CN210183983U - 基于植物特征光谱数据的植物光照装置 - Google Patents

基于植物特征光谱数据的植物光照装置 Download PDF

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Yinchun Liu
刘银春
Dongxin Liu
刘东欣
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Abstract

本实用新型提出一种基于植物特征光谱数据的植物光照装置，其特征在于，植物光照装置包括：光源组件和调光系统；所述光源组件由至少一个发光单元构成，所述发光单元至少包括白光LED芯片、至少两个红光LED芯片和至少两个蓝光LED芯片；所述调光系统对光源组件中的每一种类LED芯片独立调节光强度，并通过物联网实现植物特征光谱数据的远程传输和植物光照的调制。本实用新型通过成本低廉、效率高、效果好的LED植物光照方案，能够实现具有最佳效果的双驼峰型辐照光谱，并提出了完善的针对特定植物给出对应的最佳光照参数的方案。本实用新型能够大幅度提高电能的利用率，同时在光照这一植物生长关键要素的控制上，实现了当前技术水平下的最优。

Description

基于植物特征光谱数据的植物光照装置
技术领域
本实用新型属于光电技术和农学领域，尤其涉及一种基于植物特征光谱数据的植物光照装置。
背景技术
植物生长的5大要素光、温、水、气、肥，光的重要性十分突出，因为光合作用是植物利用光能把CO2和水合成为还原态碳水化合物的过程。根据植物对光的需求可以把植物分为阳性植物、中性植物和阴性植物。每一种植物进行光合作用都有其最合适的光谱、光照强度和光照周期，可以把它称为植物的特征光谱。
随着科技的进步，现代农业的发展、土地集约化经营和高效利用，人造光源，特别是LED光源在植物光照中发挥着越来越重要的作用，实验表明LED光源相对传统光源能使植物得到更好的生长。然而，植物光照是将电能转变为光能并对植物实施光照的过程，电能的转化及其利用效率的高低直接决定了实施植物光照的农业产业的经济效益。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何提高电能的利用率，同时能够促进植物生长提高其品质和经济效益。本实用新型具体采用以下技术方案：
本实用新型首先提供了一种基于植物特征光谱数据的植物光照装置，其特征在于，植物光照装置包括：光源组件和调光系统；所述光源组件由至少一个发光单元构成，所述发光单元至少包括白光LED芯片、至少两个红光LED芯片和至少两个蓝光LED芯片；所述调光系统对光源组件中的每一种类LED芯片独立调节光强度。
优选地，所述发光单元的由430nmLED芯片、450nmLED芯片、630nmLED芯片、660nmLED芯片和白光LED芯片封装构成；所述调光系统包括相连接的MCU控制器和多通道LED驱动器。
优选地，所述发光单元还包括一个或多个单色增强LED芯片。
优选地，所述红光LED芯片为纯LED红光芯片；所述蓝光LED芯片为纯LED蓝光芯片。其中，纯LED芯片为直接电流驱动发光，而不是通过蓝光激发荧光粉发光，故称为纯LED光照。
优选地，所述发光单元的5个LED芯片通过5芯支架封装固定。
优选地，所述发光单元的5个LED芯片通过5路单支架分别进行封装固定。
本实用新型通过成本低廉、效率高、效果好的LED植物光照方案，能够实现具有最佳效果的双驼峰型辐照光谱，并提出了完善的针对特定植物给出对应的最佳光照参数的方案。本实用新型能够大幅度提高电能的利用率，同时在光照这一植物生长关键要素的控制上，实现了当前技术水平下的最优。
同时，本实用新型当中由于采用纯LED红光、蓝光芯片制造植物光照光源组件，与通常采用蓝光激发荧光粉而发出红光的方式相比能够节电20%以上，并通过物联网实现植物特征光谱数据的远程传输和植物光照的调制。利用物联网信息化技术实现远程智能化控制，使农业生产实现信息化智能化，从而降低成本，获得更高的经济效益。
当前现有技术当中把仅适用于人眼视觉照明的三色原理应用于植物光照，是理念上的一大错误，用红绿蓝三色不同的光强进行任意组合，人眼感觉到是不同的颜色，但是光辐射的波长成分仍然是红绿蓝三色，只是组成波形发生了变化，所以，用这一方法调出的光应用于植物光照，往往造成植物实际需要的某些波长的光辐射缺失，对植物的生长和有效成分的积累不利。
本实用新型提供的植物光照装置，在提高光能效率方面，充分利用了植物的光合作用存在双光增益效应，不仅能够发出植物所需的且包括了叶绿素a、b的双驼峰型全光谱，保证了植物光合作用的存在双光增益效应，而且能够实现人工照明光源和植物光照光源的协调统一，提供一个良好的工作环境，即启动工作模式时，开启白光作为人工照明，当人离开时启动植物光照模式，设备按植物特征光谱的最佳发光参数工作。克服了当前植物光照仅红绿蓝三色对在其中工作人员的眼睛成伤害的缺陷和视觉的不适等弊端。其克服了用红绿蓝三色调光应用于植物光照的光谱缺陷。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
图1为本实用新型实施例的5芯支架的发光单元及光源组件结构示意图。
图2为本实用新型实施例的5颗单支架发光单元及光源组件结构示意图。
图3为本实用新型实施例的5路驱动控制电路原理示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本实用新型提供两个基于植物特征光谱数据的植物光照装置的实施例。
如图1所示，在植物光照装置的第一个实施例中，在一个基本发光单元内，采用5芯支架将430nm，450nm，630nm，660nm纯LED发光芯片和一颗白光芯片封装成一个发光单元，其中白光LED的光强能够满足光合作用的阈值光强即可，其他4颗LED芯片所发出的光谱与白光的光谱组成植物所需的且括了叶绿素a、b的双驼峰型光谱，其中，430nm，450nm，630nm，660nm纯LED发光芯片正好能够满足叶绿素a、b的双驼峰型光谱的峰值光照需求，能够起到最佳的发光效果。植物光照装置由多个相同的发光单元通过串并联的方式形成光源组件，各个发光单元的光电参数的一致性，保证了本实用新型的光源所辐射的光谱在空间分布的均匀性，能够对所栽培的植物实施高效光照。
如图3所示，在本实施例中调光系统包括相连接的MCU控制器和大功率多通道LED驱动器，以MCU为控制器和由大功率多通道智能LED驱动芯片所组成。其中大功率多通道LED驱动器可以实现同时对5个以上的可独立调光通道，每个调光通道能够设置n个级次进行调光，MCU控制器可用于接收最佳发光参数信息，向大功率多通道智能LED芯片驱动器发出指令，使纯LED植物光照光源组件发出特定植物需要的特征光谱，对栽培植物实施高效光照。其中，最佳发光参数包括每一种类LED芯片的发光强度参数以及光照周期参数。
采用该种设计方案，所形成的光谱数量由每路调光的级数n决定，即可以提供n5种光谱。例如：n=50，那么，就可以提供n5=312500000种光谱，这些光谱都是包括了叶绿素a、b的双驼峰型光谱。
如图2所示，在植物光照装置的第二个实施例中，在一个基本发光单元内，采用5个独立支架以最小距离将430nm，450nm，630nm，660nm纯LED发光芯片和一颗白光芯片设计并制成一个发光单元，其余部分与实施例1相同。
在以上两个实施例当中，红光与蓝光的光功率比约为2:1。也可以根据实际需要进行调整。
需要说明的是，为取得特定的最佳效果，对于不同种类的植物，本实施例还可以根据其需要最佳光照条件的红光、蓝光比例的不同，在以上两个实施例提供装置的基础上额外增加一个或多个单色增强LED芯片，该种单色增强LED芯片可以是430nm，450nm，630nm，660nm纯LED发光芯片当中的任意一种，也可以是其他波长的单色LED芯片。如增加在发光单元内增加一颗红光LED芯片即可容易地显著提高红光的光功率比。相应地，其封装方式也可以做出灵活调整。
进一步地，本实用新型提供以上植物光照装置的具体应用系统的实施例，其将储存有最佳发光参数的植物特征光谱数据库设置在云端，以便任一连接互联网的采用本实用新型提供的植物光照装置进行植物栽培光照的本地侧用户能够共享最佳发光参数，极大提高效率和方便程度：在本地侧，调光系统的调光驱动器连接通信网关；通信网关连接植物特征光谱数据库；植物特征光谱数据库将最佳发光参数发送至通信网关；植物特征光谱数据库中，每一组最佳发光参数与特定种类植物名称相耦合。这样可以使得本地侧直接通过输入特定种类植物名称即可调取其对应的最佳发光参数并直接驱动植物光照装置实现最优化的照明。
最后，本实用新型提供以上最佳发光参数具体获取方法的实施例，包括以下步骤：
步骤S1：获取特定种类植物的饱和点曲线和补偿点曲线；
步骤S2：控制除光照之外的变量，采用植物光照装置在饱和点曲线和补偿点曲线之间随机选取每一种类LED芯片波长对应的发光强度参数，共选取n组发光强度参数，对每一组发光强度参数采用m个不同的光周期参数，进行植物栽培生长试验；
步骤S3：选取植物产量品质最优的一组发光强度参数和光周期参数作为特定种类植物对应的最佳发光参数。
具体地，在保证环境温度、水分、气体（二氧化碳浓度）、肥（如基质或营养液）等不变的条件下，采用前述提供的植物光照装置在特定植物的饱和点曲线和补偿点曲线之间选择30组不同的光谱进行栽培实验，每一组光谱的发光组合参数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure DEST_PATH_IMAGE006
,
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010
,其中i=1~30。选择相同的光谱进行30组不同光周期的实验，获取对应光周期
Figure DEST_PATH_IMAGE012
, 其中i=1~30。对各组的植物品质做理化实验，从而筛选出植物产量品质最优所对应的光谱，即植物特征光谱，其对应的最佳发光参数即为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
,
Figure DEST_PATH_IMAGE014
,
Figure DEST_PATH_IMAGE015
,
Figure 400234DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 127494DEST_PATH_IMAGE012
。
步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：采用多种单色光发生器，选择某一波长对应的单色光对特定种类植物采用光合作用测试仪获取光合作用速度；
步骤S12：将该单色光输出的光合光子通量密度从最小值往上增加，直至光合作用速度不再随光合光子通量密度增大而变化为止，以此确定光饱和点；
步骤S13：将该单色光输出的光合光子通量密度降低，直至光合作用速度为零，以此确定光补偿点；
步骤S14：选取多种单色光发生器所能够产生的全部单色光，重复步骤S11-步骤S13，并将每个波长测试获得的光饱和点及光补偿点分别连线，即获得饱和点曲线和补偿点曲线。
具体是，把连续输出多种单色光发生器和光合作用测试仪搭建好，正常生长的被测植物完整地放置于测试位置，选择其符合测试要求的叶片置于光合作用测试仪的叶室中，开启电源，待所有仪器进入良好的状态，选择某一单色光，让该单色光均匀地照射到叶室中的植物叶片上，开始测量，读取该时刻的光合作用速率，增加光合光子通量密度，读取对应的光合作用速率，直至继续加大光合光子通量密度以后光合作用速率不再增加为止，获得该波长对应的光合作用速率的最大值（即饱和点），若向相反的方向，即减小光合光子通量密度，可以找到该波长对应的光合作用速率为0的点（补偿点）。
更换波长重复上述步骤，就可获得另一种波长对应的饱和点和补偿点，用上述的设备和方法就可以获得被测植物一系列（24~40种）单色光对应的饱和点和补偿点，把所有的饱和点或补偿点连起来，就构成了该植物的饱和点曲线和补偿点曲线，它是光合光子通量密度与波长的关系曲线，是进行植物光照的基本遵循，即最适合该植物光照的光谱波形与饱和点曲线相近，可以在饱和点曲线与补偿点曲线之间寻找。
其中，以上所指的多种单色光发生器采用的是中国实用新型专利申请201811234720.9提供的相应装置，其能够输出24~40种半波宽度在10nm左右的单色光，且各单色光的光强能够连续可调，其光合光子通量密度的最大值要在400~1000umol·m-2s-1之间，以满足各种植物特征光谱测试的需要。
将植物特征光谱对应的最佳发光参数，即
Figure DEST_PATH_IMAGE017
,
Figure 330068DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 863293DEST_PATH_IMAGE006
,
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
与特定种类植物名称耦合上传并存储于云端的数据库当中，按照测试方法和实验条件的规范，对各种植物进行测试和栽培实验，就可以高效地丰富和完善植物特征光谱数据库。同时，将植物光照的装置标准化，这样，使用标准化的植物光照装置的用户以及存储了丰富特定植物植物特征光谱信息的数据库就能够方便地通过物联网对接，使采用本实用新型提供的植物光照装置进行植物栽培的用户降低生产成本，提高产品质量和经济效益。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于植物特征光谱数据的植物光照装置，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于植物特征光谱数据的植物光照装置，其特征在于，植物光照装置包括：光源组件和调光系统；所述光源组件由至少一个发光单元构成，所述发光单元至少包括白光LED芯片、至少两个红光LED芯片和至少两个蓝光LED芯片；所述调光系统对光源组件中的每一种类LED芯片独立调节光强度；所述发光单元的由430nmLED芯片、450nmLED芯片、630nmLED芯片、660nmLED芯片和白光LED芯片构成；所述调光系统包括相连接的MCU控制器和多通道LED驱动器。
2.根据权利要求1所述的基于植物特征光谱数据的植物光照装置，其特征在于：所述发光单元还包括一个或多个单色增强LED芯片。
3.根据权利要求1所述的基于植物特征光谱数据的植物光照装置，其特征在于：所述红光LED芯片为纯LED红光芯片；所述蓝光LED芯片为纯LED蓝光芯片。
4.根据权利要求1所述的基于植物特征光谱数据的植物光照装置，其特征在于：所述发光单元的5个LED芯片通过5芯支架封装固定。
5.根据权利要求1所述的基于植物特征光谱数据的植物光照装置，其特征在于：所述发光单元的5个LED芯片通过5路单支架分别进行封装固定。
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