CN117356295B - 一种低扰动高效能农业设施人工光照系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工光照技术领域，具体提供一种低扰动高效能农业设施人工光照系统，包括：照明组件隔离单元、LED照明子系统、功率分配单元和控制单元，其中，照明组件隔离单元采用隔离式多层透光隔热结构，将LED照明子系统与环境隔离，并通入干冷空气进行冷却，避免热辐射影响作物；通过控制单元综合调控对LED照明子系统实现恒流驱动、过电流脉冲驱动及频闪驱动模式，根据不同作物的生理特性综合优化光质、光强及光照周期特性。本发明提供了连续可调的全光谱光照，优化了光源能效，降低了系统热效应对作物及环境的影响，本发明的系统鲁棒性更优，为高密度植物工厂、集约化高效农业、高通量育种加速系统提供了新的高性能光源解决方案。

Description

一种低扰动高效能农业设施人工光照系统

技术领域

本发明涉及人工光照技术领域，具体提供一种农业场景下智慧设施用的低扰动高效能农业设施人工光照系统。

背景技术

我国是粮食大国也是人口大国，伴随人地矛盾增加和全球气候变化，在保证粮食安全与农业安全的同时，发展低碳足迹、资源集约型、环境友好型的可持续现代农业势在必行。面对这一现状，智慧型植物工厂以其土地利用率极高，水肥流失少，植物生长周期短，产品品质高，可实现全年耕作等优势脱颖而出。

然而目前，该类设施的推广仍面临诸多困境，其中高效能人工光照系统就是一大难点。植物正常生长离不开阳光，光既是植物光合作用的能量源，也是重要的环境刺激源，因此光源的光强、光质及光周期直接关系到农产品产量与品质，而在全人工植物工厂内，由于极高的种植密度和全年无休的耕作模式，自然光无法满足生产需求，人工光照依赖度较高。目前常用的人工光照系统主要用于设施补光，其光谱组成与阳光差异较大，单纯依赖此类光源，作物生长易受到限制，且造成植株抗逆性差、易染病、生长畸形等问题，严重影响品质与产量，与智慧型植物工厂的初衷相悖；此外，目前的人工光系统的光照效率较低，热辐射影响显著，在人工光源占比更高的植物工厂内该现象尤为明显，易造成植物叶片灼伤等问题。且光源对设施内排放大量热量，增加了冷却降温系统的负荷，不利于温度稳定以及设施节能环保；同时，农业设施内高温高湿，存在水汽、肥料液滴等侵蚀因素，传统的光源组件易锈蚀，其性能衰减快，运行寿命短，进一步增加了维护成本。

在光源方面，目前LED组件已大量代替荧光灯、空气放电灯及白炽灯，成为设施光照系统的主流光源，但设施专用的LED光源仍十分稀缺，目前主要的方法为使用普通照明LED或将多个单一色光LED机械组合形成光源阵列，这两类方法均存在较大弊端，前者在光谱特性方面与阳光差异大，有效光强度较低，植物快速生长受到限制；后者则一味强调了光合作用的最适光谱，但忽略了光调控作用，植物长期在此类环境生长，易造成发育不良、植株畸形等问题。

在光热影响方面，目前国内外相关研究主要集中在自然光条件下的温室设施，对于近距离、高密度人工补光系统的研究较少，而在产业上，当出现叶片灼伤时，一般采取降低发光功率或拉远光源距离的解决方法，但此类方法效果较差，且与智慧型植物工厂高密度栽培的设计理念相违背，不利于集约化生产。

在驱动方式上，主流的驱动电路设计理念只考虑了LED的安全运行，一般采用恒流驱动，但该模式下LED组件连续恒定发光，植物由于自身“光反应-暗反应”的生理机制，无法完全利用上述光能，造成能量浪费，且连续发光系统的光强远未达到光反应阶段上限，植物仍具有较大的生长潜力。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种低扰动高效能农业设施人工光照系统，系统采用隔离式多层透光隔热结构，实现光源与外部环境分离，降低系统运行对植物热影响，以及避免环境对光源的侵蚀；通过反馈控制优化了光照能效，延长了系统工作寿命。

本发明提供的低扰动高效能农业设施人工光照系统，包括：照明组件隔离单元、LED照明子系统、功率分配单元和控制单元；

照明组件隔离单元包括多层同轴设置的透明隔热管，透明隔热管的两端通过支撑环密封，最内层的透明隔热管轴向为中空的散热流道；

LED照明子系统安装在散热流道内，并通过接口模块与照明组件隔离单元连接；LED照明子系统由多光谱LED阵列、温湿度传感器和热沉模块构成；多光谱LED阵列安装在热沉模块上，温湿度传感器嵌入在热沉模块内，用于测量热沉模块的温度和散热流道内的空气湿度；热沉模块用于吸收并传导多光谱LED阵列产生的热量；通过在散热流道内通入空气，对LED照明子系统进行冷却；

控制单元通过控制功率分配单元切换LED照明子系统的工作状态，为LED照明子系统提供不同波形参数的电能。

优选的，透明隔热管包括外层透明隔热管、中层透明隔热管和内层透明隔热管，外层透明隔热管和中层透明隔热管之间的区域为外隔热夹层，中层透明隔热管和内层透明隔热管之间的区域为内隔热夹层；支撑环包括外隔热夹层支撑环和内隔热夹层支撑环。

优选的，还包括与控制单元的输入端连接的高功率脉冲驱动模块、恒流驱动模块和频闪驱动模块；控制单元的输出端通过屏蔽线与LED照明子系统连接；通过单个或多个驱动模块为LED照明子系统进行供电，调节脉冲或频闪占空比，以适应不同植物的光反应和暗反应周期。

优选的，高功率脉冲驱动模块还与储能电容器阵列连接，用于临时存储高功率脉冲驱动模块工作所需的电能；储能电容器阵列包括储能电容器和电容放电子系统，储能电容器与电容放电子系统并联，电容放电子系统用于释放储能电容器中的残余电荷。

优选的，还包括隔离型信号变送器，分别与控制单元和外部信号接口连接，用于实现信号隔离，减少信号串扰。

优选的，还包括空气处理子系统，空气处理子系统由气压平衡阀、排气消声组件、冷凝水排放阀、空气干燥器子系统、制冷分配阀、变频制冷泵、冷凝器、空气输送泵、自静电过滤器及进气口组成；

进气口与自静电过滤器连接，实现静电除尘，并通过空气输送泵进行增压后进入空气干燥器子系统；

制冷分配阀具有至少三个端口，分别通过管道与空气干燥器子系统、变频制冷泵、冷凝器连接；变频制冷泵的控制回路与控制单元连接，控制单元通过温湿度传感器的温度和湿度数据，实时调节变频制冷泵的转速；根据变频制冷泵的转速对空气干燥器子系统内的空气进行制冷；冷凝水排放阀连接在空气干燥器子系统的底部，用于排出工作产生的冷凝水；

空气干燥器子系统与接口模块连接，冷却后的空气通过管道进入散热流道，对LED照明子系统进行温控，再通过排气管排出；气压平衡阀设置在接口模块的排气管上，用于控制空气流量，并平衡散热流道内的气压；排气消声组件安装在气管的末端。

优选的，空气干燥器子系统包括进气口、出气口、空气分配器、冷凝腔、排水口、集水托盘、冷凝板及制冷换热器；

空气通过进气口进入空气分配器，并通过冷凝板与制冷换热器进行热传导，热传导结束后进入冷凝腔，并通过进气口排出冷凝后获得的干冷空气；

集水托盘设置在冷凝板的底部，用于汇集冷凝水，并通过排水口排出。

优选的，多光谱LED阵列由多段式可控光谱LED芯片和蓝光-荧光型全光谱LED芯片构成，多段式可控光谱LED芯片可连续调节发光强度，实现光质和光强的连续可控；蓝光-荧光型全光谱LED芯片采用发光波长为455nm的蓝光LED，用于激发复合型稀土掺杂荧光粉发出全光谱。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明将LED照明子系统嵌入在照明组件隔离单元内，在充足光照工况下，避免了系统热辐射对植物的影响，减少了近距离、强光照工况下对植物叶片的热影响，避免了热灼伤现象的出现，改善了全人工环境控制型植物工厂内的光热环境特性。并且将LED照明子系统与外部环境和隔离，避免了环境湿度及液滴等对电路和元件的侵蚀，提高了系统的环境耐受性与使用寿命。通过温湿度传感器获取温度和适度信息，反馈控制流入散热流道的干冷空气，自动实现LED照明子系统的高效冷却与集中式热管理。

本发明在空气处理子系统内采用了变频驱动的制冷泵和空气输送泵根据系统所需空气流量及热量输送压力，适时调节干冷空气的输送量。并且，其中的空气干燥器子系统采用“加压-冷凝-减压”的连续处理方法，在相同排气量和出口空气含水量的条件下，相对传统“常压冷凝”或“常温高压除水”的模式，降低了制冷系统及空气压缩机的工作负荷，且本发明的方法不需要使用一次性吸水材料，运行过程无需任何耗材，总运行成本更低，更加节能环保。

本发明采用了多模驱动，将高功率脉冲驱动、恒流驱动和频闪驱动进行结合，根据不同作物的生理特性，灵活调节脉冲或频闪占空比及维持时间，以适应不同植物的光反应-暗反应周期，并且提高了能量利用率。

本发明的光源采用多段式可控光谱LED芯片和蓝光-荧光型全光谱LED芯片结合的方式，可连续调节发光强度和光质，并且蓝光-荧光型全光谱LED芯片通过激发复合型稀土掺杂荧光粉可发出全光谱，突破了传统LED或荧光灯的局限，实现了全光谱连续可控发光，达到了更优的光质调控性能。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的低扰动高效能农业设施人工光照系统的结构框架图；

图2是根据本发明实施例提供的LED照明子系统的结构图；

图3是根据本发明实施例提供的照明组件隔离单元的结构图；

图4是根据本发明实施例提供的支撑环的结构图；

图5是根据本发明实施例提供的空气干燥器子系统的结构图；

图6是根据本发明实施例提供的供电原理图。

其中的附图标记包括：

照明组件隔离单元1、LED照明子系统2、接口模块3、安全阀4、气压平衡阀5、排气消声组件6、冷凝水排放阀7、空气干燥器子系统8、制冷分配阀9、变频制冷泵10、冷凝器11、空气输送泵12、自静电过滤器13、进气口14、功率分配单元15、高功率脉冲驱动模块16、电容放电子系统17、恒流驱动模块18、频闪驱动模块19、控制单元20、隔离型信号变送器21、外部信号接口22、储能电容器阵列23、储能电容器24、屏蔽线25、空气处理子系统26、内层透明隔热管27、中层透明隔热管28、外层透明隔热管29、散热流道30、支撑环31、内隔热夹层32、外隔热夹层33、外隔热夹层支撑环34、内隔热夹层支撑环35、多光谱LED阵列36、温湿度传感器37、热沉模块38、进气口39、出气口40、空气分配器41、冷凝腔42、排水口43、集水托盘44、冷凝板45、制冷换热器46、蒸发器膨胀管47、制冷剂回气阀48、制冷剂膨胀阀49、电源输入口50、主电源保护器51、电源输入滤波器52、多通道直流供应器53、脉冲驱动模块过载保护器54、恒流驱动模块过载保护器55、频闪驱动模块过载保护器56、电源断路器57。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，针对现有的智慧农业设施，本发明提供了一种适用于各种作物的低扰动高效能农业设施人工光照系统，主要由照明组件隔离单元1、LED照明子系统2、功率分配单元15、高功率脉冲驱动模块16、恒流驱动模块18、频闪驱动模块19、控制单元20、空气处理子系统26组成。

对于系统光照部分，LED照明子系统2是系统光源，安装在照明组件隔离单元1的内部空间，通过接口模块3实现与照明组件隔离单元1的机械连接，通过屏蔽线25实现与功率分配单元15的电气连接。照明组件隔离单元1用于将LED照明子系统2与外界环境隔离，一方面避免了环境中高湿度及肥料液滴对LED芯片、电气连接口、多光谱荧光层的侵蚀，进而减少组件锈蚀、荧光材料受潮水解、芯片性能退化等问题，提高了系统的环境耐受性与使用寿命；另一方面，更为重要的是，避免LED照明子系统2在工作时产生的热辐射直接辐射至环境中，影响作物，严重可能灼伤作物。

如图2所示，照明组件隔离单元1包括多层同轴设置的透明隔热管和用于支撑透明隔热管的支撑环31，透明隔热管为两端开口的圆柱状，多层透明隔热管间的径向距离可以相同或不同。透明隔热管的两端通过支撑环31进行密封，透明隔热管的中间位置也设置有支撑环31进行支撑。此外，可依据所需隔热效果和光强范围调整透明隔热管的层数，可以应对不同的隔热需求，具有较好的泛用性，并且圆柱状的透明隔热管有利于光线均匀透射，也适合进行批量化生产安装，综合成本较低。

作为一种优选的实施例，透明隔热管包括内层透明隔热管27、中层透明隔热管28和外层透明隔热管29，外层透明隔热管29为防护外壳，其厚度和硬度可进行适当增强。内层透明隔热管27和中层透明隔热管28之间的区域为内隔热夹层32，中层透明隔热管28和外层透明隔热管29之间的区域为外隔热夹层33。支撑环包括设置在两端的内隔热夹层支撑环38和外隔热夹层支撑环34。内隔热夹层32的两端通过内隔热夹层支撑环35密封，形成内层隔热结构；外隔热夹层33的两端通过外隔热夹层支撑环34密封，形成外层隔热结构。在透明隔热管的中段位置还设置有中段支撑环，用于对透明隔热管进行支撑和约束。

作为一种优选的实施例，内层透明隔热管27、中层透明隔热管28和外层透明隔热管29可采用PMMA树脂或PC树脂材质，或采用上述两种材质的组合。

作为一种优选的实施例，内隔热夹层支撑环35和外隔热夹层支撑环34可采用半透明的PTFE或PDMS材质，或采用上述两种材质的组合。以降低安装机械应力和热应力，并提供一定的缓冲性能，并且减少对通光量的影响。

作为一种优选的实施例，内隔热夹层32和外隔热夹层33密封后，可采用空气或其他惰性、低热导率气体进行填充，或采用不同气体进行组合填充。

作为一种优选的实施例，内层透明隔热管27的内部为中空结构，整体呈现为径向的圆柱形散热流道30，LED照明子系统2即安装在散热流道30内。通过向散热流道30通入干冷空气带走LED照明子系统2工作时产生的热辐射，实现冷却降温的效果。本发明通过多层隔热和冷空气导热的组合方法，降低了人工光照系统运行过程中的热辐射，进而减少了近距离、强光照工况下对植物叶片的热影响，避免了热灼伤现象的出现；同时，由于系统避免了热辐射影响作物，因此可在近距离条件下实现更高的强度光照，充分发挥植物光合作用潜力。相对于现有技术，本发明改善了全人工环境控制型植物工厂内的光-热环境特性，在保证足够光照的同时，降低了热辐射影响，避免叶片灼伤的同时，减轻了植物工厂设施的冷却压力，可节省大量的制冷能耗，有助于综合提升系统的能源效率。

如图4所示，LED照明子系统2是系统光源，包括多光谱LED阵列36、温湿度传感器37和热沉模块38，其中，多光谱LED阵列36安装在热沉模块38的上表面，用于将功率分配单元15的电能转化为不同光谱波段的光能，并发光进行向外辐射。

作为一种优选的实施例，多光谱LED阵列36由多段式可控光谱LED芯片和蓝光-荧光型全光谱LED芯片组合构成，多段式可控光谱LED芯片由多组不同中心波长的管芯组成，并通过集成电路工艺制备在同一基片上，采用异质结HEMT器件的形式，通过调节源极与漏极间的电流，可以控制LED的发光强度，实现光强的连续可调。通过调节栅极上的电压，可以改变异质结的能带结构，从而调节发光波长。具体来说，栅极电压的变化会改变电场分布，在异质结中引起电子的能级变化，从而影响发光波长。通过这种方式，可以使每组对应的LED管芯的发光光谱在中心波长加减50nm的范围内，并且实现连续可调。而蓝光-荧光型全光谱LED芯片则采用发光波长为455nm的蓝光LED，用于激发复合型稀土掺杂荧光粉发出全光谱。由于受蓝色光透射率影响，因此，在灯珠表面的透镜内壁设置了一层蓝光反射膜，用于向内反射多余的455nm蓝光，避免光谱分布失真。本发明的光源实现了全光谱连续可控发光，突破了传统单一色光LED或荧光灯的局限，达到更优的光质调控性能，本发明发出的光更贴近于太阳光，有效光强度较高，在保证作物光合作用的前提下，具有较好的光调控作用。

作为一种优选的实施例，温湿度传感器37嵌入在热沉模块38内，用于测量热沉模块38的温度，以及多光谱LED阵列36所处散热流道30的空气湿度，并将温度和湿度数据通过功率分配单元15向控制单元20反馈，避免多光谱LED阵列36过热烧毁。

作为一种优选的实施例，热沉模块38用于吸收并传导多光谱LED阵列36运行过程产生的热量，并通过散热流道30，与其中流通的干冷空气进行对流，带走系统运行时产生的热量，维持多光谱LED阵列36运行温度相对恒定，减少温度漂移带来的光效和光质变化。

如图1所示，照明组件隔离单元1的散热流道30为密封结构，照明组件隔离单元1的上端设置有一安全阀4，安全阀4用于保障散热流道30内的气压稳定，避免流入空气过多导致散热流道30内的气压过高。照明组件隔离单元1的下端连接在接口模块3上，接口模块3保证了散热流道30的气密性。

作为一种优选的实施例，还可设置气压传感器，测量散热流道30内的气压，当内部气压过高时自动开启安全阀4进行排气，直至压力回落至正常范围。

对于系统控制和驱动部分，本发明的LED照明子系统2是通过单驱动或多种驱动组合的形式进行供电，将高功率脉冲驱动、恒流驱动及频闪驱动相结合，可根据不同作物的生理特性，通过控制单元20进行控制，切换不同的工作状态，灵活调节脉冲或频闪占空比及维持时间，以适应不同植物的光反应-暗反应周期。

作为一种优选的实施例，控制单元20采用嵌入式的控制单元，可采用通用嵌入式计算机、基于ASCI的专用计算机、基于FPGA和DSC的可编程逻辑硬件等方式中的一种或几种组合方法实现。

控制单元20分别与高功率脉冲驱动模块16、恒流驱动模块18、频闪驱动模块19电气连接。控制单元20通过控制高功率脉冲驱动模块16的放电时间、放电功率及脉冲波形，实现其输出高功率脉冲的调节控制。控制单元20控制频闪驱动模块19的频闪占空比、频闪功率及频闪频率，实现LED照明子系统2频闪运行的光输出模式调控。控制单元20通过控制恒流驱动模块18的最大输出电压和额定电流，实现LED照明子系统2稳态工况下发光功率的调节。

作为一种优选的实施例，高功率脉冲驱动模块16与频闪驱动模块19可配合使用，在作物进行光反应阶段，利用高功率脉冲和频闪驱动提供高强度的光能，以最大限度发挥植物光合作用在光能吸收阶段的生理潜力。在暗反应阶段，可以关闭光源或降低驱动功率，进行小电流、小电压的恒流驱动，以节省能源开销并防止光反应产物过量积累导致叶片生理危害和光灼伤。同时，这种控制方法利用了LED半导体芯片瞬时电流过载能力高于热过载能力的特性。通过控制LED组件瞬时过电流，但平均功率在安全范围内的方式，可以使用低成本的LED组件实现高光通量。这不仅节约了系统组件成本，而且不会影响LED的寿命，有助于推广和应用。

高功率脉冲驱动模块16、恒流驱动模块18和频闪驱动模块19均通过功率分配单元15向LED照明子系统2进行供电。功率分配单元15具有输入端和输出端，其输入端为3组，分别与高功率脉冲驱动模块16、恒流驱动模块18及频闪驱动模块19电气连接，用于输入来自上述驱动模块的不同波形参数的电能，并切换LED照明子系统2的工作状态；其输出端为1组，通过屏蔽线25与LED照明子系统2电气连接，用于向LED照明子系统2提供工作电流。

作为一种优选的实施例，控制单元20还与隔离型信号变送器21和外部信号接口22三者间呈串联关系电气连接。其中，隔离型信号变送器21用于实现内外信号隔离，减少信号串扰。具体的，隔离型信号变送器21可采用磁隔离技术，通过隔离型信号变送器21内部的“调制-磁场耦合-解调”链路，实现输入信号与输出信号的电气隔离。或者，隔离型信号变送器21采用电容隔离技术，通过“电场耦合-相位调制”的方法，实现输入信号与输出信号的电气隔离。外部信号接口22可采用LAN网口、USB、UART、MEBUS等通用接口，用于实现本发明系统的功能扩展或与其他自动化控制装置的联动运行。

在系统运行过程中，隔离型信号变送器21用于减少外部电气环境对系统内电路产生影响，同时也可以本系统对外部信号系统的干扰。外部信号接口22用于连接外部的信号系统，实现本发明与其他自动化控制装置的联动运行，具体可连接外部的各种信号传感器，如温度传感器、光强传感器等，可将探测到的发光光谱、发光强度等信息反馈进入系统，实现闭环控制。

作为一种优选的实施例，控制单元20还与储能电容器阵列23连通，储能电容器阵列23与高功率脉冲驱动模块16连通。储能电容器阵列23用于临时存储高功率脉冲驱动模块16工作时所需的电能，改善系统工作时的动态性能。储能电容器阵列23包括储能电容器24和电容放电子系统17，储能电容器24和电容放电子系统17为并联电路。当本发明的低扰动高效能农业设施人工光照系统关机或者高功率脉冲驱动模块16停止工作后，电容放电子系统17自动释放储能电容器24中的残余电荷，避免停机后储能电容器24长期带电造成安全隐患。

作为一种优选的实施例，储能电容器阵列23中可采用多个相同电参数的电容器进行并联，实现更高的容量并降低等效电阻。

作为一种优选的实施例，储能电容器24可采用固态聚合物电容、高性能电解电容或金属-聚合物电容中的一种或多种，实现更优的动态性能，并降低高功率充放电时的能量损耗。

作为一种优选的实施例，根据具体的功率需求，电容放电子系统17可以选择内置或外置用于放电的电阻器，电阻器可以采用一体化功率电阻、线绕电阻或NTC功率电阻。上述不同类型的电阻器可以根据具体的应用需求进行选择，以满足系统的功率要求。

对于系统冷却部分，本发明采用空气处理子系统26向散热流道30输送干冷空气，通过热交换实现LED照明子系统2的冷却除湿，维持散热流道30内空气的温度及含水量的相对稳定。空气处理子系统26主要用于干冷空气的制备和排出气体维持气压平衡，其中，干冷空气制备部分主要由冷凝水排放阀7、空气干燥器子系统8、制冷分配阀9、变频制冷泵10、冷凝器11、空气输送泵12、自静电过滤器13及进气口14构成，其中，空气输送泵12、空气干燥器子系统8和照明组件隔离单元1管道连接，呈串联关系，通过空气输送泵12增压，变频制冷泵10降温，实现加压冷凝，降低进入照明组件隔离单元1内的空气含水量及空气温度。具体的，进气口14与自静电过滤器13机械连接，自静电过滤器13与空气输送泵12的空气吸入口管道连接，空气输送泵12运行时，通过进气口14吸入空气气流，对空气进行增压，气流与自静电过滤器13内的材料摩擦起电，基于静电场吸附灰尘的特性，实现空气的自静电除尘，减少空气中的颗粒物对空气输送泵12的磨损。空气气流沿管道进入空气干燥器子系统8中，通过变频制冷泵10进行降温冷凝，获得含水量较低的低温空气，再将干冷空气输入散热流道30对LED照明子系统2进行冷却降温。随着干冷空气的不断流入，散热流道30内的气压会逐渐升高，会通过安装在接口模块3底部的管道排出部分气体，以平衡散热流道30内的气压。此外，由于散热流道30与空气处理子系统26相连，空气处理子系统26具有输出干冷空气的能力，可实现、LED照明子系统2的高效冷却和集中式热管理。通过将干冷空气供给、LED照明子系统2，可以使其运行温度更加稳定，减少热致光衰减的发生。同时，这种方法还能够减少系统对设施内温度的直接影响，提高整体系统的热管理效果。另外，干冷空气的传输方式采用正压送风的方法，并且在系统运行过程中，散热流道30内的气压始终高于外界大气压，即使照明组件隔离单元1存在漏气或轻微结构损伤的问题，外部环境的潮气和各类腐蚀性气体也不容易侵入组件内部，这种内外气压差的设计有助于防止外界不良环境对LED照明子系统2的影响，提高了系统的长期运行稳定性和使用寿命。

作为一种优选的实施例，进气口14前可外加滤网或防护罩，以防止外界异物和大尺寸颗粒物吸入，避免对空气处理子系统26造成损伤，使其出现故障。

作为一种优选的实施例，空气输送泵12可根据空气流量及压强需求，选择涡轮鼓风机、罗茨鼓风机、活塞压缩机或蜗盘压缩机等。

作为一种优选的实施例，接口模块3底部用于维持气压的排气管道上设置有气压平衡阀5和排气消声组件6，气压平衡阀5与排气消声组件6为机械连接。当散热流道30内的气压升高至阈值，气压平衡阀5自动打开，进行气体排出。排气消声组件6内部具有多孔结构，当气流经过时，用于吸收和削弱气压平衡阀5向外部排气时的机械振动，降低排气噪声。具体的，气压平衡阀5可采用自压-比例给定方式设定排气比例，根据压强调节气压平衡阀5的打开程度，持续保持一定比例气体流量的排放，保证流经照明组件隔离单元1的空气流量恒定。或者气压平衡阀5采用机械-压力给定方式，设定排气压力阈值，当散热流道30的内部气压达到阈值，气压平衡阀5完全打开，进行气体排出，实现照明组件隔离单元1内气压恒定。

如图5所示，空气干燥器子系统8包括进气口39、出气口40、空气分配器41、冷凝腔42、排水口43、集水托盘44、冷凝板45和制冷换热器46。经空气输送泵12增压后的气体通过进气口39进入空气干燥器子系统8，进气口39与空气分配器41机械连接，输入增压后的湿热空气，湿热空气沿空气分配器41进入冷凝腔42，冷凝腔42与制冷换热器46通过热传导进行冷却空气。一方面，空气中的水分凝结为冷凝水后沿冷凝板45流下，集水托盘44安装在冷凝板45下方，用于汇集冷凝板45运行过程时从输入湿热空气中冷凝的水分，并通过排水口43排出，在排水口43的外部还连接有冷凝水排放阀7。另一方面，冷凝后获得的干冷空气通过出气口40排出，并通过管道进入散热流道30。

作为一种优选的实施例，冷凝腔42与制冷换热器46的接触面为抛光表面，通过添加导热硅胶的方法提高热传导效率，增强冷凝效果。

作为一种优选的实施例，空气分配器41位于冷凝板45上方，气流方向为从上至下，采用顺流流场方法，降低对空气输送泵12的压头损失。

作为一种优选的实施例，制冷换热器46包含蒸发器膨胀管47、制冷剂回气阀48和制冷剂膨胀阀49，蒸发器膨胀管47嵌入在制冷换热器46内部，进气端与制冷剂膨胀阀49机械连接，排气端与制冷剂回气阀48机械连接，制冷剂回气阀48采用单向阀，避免制冷剂反流干扰制冷系统正常工作。

空气处理子系统26的制冷采用闭环控制，制冷效果受制冷分配阀9和变频制冷泵10直接调控，其中，制冷分配阀9具有三个端口，分别与制冷换热器46、变频制冷泵10、冷凝器11管道连接，根据变频制冷泵10的转速自动调节制冷剂流入制冷换热器46和冷凝器11的流量比例，实现制冷量控制。变频制冷泵10的控制回路与控制单元20电气连接，控制单元20通过温湿度传感器37反馈散热流道30内的温度和湿度数据，进行实时反馈，并调节变频制冷泵10的运行频率，实现变频控制，改变制冷效果。

本发明实施例中，空气处理子系统26采用了变频驱动技术来变频制冷泵10和空气输送泵12的运行。通过根据系统所需的流量和输送压力来适时调节变频制冷泵10的电动机的运行频率，确保变频制冷泵10和空气输送泵12始终处于高效率工作状态。这种变频调节不仅可以满足系统的需求，还能够降低能耗，提高系统的综合能效。此外，采用变频制冷泵10和空气输送泵12能够避免传统恒速驱动方式中的高转速空转和高节流比工况。本发明的系统不仅可以减少设备的机械冲击和运行噪声，还能延长设备的使用寿命，提高运行的可靠性。同时，通过根据实际需求调整电动机的运行频率，能够精确控制变频制冷泵10和空气输送泵12的运行状态，使其在不同负载下都能保持高效率运行，进一步提高能源利用效率。另外，在空气干燥器子系统8中，采用了“加压-冷凝-减压”的连续处理方法。相比传统的常压冷凝或常温高压除水的模式，这种方法能够在相同排气量和出口空气含水量的条件下，降低制冷系统和空气输送泵12的工作负荷。同时，不需要使用一次性吸水材料，运行过程中也无需任何耗材，能够降低总运行成本，并且更加环保节能。本发明的系统冷却部分能够显著提高空气处理系统的能效，减少能耗和运行成本，同时也符合节能环保的要求。

对于系统供电部分，如图6所示，外部电源通过电源输入口50进行供电，具体可通过连接外部电源插座，实现电力输入。电源输入口50与主电源保护器51、电源输入滤波器52和多通道直流供应器53依次串联，主电源保护器51用于提供异常条件下的自动断电和正常条件下的手动电源的切断功能，避免电路因短路、过压、过流等问题烧毁。电源输入滤波器52用于稳定输入电压，滤除外部输入电源的高频杂波，避免输入电压不稳的问题。多通道直流供应器53分为4个通道，每个通道可以独立调节输出电流和电压，以满足不同供电支路的不同电压要求，4个通道分别与高功率脉冲驱动模块16、恒流驱动模块18、频闪驱动模块19以及控制单元20电气连接，以实现对智慧设施用的低扰动高效能农业设施人工光照系统进行供电，在每个供电支路上还依次设置有脉冲驱动模块过载保护器54、恒流驱动模块过载保护器55、频闪驱动模块过载保护器56和嵌入式控制单元电源断路器57，用于保证供电支路的安全，避免出现短路、过压、过流等问题。

基于上述系统结构，说明低扰动高效能农业设施人工光照系统的工作过程如下：

S1：系统准备阶段。

外部电源通过电源输入口50对系统进行供电，再将外部控制系统或者环境传感器通过外部信号接口22接入系统，对系统进行设置和调整。

闭合主电源保护器51，外部电源通过电源输入滤波器52滤波后，由多通道直流供应器53对系统供电，多通道直流供应器53输出4路直流电，分别向高功率脉冲驱动模块16、恒流驱动模块18、频闪驱动模块19和控制单元20供电。供电后，控制单元20自动开机，其内部程序加载并执行系统自检，若自检过程中存在软件设置异常等问题则进行软件参数调整；若存在组件故障，则断电后进行人工排除故障。系统自检完成后，若未发现软件设置异常和组件故障，则进行下一阶段。

S2：系统启动阶段。

控制单元20内置控制程序开始运行，首先对冷凝腔42内的原有空气进行预制冷，避免冷凝腔42内原有的空气直接进入散热流道30，对LED照明子系统2造成损伤。首先，控制单元20控制启动变频制冷泵10，制冷剂在蒸发器膨胀管47、制冷分配阀9、冷凝器11内循环流动，降低制冷换热器46温度，并与冷凝腔42进行冷热交换，在冷凝腔42达到目标温度后，预冷过程结束。

预冷完成后，控制单元20根据设定参数范围，启动空气输送泵12，并自动调节系统气压平衡阀5的开度和空气输送泵12的转速，外部空气通过进气口14吸入，经过静电过滤器13过滤后进入空气输送泵12，提高压力并进入空气干燥器子系统8，实现空气降温干燥。当达到设定温湿度和气压后，系统启动阶段完成。

S3：系统运行阶段。

单元20通过外部信号接口22与外部控制系统通信，获取多光谱LED阵列36的工作模式、发光光谱组成、发光强度等信息。在系统运行过程中，储能电容器阵列23自动充电，高功率脉冲驱动模块16、恒流驱动模块18和频闪驱动模块19按需启动，根据控制单元20发出的控制指令，输出符合要求的电能，LED功率分配单元15打开对应的通道，通过屏蔽线25向多光谱LED阵列36输出工作电流，多光谱LED阵列36发出光谱组成、波形及光强符合设置参数的光，完成电-光能量转换，为作物提供合适的光照。同时，温湿度传感器37实时监测热沉模块38的温度和散热流道30内的空气湿度，通过LED功率分配单元15向嵌入式控制单元20反馈该温湿度信号，控制单元20实时调控变频制冷泵10和空气输送泵12运行状态，维持照明组件隔离单元1内空气温度、空气含水量、气体压强稳定。在系统运行阶段，当系统参数变化或外部给定变更时，系统进行自动调节，实现各项参数的相对稳定。

S4：系统停机阶段。

当外部信号接口22接收到停机指令时，控制单元20会根据指令依次执行以下步骤：

控制单元20将多光谱LED阵列36的占空比和发光强度降至0，以确保LED光源停止工作。

控制单元20关闭高功率脉冲驱动模块16、恒流驱动模块18和频闪驱动模块19，以停止对LED阵列的驱动信号输出。

在短暂延时后，LED功率分配单元15的各个通道关闭，以确保多光谱LED阵列36完全熄灭。

此时，电容放电子系统17自动进入放电模式，开始释放储能电容器阵列23内的残余电荷，以确保系统中的电荷得到安全释放，避免电荷残留产生安全隐患。

空气处理子系统26延时运行一段时间后，自动关机，控制单元20通过外部信号接口22向外部反馈“关机完成”指令，以通知外部控制系统停机操作已经完成。控制单元20自动进入热停机状态，等待下一次启动信号的输入。

如果监测到启动信号的输入，控制单元20会自动执行上述步骤S1至S3的流程，以确保系统正常启动。如果停机过程中，用户关闭了主电源保护器51，则整个系统进入冷停机状态。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低扰动高效能农业设施人工光照系统，其特征在于，包括：照明组件隔离单元、LED照明子系统、功率分配单元、空气处理子系统和控制单元；

所述照明组件隔离单元包括多层同轴设置的透明隔热管，透明隔热管的两端通过支撑环密封，最内层的透明隔热管轴向为中空的散热流道；

所述LED照明子系统安装在所述散热流道内，并通过接口模块与所述照明组件隔离单元连接；所述LED照明子系统由多光谱LED阵列、温湿度传感器和热沉模块构成；多光谱LED阵列安装在热沉模块上，温湿度传感器嵌入在热沉模块内，用于测量热沉模块的温度和所述散热流道内的空气湿度；热沉模块用于吸收并传导多光谱LED阵列产生的热量；

所述空气处理子系统由气压平衡阀、排气消声组件、冷凝水排放阀、空气干燥器子系统、制冷分配阀、变频制冷泵、冷凝器、空气输送泵、自静电过滤器及进气口组成；所述进气口与所述自静电过滤器连接，实现静电除尘，并通过空气输送泵进行增压后进入所述空气干燥器子系统；所述制冷分配阀具有至少三个端口，分别通过管道与所述空气干燥器子系统、所述变频制冷泵、所述冷凝器连接；所述变频制冷泵的控制回路与所述控制单元连接，所述控制单元通过所述温湿度传感器的温度和湿度数据，实时调节所述变频制冷泵的转速；根据所述变频制冷泵的转速对所述空气干燥器子系统内的空气进行制冷；所述冷凝水排放阀连接在所述空气干燥器子系统的底部，用于排出工作产生的冷凝水；所述空气干燥器子系统与所述接口模块连接，冷却后的空气通过管道进入所述散热流道，对所述LED照明子系统进行温控，再通过排气管排出；所述气压平衡阀设置在所述接口模块的排气管上，用于控制空气流量，并平衡所述散热流道内的气压；所述排气消声组件安装在气管的末端；所述空气干燥器子系统包括进气口、出气口、空气分配器、冷凝腔、排水口、集水托盘、冷凝板及制冷换热器；

空气通过所述进气口进入所述空气分配器，并通过所述冷凝板与所述制冷换热器进行热传导，热传导结束后进入所述冷凝腔，并通过所述进气口排出冷凝后获得的干冷空气；

所述集水托盘设置在所述冷凝板的底部，用于汇集冷凝水，并通过所述排水口排出；

所述空气处理子系统与散热流道相连，通过所述空气处理子系统在所述散热流道内通入干冷空气，对所述LED照明子系统进行冷却，避免所述LED照明子系统产生的热辐射作用于作物；

所述控制单元通过控制所述功率分配单元切换所述LED照明子系统的工作状态，为所述LED照明子系统提供不同波形参数的电能。

2.如权利要求1所述的低扰动高效能农业设施人工光照系统，其特征在于，透明隔热管包括外层透明隔热管、中层透明隔热管和内层透明隔热管，外层透明隔热管和中层透明隔热管之间的区域为外隔热夹层，中层透明隔热管和内层透明隔热管之间的区域为内隔热夹层；支撑环包括外隔热夹层支撑环和内隔热夹层支撑环。

3.如权利要求1所述的低扰动高效能农业设施人工光照系统，其特征在于，所述控制单元的输入端分别与高功率脉冲驱动模块、恒流驱动模块和频闪驱动模块连接；所述控制单元的输出端通过屏蔽线与所述LED照明子系统连接；通过单个或多个驱动模块为所述LED照明子系统进行供电，调节脉冲或频闪占空比，以适应不同植物的光反应和暗反应周期。

4.如权利要求3所述的低扰动高效能农业设施人工光照系统，其特征在于，所述高功率脉冲驱动模块还与储能电容器阵列连接，储能电容器阵列用于临时存储所述高功率脉冲驱动模块工作所需的电能；所述储能电容器阵列包括储能电容器和电容放电子系统，储能电容器与电容放电子系统并联，所述电容放电子系统用于释放所述储能电容器中的残余电荷。

5.如权利要求1所述的低扰动高效能农业设施人工光照系统，其特征在于，还包括隔离型信号变送器，分别与所述控制单元和外部信号接口连接，用于实现信号隔离，减少信号串扰。

6.如权利要求1所述的低扰动高效能农业设施人工光照系统，其特征在于，多光谱LED阵列由多段式可控光谱LED芯片和蓝光-荧光型全光谱LED芯片构成，多段式可控光谱LED芯片可连续调节发光强度，实现光质和光强的连续可控；蓝光-荧光型全光谱LED芯片采用发光波长为455nm的蓝光LED，用于激发复合型稀土掺杂荧光粉发出全光谱。