CN204442784U - 补光参数可调式红蓝led植物补光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种补光参数可调式红蓝LED植物补光系统，包括红蓝LED补光灯、译码器、PLC控制器、HMI触控屏、PWM控制电路单元、开关电源单元、自然光光照传感器、补光光照传感器；PLC控制器的IO端口分别连接译码器的输入端口，译码器的输出端分别连接红蓝LED补光灯的控制端；PLC控制器向PWM控制电路单元提供脉冲，PWM控制电路单元的输出端为红蓝LED补光灯提供电源电压；PLC控制器通过通信端口与HMI触控屏通信；自然光光照传感器、补光光照传感器采集的光照信号输入到PLC控制器；本实用新型所采用的LED补光灯红蓝光比例可调，可根据不同需要任意设定补光方案，使用范围广。

Description

补光参数可调式红蓝LED植物补光系统

技术领域

本实用新型涉及一种红蓝光比、光强、补光时间可调的LED植物补光装置，尤其适用于设施农业温室大棚作物的补光领域。

背景技术

光是作物进行光合作用和物质代谢的基础，对作物的生长发育、结构形态等具有重要影响。在设施栽培中，需要保证作物具有足够的光照，而在冬春季节，作物往往不可避免地要在弱光环境中生长，长期光照不足会导致植株体型不健壮、落花落果严重、果实发育迟缓、产量降低、品质下降等，因此，采用人工光源对作物进行延时补光，对保证冬春季节作物的正常生长具有十分重要的意义。科学验证表明，不同波长的光线对植物光合作用的影响是不同的，在可见光谱中，植物能够吸收利用的光线主要为波长在610～720nm的红色光，以及波长在400～520nm的蓝色光，且红光和蓝光对植物生长的影响较为悬殊：红光主要促进植物的生长发育，增加干物质积累量，促使作物开花结果；蓝光则可延迟植物开花结果时间，使以收获营养器官为主的植物可以得到充分生长。目前，用于设施栽培的传统的植物补光光源主要有荧光灯、白炽灯、钠灯、金属卤化物灯等。荧光灯通过改变荧光粉的成分改变光谱范围，但其光谱主要分布在蓝、黄、绿色波段，红色光谱成分较少，补光效果不是特别理想；白炽灯价格低廉、制造方便，其发光光源中的红橙光部分有利于植物生长，但发光效率低，发热量过大，能量损耗较高；钠灯利用钠蒸汽放电产生可见光，其发光光谱主要为黄光和红光，补光效率较高，但耗电量较大，补光成本较高，不能在农业上得到广泛利用；金属卤化物灯是在高压汞灯的基础上添加各种金属卤化物制成，可以制造出接近于太阳光的光谱，但其产生的紫外线会对人体产生一定的影响。近年来，随着温室栽培技术的大力推广，LED灯因其光质光量可调、寿命长、功耗低、冷光源、防潮等特点在植物补光领域得到了越来越广泛的应用。LED是发光二极管(light emittingdiode)的简称，它的发光光谱可调，在植物生长过程中可以根据需要调整不同生长时期的补光配比，从而获得更加理想的补光效果，并且光效高、发热少、小巧轻便、节能环保。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种参数可调式红蓝LED植物补光装置，针对传统补光光源的不足，主要进行植物最需要的红色及蓝色光的补光，可实现红蓝光线配比、补光光强、补光时间的实时调节功能，补光效率高，更省电。

为了实现以上目的，本实用新型解决技术问题采用的技术方案：补光参数可调式红蓝LED植物补光系统，其特征在于，包括红蓝LED补光灯、译码器、PLC控制器、HMI触控屏、PWM控制电路单元、开关电源单元、自然光光照传感器、补光光照传感器；

PLC控制器的IO端口分别连接译码器的输入端口，译码器的输出端分别连接红蓝LED补光灯的控制端；

PLC控制器向PWM控制电路单元提供脉冲，PWM控制电路单元的输出端为红蓝LED补光灯提供电源电压；

PLC控制器通过通信端口与HMI触控屏通信；

自然光光照传感器、补光光照传感器采集的光照信号输入到PLC控制器；

开关电源将220VAC转换为直流电压分别为各个单元供电。

进一步，所述的PWM控制电路单元采用PWM调压电路实现。

进一步，PLC控制器与HMI触控屏之间通过RS232通信接口连接。

进一步，开关电源将220VAC转换为24VDC、12VDC和5VDC，为PLC控制器、

HMI触控屏、自然光光照传感器、补光光照传感器供电、译码器提供供电。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：(1)红蓝比例可调式LED补光：采用译码器实现了LED补光灯红蓝光比例可调，可根据不同需要任意设定补光方案，使用范围广。(2)PWM控制补光亮度：本实用新型补光灯亮度的控制采用PWM电压控制模块，可实现补光亮度的无级调节，并且采用了两个光照传感器，分别是自然光光照传感器、补光光照传感器，而不是只采用一个光照传感器，主要原因在于：自然光光照传感器时刻采集自然光强度、补光光照传感器时刻采集补光的强度，时刻做差值运算，实现精准控制。(3)补光系统控制模式：本实用新型的LED植物补光系统有两种控制模式：自动控制模式和手动控制模式。自动控制模式：根据导入的成熟的补光参数，对植物进行标准补光；手动控制模式：由用户自己设定补光参数，驱动控制系统执行。(4)HMI触控系统：HMI触控系统具有简单易操作的补光控制界面，显示各传感器及执行设备的信息，并存储各传感器信息及系统执行日志信息于SD存储卡中，以便后期的查询与分析使用，可通过触摸屏设置与查询系统工作参数。(5)本实用新型特别适用于设施农业温室大棚作物冬春弱光季节的补光场合，在于采用光照强度传感器采集作物生长过程中的自然光照强度信息，使用可编程逻辑控制器(PLC)对这些信息进行记录和存储，并参照合理的补光模型，在检测到光照强度不足时对作物进行合理的补光，使之达到最佳的生长状态，提高作物整体产量及品质。本装置改善了传统红蓝LED补光装置存在的缺陷：补光灯的红蓝光比例无法调节，补光光谱单一，无法满足作物不同生长时期对补光光谱的不同需求；补光光强无法调节，补光灯补光范围不易掌控，可能造成资源浪费。

附图说明

图1为本实用新型补光系统结构原理图。

图2为本实用新型补光控制电路结构示意图。

图3为本实用新型补光系统工作流程示意图。

图4为本实用新型HMI触控系统控制界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型进一步地描述，但其不代表为本实用新型的唯一实施方式。

补光参数可调式红蓝LED植物补光系统，包括红蓝LED补光灯、译码器、PLC控制器、HMI触控屏、PWM控制电路单元、开关电源单元、自然光光照传感器、补光光照传感器；PLC控制器的IO端口分别连接译码器的输入端口，译码器的输出端分别连接红蓝LED补光灯的控制端；

PLC控制器向PWM控制电路单元提供脉冲，PWM控制电路单元的输出端为红蓝LED补光灯提供电源电压；PLC控制器通过通信端口与HMI触控屏通信；

自然光光照传感器、补光光照传感器采集的光照信号输入到PLC控制器；

开关电源将220VAC转换为直流电压分别为各个单元供电。其中，所述的PWM控制电路单元采用PWM调压电路实现。PLC控制器与HMI触控屏之间通过RS232通信接口连接。，开关电源将220VAC转换为24VDC、12VDC和5VDC，为PLC控制器、HMI触控屏、自然光光照传感器、补光光照传感器供电、译码器提供供电。

请阅图1，LED植物补光系统总体分为四部分：光照信息检测装置、补光控制装置、补光执行装置、补光信息反馈装置。光照信息检测装置通过在各补光测试点处安装光照强度传感器对当前自然光照强度进行检测，传感器选用0-5V电压型光照度传感器，其输出信号为电压信号，将该信号输入到PLC，并经模数转换后将当前光照强度值以数字量的形式显示在HMI控制屏上。补光控制装置主要由下位机PLC控制器和上位机HMI控制器组成，下位机PLC控制器采集光照信息检测装置检测到的光照强度信息，将信息通过RS232接口传送给HMI控制器，并根据上位机选择的控制模式，执行相应的补光命令。上位机HMI控制器实现光照信息的显示与存储，并具有设置补光参数的功能，包括模式选择、LED灯红蓝补光比例设置、补光灯亮度设置、补光开启及关闭时间设置等。补光执行装置包括PWM控制模块、开关电源、红蓝LED灯、继电器等，通过控制PLC，驱动各执行设备执行相应的动作，完成补光灯开启与关闭、红蓝比例调节、补光亮度调节、补光定时设置等功能。补光信息反馈装置也由光照强度传感器组成，反应的是补光灯开启时各测试点的光照强度值。这些信息被存储在HMI的SD存储卡中，便于为日后研究更具有针对性的植物补光策略提供有效的数据支持。

请阅图2，补光控制电路包括红蓝LED补光灯、PWM控制器、开关电源、译码器、光照传感器、下位机PLC控制器、上位机HMI控制器。红蓝LED补光灯由若干红蓝LED灯珠组成，以一定规律安装分布在面板上，分布规律由用户自己制定，面板可制成方形、圆形或其他任意形状，所有的LED灯珠被分为若干组，每组对应译码器的一种输出状态，在电路工作时，通过改变不同的译码器输出状态调节各组灯珠的亮灭情况，并以扫描的方式驱动电路工作，达到调节红蓝灯配比的目的。PWM控制器采用PWM调压电路，其输入电压为220VAC，输出电压范围可调，输出端连接到LED灯两端，通过调节输出电压的大小来实现LED灯亮度的调节。开关电源为220VAC转换为24VDC、12VDC和5VDC，为下位机PLC、上位机HMI控制器和光照传感器供电。下位机PLC控制器与上位机HMI控制器通过RS232通信接口连接，下位机PLC控制器具有多路模数转换接口、开关量/脉冲量接口和输出接口，根据用户指定的信息或光照传感器送来的信号，判别译码器、PWM控制器、开关电源的相应动作，驱动各部分电路正常工作。上位机HMI控制器显示与存储各输入信号的实时数据，HMI控制界面上设置有手动操作和自动操作按钮，除自动模式外，用户可通过手动方式设置补光系统各项参数，再由下位机PLC根据上位机设置的参数执行相应的命令。

请阅图3，在补光系统正常工作前，首先要选择补光灯的工作模式，工作模式分为自动模式和手动模式两种。在自动工作模式下，主要根据自然光照强度的变化对作物进行补光，在自然光照强度低于设定的阈值时，将补光光照强度和自然光照强度进行对比，根据实际情况自动调节补光亮度，保证作物能在相对稳定的光强下生长。系统处于自动工作模式时，首先根据当前种植作物的生长情况设置各补光灯的红蓝配比，并且设置好自然光照强度阈值。当光照传感器检测到当前自然光照强度低于阈值时，系统自动检测补光灯是否已开启，并且将补光灯自动调节到合适的亮度，对作物进行补光；当光照传感器检测到当前自然光照强度高于阈值时，系统发出关灯命令，确保补光灯及时关闭。在手动工作模式下，补光系统根据用户预设的补光参数对作物进行定时补光，用户可预先设定好补光灯红蓝比、补光灯亮度、补光开启和关闭时间等参数，系统会根据这些参数对作物进行补光，手动模式可实现作物的定时、定量精准补光。

请阅图4，HMI触控系统主要实现LED补光系统的参数显示、数据存储和参数设置功能。通过在计算机上编辑组态软件，使用USB接口向HMI控制器下载控制软件，HMI控制器采用触控方式实现参数设置功能。HMI触控系统界面上显示各传感器的实时数据，包括：自然光照强度、补光光照强度。控制模式选择包括：自动模式、手动模式。自动模式下，只需要设置光照强度阈值和所需红蓝比，就可以对作物自动补光；手动模式下可设置控制系统各项参数，包括：补光灯红蓝比、光照强度阈值、定时开启时间、定时关闭时间。触控屏上实时显示当前时间、当前各项参数，用户通过启动和关闭按钮控制系统的运行和停止。HMI控制器同时将采集的光照传感器信息、补光红蓝比信息及补光定时信息存储于控制器SD卡中，以备后期查询和分析使用。

本实用新型主要包括PLC控制器、HMI触控屏、红蓝LED补光灯、光照强度传感器、译码器、PWM控制模块、开关电源、继电器、断路器、角钢材质灯架等。本方案中光照强度传感器信号接入PLC控制器并进行模数转换，再通过RS232通信接口连接到HMI触控屏上，实时显示各传感器的实际测量值，并将传感器信息存储于HMI触控器的SD卡中。根据实时测得的光照强度数值，参照作物补光模型，判断当前植物所需补光强度，驱动补光系统进行相应策略的自动补光，实现设施农业温室大棚作物智能补光功能。

Claims (4)

1.补光参数可调式红蓝LED植物补光系统，其特征在于，包括红蓝LED补光灯、译码器、PLC控制器、HMI触控屏、PWM控制电路单元、开关电源单元、自然光光照传感器、补光光照传感器；

PLC控制器的IO端口分别连接译码器的输入端口，译码器的输出端分别连接红蓝LED补光灯的控制端；

PLC控制器向PWM控制电路单元提供脉冲，PWM控制电路单元的输出端为红蓝LED补光灯提供电源电压；

PLC控制器通过通信端口与HMI触控屏通信；

自然光光照传感器、补光光照传感器采集的光照信号输入到PLC控制器；

开关电源将220VAC转换为直流电压分别为各个单元供电。

2.根据权利要求1所述的补光参数可调式红蓝LED植物补光系统，其特征在于，所述的PWM控制电路单元采用PWM调压电路实现。

3.根据权利要求1所述的补光参数可调式红蓝LED植物补光系统，其特征在于，PLC控制器与HMI触控屏之间通过RS232通信接口连接。

4.根据权利要求1所述的补光参数可调式红蓝LED植物补光系统，其特征在于，开关电源将220VAC转换为24VDC、12VDC和5VDC，为PLC控制器、HMI触控屏、自然光光照传感器、补光光照传感器供电、译码器提供供电。