11)的光束的波长。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于植物光能吸收率的光源调节系统，其特征在于，所述光控制组件(2)还包括：

光收集单元(3)，用于收集太阳光；

光导单元(4)，用于透射由所述光收集单元(3)收集的太阳光至所述光照射单元(5)，其中，

在按照时间序列获取所述光收集单元(3)收集的太阳光的所述第一光束光谱信息之前，所述控制单元(1)还配置为：

基于所述光导单元(4)的温度调节所述光收集单元(3)的光学焦点位置以改变所述光照射单元(5)的太阳光光量。

5.根据权利要求1～4任一项所述的基于植物光能吸收率的光源调节系统，其特征在于，所述系统还包括：

图像采集单元(14)，用于采集所述植物图像；

所述控制单元(1)从所述植物图像中获取植物的叶绿素荧光或红外区域的光能吸收率变化以判断植物类型和生长阶段。

6.根据权利要求1～5任一项所述的基于植物光能吸收率的光源调节系统，其特征在于，在所述控制单元(1)获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段之前，所述控制单元(1)还被配置为：

基于所述太阳光和/或人造光与波长区域的强度比来校正所采集的所述植物图像。

7.根据权利要求1～6任一项所述的基于植物光能吸收率的光源调节系统，其特征在于，在所述第一光束光谱信息和第二光束光谱信息符合所述预定光谱信息的情况下，所述图像采集单元(14)和控制单元(1)持续进行植物图像获取和植物类型与生长阶段的判断；

当植物叶片温度升高时，或当由于植物生长阶段发生改变时，所述控制单元(1)控制所述光照射单元(5)和/或照明单元(6)的光量以保持所述第一光束光谱信息和第二光束光谱信息与预定光谱信息的匹配。

8.根据权利要求1～7任一项所述的基于植物光能吸收率的光源调节系统，其特征在于，所述控制单元(1)基于获取的植物类型和生长阶段去判断植物的至少一种生长需要；所述控制单元(1)基于植物的至少一种所述生长需要，并基于所述光照射单元(5)和照明单元(6)的对于植物生长的光调节去促进或抑制植物的与至少一种所述生长需要相关的生长特征。

9.一种基于植物光能吸收率的光源调节方法，其特征在于，所述方法包括：提供太阳光；

提供植物所需波长的人造光；

选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。

10.根据权利要求9所述的基于植物光能吸收率的光源调节方法，其特征在于，所述方法还包括：

按照时间序列获取发射的太阳光的第一光束光谱信息；

获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段；

基于植物类型和生长阶段从数据库中获取预定最佳光谱信息；

基于所述第一光束光谱信息和预定最佳光谱信息计算植物所需补充的第二光束光谱信息。