KR102661419B1 - Led 광을 사용한 식물의 재배 방법 및 동일한 것을 이용하는 led 광 시스템 - Google Patents

Led 광을 사용한 식물의 재배 방법 및 동일한 것을 이용하는 led 광 시스템 Download PDF

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Abstract

식물의 성장을 촉진하기 위한 발광 다이오드 (LED) 시스템은 식물에 의해 흡수 가능한 유색 광 스펙트럼을 방출하기 위한 하나 이상의 LED를 구비한 적어도 하나의 LED 어레이, 식물로부터 반사된 광을 검출하기 위한 광 검출기, 및 적어도 하나의 LED 어레이와 광 검출기에 전기적으로 연결된 LED 광 구동기를 포함한다. LED 광 구동기는 전원으로부터 전력을 수신하고 수신된 전력을 사용하여 적어도 하나의 LED 어레이를 구동하고; 반사된 광 스펙트럼을 나타내는 신호를 광 검출기로부터 수신하고, 수신된 신호에 기초하여 적어도 하나의 LED 어레이로부터 방출된 광의 강도 및 스펙트럼 중 적어도 하나를 조정하도록 적어도 하나의 LED 어레이를 제어한다.

Description

LED 광을 사용한 식물의 재배 방법 및 동일한 것을 이용하는 LED 광 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 5월 2일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/500,096호 및 2017년 11월 15일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/586,315호의 이익을 주장하며, 이들 각각의 내용은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
개시 분야
본 개시는 발광 다이오드 (LED) 광을 사용하여 식물을 재배하는 방법 및 시스템, 특히 식물 성장을 촉진 및 향상시키기 위해 LED 광을 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
발광 다이오드 (LED)는 공지되었으며 많은 산업에서 주로 저전력 광 표시기로 널리 사용되고 있다. 최근에, 증가된 전력 출력 또는 증가된 광도를 갖는 LED가 개발되어 조명에 사용되어 왔다. 예를 들어, LED 광은 백열등, 소형 형광 램프 (CFL) 등과 같은 시장에서 개선된 에너지 효율, 안전성 및 신뢰성으로 다른 유형의 광을 대체하고 있다. 일상 조명이 전력망의 부담에 크게 기여하고 발전에 대한 전반적인 요구 사항을 크게 증가시킴으로써 LED의 에너지 효율은 향후 에너지 절약에 중요한 역할을 할 것이다. 우수한 에너지 효율로 인해 LED가 조명 시장을 지배할 가능성이 높다.
증가된 전력 출력 및/또는 증가된 광도를 갖는 LED가 또한 식물 등을 재배하기 위한 광원으로서 사용되고 있다. 때때로 LED 식물 육성 광으로 불리는 이러한 LED는 정확한 파장의 광, 고강도, 고효율 등의 생성과 같은 다양한 이점을 제공한다. LED 식물 육성 광은 또한 식물 재배 과정이 리스크와 다른 원치 않는 실외 변수가 훨씬 적은 통제된 환경에서 수행될 수 있기 때문에 실내 식물 재배에 유리하다.
식물 성장은 "광합성" 과정의 결과로 발생한다. 당 업계에 알려진 바와 같이, 광합성 과정은 빛으로부터의 에너지를 사용하여 이산화탄소 (CO2)를 유기 물질로 전환시킨다. 구체적으로, 빛 에너지는 엽록체라 불리는 광합성 세포막에 존재하는 엽록소 색소를 함유하는 특수 단백질을 통해 흡수된다. 광합성 세포는 주로 식물 잎에 있다.
그러나, 엽록소는 광 스펙트럼의 특정 부분이나 색으로부터만 에너지를 흡수한다. 유효 스펙트럼은 청색과 적색 스펙트럼에 걸쳐 있다. 광 스펙트럼의 녹색 부분은 반사되므로 식물 잎은 보통 녹색이다. 잎의 광합성 세포가 죽고 엽록소가 분해되면, 잎의 다른 색소 분자가 빛의 반사를 지배하게 되고 잎이 갈색만을 나타내는 지점까지 분해된다.
따라서, 엽록체 내 상이한 색소가 광의 특정 파장을 흡수하여 광합성에 기여하고, 광합성 효율 또는 속도는 조명 스펙트럼과 강한 상관관계를 갖는 것으로 알려져 있다 (참고문헌 1 및 2 참조).
예를 들어, 청색 및 적색 조명하에서 재배된 벼 식물은 적색 조명하에서만 재배된 것보다 광합성 효율이 더 높다 (참고문헌 3 참조). 적색 LED 광하에서 재배된 완두콩 잎은 청색 또는 백색 LED 광하에서 재배된 것보다 더 높은 수준의 β-카로틴을 함유한다 (참고문헌 4 참조).
스트레스 효과를 줄이려는, 광합성 유기체의 높은 광 강도에 대한 반응 때문에, 광합성에서의 또 다른 영향 요인은 광 강도이다 (참고문헌 2 및 5 참조). 적색 LED 광하에, 밀 모종은 100 μmol m-2 s-1에서 엽록소를 축적하지만 500 μmol m-2 s-1에서는 엽록소를 축적하지 않는다 (참고문헌 6 참조).
식물은 일반적으로 초기 성장 동안 청색광 스펙트럼을 흡수한 다음, 성숙해지고 개화 단계 동안에는 적색광 스펙트럼을 점차 흡수하는 것으로 발견되었다. 광원과 식물 사이의 거리와 같은 조명의 배열이 또한 식물에 의해 흡수될 수 있는 광 에너지 및 그의 관련 광합성 효율에 영향을 미친다. 보통, 가용 에너지는 광과 식물 사이의 거리 제곱에 비례한 비율로 감소한다. 또한, 식물은 조명 기간과 시간의 지속 시간을 감지하고 그에 따라 성장률을 변경할 수 있다.
일정한 조명을 사용한 식물 재배는 에너지 효율적이지도 않고 광합성에 최적이지도 않다. 종래 기술의 LED 식물 육성 광은 일반적으로 상기 언급된 인자를 고려하지 않고 식물에 빛을 제공하기 때문에, 성장하는 식물의 생리적 과정을 최적화시키기에 적절한 시간에 적절한 강도로 적절한 색 스펙트럼을 제공하지 못한다. 더욱이, 상이한 식물은 최상의 성장 성능을 달성하기 위해 상이한 광 특성 (예를 들어, 강도, 스펙트럼, 시간 등)을 필요로 한다. 그러나, 종래의 LED 식물 육성 광은 식물 요구에 조정되지 못하고 적절한 광 특성을 제공하지 못한다.
도 1은 전형적인 종래 기술의 LED 식물 육성 광 시스템 (10)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, LED 식물 육성 광 시스템 (10)은 성장을 촉진하기 위해 식물 (16)을 향해 광 (14)을 방출하는 복수의 LED 광원 (12)을 포함한다. LED 광원 (12)은 일반적으로 예를 들어 실내 천장에 장착되는 것과 같이 고정된 위치에 배치된다.
도 2는 종래 기술의 LED 식물 육성 광 시스템 (10)의 구성 요소를 나타내는 블록도이다. 도시된 바와 같이, LED 식물 육성 광 시스템 (10)은 AC 그리드와 같은 AC 전원 (24)으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, DC 전력을 사용하여 LED 어레이 (12)를 구동하기 위한 교류 (AC)에서 직류 (DC)로의 컨버터 (AC/DC 컨버터) (22)를 포함한다.
종래의 LED 식물 육성 광 시스템과 관련하여 다양한 도전과제와 어려움이 있다. 예를 들어, 식물은 성장 과정 전반에 걸쳐 특정 기간 동안 특정 유형의 광 스펙트럼을 필요로 한다. 그러나, 종래의 LED 식물 육성 광 시스템은 식물 성장에 가장 적합한 조명 구성을 제공하지 못한다.
다른 예로서, 종래의 LED 식물 육성 광 시스템의 전력 구조는 효과적인 열 성능 및 안전한 작동을 달성하기 위해 일반적으로 큰 열 싱크를 필요로 하기 때문에 고효율적 작동에 최적이지 않다.
또 다른 예로서, 종래의 LED 식물 육성 광 시스템에 사용되는 LED 어레이는 종종 최적의 식물 성장 성능에 필요한 적절한 광 강도의 광 스펙트럼을 제공할 수 없다. 따라서, LED 식물 육성 광 시스템은 일반적으로 열 형태로 상당한 에너지를 낭비하기 때문에 에너지 비효율적이다.
또 다른 예로서, 종래의 LED 식물 육성 광 시스템에서, LED 광원은 보통 고정 위치에 장착된다. 따라서, 종래의 LED 식물 육성 광 시스템은 일반적으로 상이한 성장 단계에서 LED 광원과 식물 사이의 거리를 최적화하는 능력이 없다.
전술한 과제로 인해, 종래의 LED 식물 육성 광 시스템은 식물 성장을 촉진하기 위한 최적의 해결책을 제공할 수 없다. 식물 성장은 비교적 긴 과정이기 때문에, 최적화되지 않은 식물 육성 광 시스템은 시스템의 운영 비용과 전체적인 비효율성을 크게 증가시킨다.
광합성을 최적화하기 위한 시스템도 알려져 있다. 그러나 이러한 시스템은 광합성 최적화에서 모든 조명 파라미터를 고려하지 않는다; 참고문헌 2, 5, 10 - 12 참조. 광합성 최적화 시스템 중 일부는 조명의 파장에만 초점을 맞추고 (참고문헌 11 참조), 다른 일부는 조명의 진폭에만 초점을 둔다 (참고문헌 12 참조). 조명의 복수의 측면을 고려한 일부 종래 기술이 있다 (참고문헌 2, 5 및 10 참조).
광합성 효율은 모든 조명 파라미터에 크게 좌우된다. 더욱이, 광합성 효율에 대한 조명 파라미터의 효과는 서로 관련되어 있다 (즉, 서로 독립적이지 않다). 그러나, 종래의 광합성 최적화 시스템 중 어느 것도 조명의 모든 측면을 고려하지는 않았다.
요약
일 측면에 따라, 식물의 성장을 촉진하고 최적화하기 위해 발광 다이오드 (LED) 및/또는 양자점(quantum-dot) LED (QLED) 광원을 사용한 광 시스템이 개시된다. 광 시스템은 적어도: (i) 식물에 의해 흡수될 수 있는 상이한 유형 및 범위 강도의 광 스펙트럼을 방출하기 위한 하나 이상의 LED를 갖춘 하나의 LED 어레이, (ii) 식물로부터 반사된 광을 검출하기 위한 광 검출기, 및 (iii) 적어도 하나의 LED 어레이에 전기적으로 연결된 LED 광 구동기를 포함한다. 광 검출기는: (i) 전원으로부터 전력을 수신하고, 수신된 전력을 사용하여 적어도 하나의 LED 어레이를 구동하고, (ii) 광 검출기로부터 반사된 광을 나타내는 신호를 수신하고, (iii) 상기 수신된 신호에 기초하여, 상기 적어도 하나의 LED 어레이로부터 방출된 광 스펙트럼 및 강도 중 적어도 하나를 조정하도록 적어도 하나의 LED 어레이를 제어한다.
일부 실시양태에서, 광 시스템은 각각의 적어도 하나의 LED 어레이와 식물 사이의 거리 및/또는 각도를 조정하기 위한 적어도 하나의 모터를 더 포함한다. LED 광 구동기는 수신 신호에 기초하여, 각각의 적어도 하나의 LED 어레이와 식물 사이의 거리 및/또는 각도를 조절하도록 적어도 하나의 모터에 연결된다.
다른 측면에 따라, 광합성을 최적화하기 위해 인공 지능을 이용하는 장치, 방법 및 시스템이 개시된다.
다른 측면에 따라, 에너지 및 광합성 효율적인 식물 재배를 가능하게 할 수 있는 맞춤형 "조명 비법"의 획득 방법을 학습할 수 있는 지능형 시스템이 개시된다. 이러한 맞춤형 "조명 비법"은 특정 식물 유형의 재배를 위한 조명의 파장, 레벨, 기하구조 및 지속 기간의 맞춤화를 포함할 수 있다.
엽록소 형광 측정은 광합성 효율을 신뢰적으로 추정하기 위해 확립된 기술이다 (참고문헌 7 - 9 참조). 공지된 바와 같이, 엽록소에 의해 흡수된 광 에너지는 식물에 의해 광합성을 위해 사용되며, 그 일부는 열로 바뀌고 여기 파장의 것과 다른 파장에서 형광을 다시 방출한다. 에너지 보존이 이러한 과정의 수율로 연계된다. 따라서, 엽록소 형광은 광합성 효율을 간접적으로 추정하고 광합성 효율을 최적화하기 위한 피드백 신호를 생성하기 위해 측정될 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 개시된 장치, 시스템 및 방법은 상이한 식물의 재배 시에 효율적인 광합성을 위해 조명 프로파일을 최적화하도록 인공 지능을 채용한다. 엽록소 형광 측정은 최적화 대상인 광합성 효율을 추정하는데 사용된다.
광합성 효율 또는 속도는 조명 조건에 크게 의존하는 것으로 잘 알려져 있다. 일반적으로 스펙트럼, 레벨, 기하구조 및 지속 시간을 포함하여 조명과 관련된 네 가지 파라미터 또는 변수가 있다. 구성 광합성 시스템은 식물마다 다르므로, 식물의 광합성 효율적인 재배를 위한 조명 조건은 이에 적합해야 한다.
따라서, 일부 실시양태에서, 본원에 개시된 장치, 시스템 및 방법은 가장 효율적인 광합성율로 이어질 수 있는 "조명 비법"을 결정하기 위한 학습 프로세스를 포함한다.
일부 실시양태에서, 본원에 개시된 장치, 시스템 및 방법은 광합성 효율의 최적화를 위해 광합성 측정에 기초하여 조명 조건을 변화시키기 위한 최적화 알고리즘(algorithm)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 엽록소 형광 측정이 광합성 효율을 신뢰적으로 추정하고 최적화 알고리즘에 대한 입력을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 시뮬레이션된 어닐링 또는 유전적 알고리즘과 같은 개량된 최적화 방법이 조명 스펙트럼, 레벨, 기하 구조, 지속 시간 등과 같은 파라미터의 함수로서 광합성 효율의 최대치를 찾기 위해 사용된다. LED 또는 QLED와 같은 효율적인 광원 어레이가 이동 가능한 스테이지에 장착된다. 광원은 자외선에서 적외선까지 걸친 스펙트럼 범위에서 광파를 방출하며 특정 "조명 비법"으로 광합성을 유도하기 위해 최적화 결과에 따라 제어된다.
본 개시의 일 측면에 따라, 식물의 성장을 촉진하기 위한 조명 시스템이 제공된다. 시스템은 식물에 의해 흡수 가능한 제1 광을 방출하기 위한 조명원(illumination source)을 포함하며, 상기 제1 광은 스펙트럼 및 조정 가능한 조명 파라미터 세트; 식물로부터 제2 광을 검출하기 위한 적어도 하나의 광 검출기; 및 조명원 및 적어도 하나의 광 검출기에 연결된 제어 구조를 가진다. 제어 구조는 검출된 제2 광을 나타내는 신호를 적어도 하나의 광 검출기로부터 수신하고; 수신된 신호에 기초하여 식물의 성장 상태를 결정하고; 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하고; 식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어할 수 있게 구성된다.
일부 실시양태에서, 조정 가능한 조명 파라미터 세트는 제1 광의 스펙트럼 및 그 스펙트럼을 통한 제1 광의 강도 분포 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시양태에서, 스펙트럼은 자외선 (UV) 파장에서부터 가시광선 파장 범위를 거쳐 적외선 (IR) 파장에 이르는 스펙트럼이다.
일부 실시양태에서, 스펙트럼은 적색광 파장 범위, 녹색광 파장 범위 및 청색광 파장 범위로부터의 스펙트럼의 조합을 포함한다.
일부 실시양태에서, 조정 가능한 조명 파라미터 세트는 조명원과 식물 사이의 거리 및 각도 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일부 실시양태에서, 조명 시스템은 조명원과 연동되는 적어도 하나의 모터를 더 포함하며; 여기서 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 상기 단계는 조명원과 식물 사이의 거리 값 및 각도 값 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하고; 상기 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하기 위해 상기 조명원을 제어하는 단계는 상기 거리 값 및 각도 값 중 적어도 하나를 이용하여 상기 거리 및 각도 중 적어도 하나를 조정하도록 상기 적어도 하나의 모터를 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제2 광은 식물로부터 반사된 광이다.
일부 실시양태에서, 제2 광은 식물로부터 방출된 엽록소 형광이고; 여기서 성장 상태는 제1 광하에서의 식물의 광합성 효율이다.
일부 실시양태에서, 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계는 시뮬레이션된 어닐링 방법(simulated annealing method) 또는 유전적 알고리즘을 사용하여 광합성 효율을 최대화하기 위한 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 수신된 신호에 기초하여 식물의 성장 상태를 결정하는 상기 단계는 상기 수신된 신호에 기초하여 엽록소 형광 측정을 결정하는 단계를 포함하고; 상기 시뮬레이션된 어닐링 방법 또는 유전적 알고리즘을 사용하여 광합성 효율을 최대화하기 위한 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 상기 단계는:
(1) 식물의 광합성 효율을 결정하는 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트에 각각 상응하는 복수의 조명 상태를 정의하는 단계;
(2) (i) 이전 상태 변수 Sp를 초기 조명 상태 S0으로 설정하고, (ii) 상응하는 이전 상태 광합성 효율 Ep를 0으로 설정하고, (iii) 전역 시변 파라미터(global time-varying parameter) T를 초기값으로 설정하고, (iv) 현재 상태 변수 Sc를 광합성이 확립되도록 일정 기간 동안 지속된 복수의 조명 상태 중 랜덤 상태 Sr로 설정하는 단계;
(3) 결정된 엽록소 형광 측정을 사용하여 현재 상태 Sc에서 식물의 현재 상태 광합성 효율 Ec를 계산하는 단계;
(4) 현재 상태 광합성 효율 Ec를 이전 상태 광합성 효율 Ep와 비교하는 단계;
현재 상태 광합성 효율 Ec가 이전 상태 광합성 효율 Ep보다 작거나 같은 경우, (5) 이전 상태 Sp를 현재 상태의 조명 Sc로 설정하고 현재 상태 Sc를 랜덤 변화 ΔS에 의해 Sc로부터 인접 상태로 업데이트하고(updating) 단계 (3)으로 되돌아가는(looping) 단계;
현재 상태 광합성 효율 Ec가 이전 상태 광합성 효율 Ep보다 큰 경우, (6) 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)를 계산하고 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 작은지 확인하는 단계;
수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 크거나 같은 경우, (7) 파라미터 T를 감소시키고 단계 (5)로 되돌아가는 단계; 및
수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 작은 경우, (8) 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 상태 Sc에 상응하는 조명 파라미터 세트로서 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 조명원은 제1 광을 방출하기 위한 복수의 LED 세트를 포함한다.
일부 실시양태에서, 복수의 LED 세트는 하나 이상의 양자점 LED를 포함한다.
일부 실시양태에서, 식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어하는 상기 단계는 식물에 대한 각 LED 세트의 거리 및 각도 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 각 LED 세트는 하나 이상의 LED 서브세트(subset) (여기서 각 LED 서브세트는 유색 광을 방출하도록 구성되며, 상기 유색 광은 제1 광의 스펙트럼의 서브세트를 갖는 제1 광의 일부이다); 및 각각 하나의 LED 서브세트의 온/오프를 제어하는 하나 이상의 개폐 소자를 포함한다.
일부 실시양태에서, 각 개폐 소자는 제1 광의 일부로서 펄스 광(pulsed light)을 방출하기 위해 대응하는 LED의 서브세트를 제어하도록 구성된다.
일부 실시양태에서, 제1 광은 펄스 폭 변조 광(pulse-width modulated light)이다.
일부 실시양태에서, 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 상기 단계는 결정된 성장 상태에 기초하여 각 개폐 소자의 온/오프 설정을 결정하는 단계를 포함하고; 식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 상기 조명원을 제어하는 상기 단계는 제1 광의 스펙트럼 및 그 스펙트럼에 대한 제1 광의 강도 중 적어도 하나를 조정하도록 상기 결정된 온/오프 설정들에 기초하여 상기 개폐 소자들을 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 조명 시스템은 적어도 하나의 조명 및 감지 장치를 더 포함한다. 각각의 조명 및 감지 장치는 하우징; 하우징에 수용된 적어도 하나의 광 검출기 중 하나; 및 하우징과 광 센서 사이의 고리에 분포된 LED 그룹을 포함한다.
일부 실시양태에서, 적어도 하나의 광 검출기는 적어도 렌즈, 광 필터 및 광 감지 요소를 포함한다.
본 개시의 일 측면에 따라, 식물의 성장을 촉진하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 조명원으로부터 식물을 향해 제1 광을 방출하는 단계 (상기 제1 광은 식물에 의해 흡수 가능한 스펙트럼 및 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 가진다); 식물로부터 제2 광을 검출하는 단계; 검출된 제2 광에 기초하여 식물의 성장 상태를 결정하는 단계; 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계; 및 식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어하는 단계를 포함한다.
이제 본 개시의 실시양태들이 다음 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 상이한 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 종래 기술의 LED 식물 육성 광 시스템의 개략도이다;
도 2는 도 1에 도시된 종래 기술의 LED 식물 육성 광 시스템의 구성 요소를 나타내는 블록도이다;
도 3은 본 개시의 일부 실시양태에 따른, LED 식물 육성 광 시스템의 개략도이다;
도 4는 3개의 광합성 색소의 흡수 스펙트럼을 나타낸다;
도 5는 도 3에 도시된 LED 식물 육성 광 시스템의 세부 사항을 나타내는 개략도이다;
도 6은 도 3에 도시된 LED 식물 육성 광 시스템의 제어 서브 시스템의 세부 사항을 나타내는 개략도이다;
도 7은 도 3에 도시된 LED 식물 육성 광 시스템의 개략도로서, LED 식물 육성 광 시스템의 LED 어레이와 식물 사이의 거리 및/또는 각도를 조정하기 위한 메커니즘을 도시한다;
도 8은 도 3에 도시된 LED 식물 육성 광 시스템의 광 검출기가 어떻게 식물로부터 반사된 광을 수신하는지를 나타낸다;
도 9는 식물의 전형적인 잎의 단면과, 도 3에 도시된 LED 식물 육성 광 시스템이 반사된 광에 기초하여 어떻게 식물 상태를 식별하는지를 나타낸다;
도 10은 본 개시의 일부 실시양태에 따른 조명 최적화된 LED 식물 육성 광 시스템의 개략도이다;
도 11은 도 10에 도시된 LED 식물 육성 광 시스템의 조명 및 감지 장치의 개략적인 사시도이다;
도 12는 도 11에 도시된 조명 및 감지 장치의 개략적인 정면도이다;
도 13은 도 11에 도시된 광학 장치의 구조를 도시한 개략도이다;
도 14는 도 10에 도시된 LED 식물 육성 광 시스템의 조명 최적화 프로세스의 흐름도이다.
상세한 설명
본원에서, 조명 시스템의 실시양태들이 개시된다. 일부 실시양태에서, 광 시스템은 발광 다이오드 (LED) 및/또는 양자점 LED (QLED) 광원을 사용하는 시스템이다. 일부 실시양태에서, 광 시스템은 식물의 성장을 촉진하기 위해 LED/QLED 원으로부터 변조된 광 스펙트럼을 방출하는 LED 및/또는 QLED 식물 육성 광 시스템이다.
일부 실시양태에서, 본원에 개시된 광 시스템은 LED 구동기에 의해 전력이 공급되고 제어되는 하나 이상의 LED 및/또는 QLED를 포함한다. 광 시스템은 또한 식물의 성장을 측정하고 정량화하기 위한 실시간 모니터링 서브 시스템을 포함한다. 실시간 모니터링 서브 시스템에서 획득한 실시간 식물 성장 측정 및 정량화를 기반으로, LED 구동기는 식물 성장을 촉진하기 위해 광 스펙트럼과 강도를 정확하게 제어한다. 따라서, 본원에 개시된 광 시스템은 실시간 식물 성장 측정에 기초하여 광 출력을 최적화할 수 있는 폐-루프 피드백 시스템이다. 더욱이, 일부 실시양태에서, LED 광원들과 식물들 사이의 거리는 실시간 모니터링 서브 시스템으로부터 획득된 실시간 식물 성장 측정 및 정량에 기초하여 자동으로 조정될 수 있다.
따라서, 일부 실시양태에서, 본원에 개시된 광 시스템은 LED 광을 사용하여 식물 성장을 촉진하기에 최적에 가까운 해결책을 제공한다.
이제 도 3을 참조하면, 본 개시의 일부 실시양태에서 LED 식물 육성 광 시스템이 도시되고 일반적으로 참조 번호 (100)을 사용하여 식별된다. LED 식물 육성 광 시스템 (100)은 전원 (102), 지능형 LED 식물 육성 광 구동기 (104), 하나 이상의 광 검출기 형태의 실시간 모니터링 서브 시스템 (106), 및 식물 (116)을 향해 적색, 녹색 및 청색 광 스펙트럼 (114R, 114G, 114B)을 각각 방출하기 위한 3개의 LED 어레이 (108R, 108G 및 108B)를 포함한다. 적색, 녹색 및 청색 광은 각각 식물 (116)을 향해 방출된 광의 일부를 형성하며, 그 스펙트럼의 서브세트를 갖는다. 이하, 광 스펙트럼과 관련된 참조 번호는 적색, 녹색 또는 청색 스펙트럼을 지칭하기 위해 접미사 "R", "G" 또는 "B"와 함께 사용될 수 있거나, 또는 언급된 구성 요소들을 총괄적으로 지칭하기 위해 접미사없이 사용될 수 있다. 예를 들어, LED 어레이는 참조 번호 (108R), (108G) 및 (108B)를 사용하여 개별적으로 언급될 수 있고, 설명상 편의를 위해 참조 번호 (108)를 사용하여 총괄적으로 언급될 수 있다.
이들 실시양태에서, 전원 (102)은 AC 그리드와 같은 교류 (AC) 전원이다. LED 식물 육성 광 구동기 (104)는 전원 (102)으로부터 AC 전력을 수신하고, 수신된 AC 전력을 각각의 전력 버스 (122)를 통해 LED 어레이 (108R, 108G 및 108B)를 개별적으로 구동하기 위해 DC 전력으로 변환한다. 또한 LED 식물 육성 광 구동기 (104)는 일련의 신호 라인 (124)을 통해 LED 어레이 (108R, 108G 및 108B)의 광 특성을 제어한다.
각 LED 어레이 (108)는 각각 직렬로 연결된 하나 이상의 컬러 LED (110) 및 반도체 스위치와 같은 스위치 (112)를 포함하는 하나 이상의 열을 포함한다. 각 LED 어레이 (108)의 LED (110)는 특정 스펙트럼의 광을 방출한다.
당 업계에 공지된 바와 같이, 엽록소 a, 엽록소 b 및 β-카로틴과 같은 상이한 스펙트럼의 광을 흡수하는 복수의 주요 색소가 광합성에 존재한다. 도 4는 3개의 광합성 색소의 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 엽록소 a 및 엽록소 b는 주로 청색 및 적색 스펙트럼을 흡수하고, β-카로틴은 주로 청색 및 녹색 스펙트럼을 흡수한다.
다시 도 3을 참조하면, 각 LED 어레이 (108)는 광합성 색소의 하나 이상의 광 흡수 피크에 대한 스펙트럼을 갖는 유색 광을 방출한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, LED 어레이 (108R)의 LED (110R)는 약 400 나노미터 (nm) 내지 약 470 nm 범위 내의 스펙트럼을 갖는 적색 광을 방출하고, LED 어레이 (108G)의 LED (110G)는 약 470 nm 내지 약 520 nm 범위 내의 스펙트럼을 갖는 녹색 광을 방출하며, LED 어레이 (108B)의 LED (110B)는 약 620 nm 내지 약 680 nm 범위 내의 스펙트럼을 갖는 청색광을 방출한다. 일부 실시양태에서, 식물에 필요한 주요 광 스펙트럼은 일반적으로 적색 및 청색 스펙트럼 주위에 있기 때문에, 녹색 광 LED 어레이 (108G)는 각각의 적색광 및 청색광 LED 어레이 (108R 및 108B)보다 적은 LED (110G)를 포함한다.
LED 식물 육성 광 구동기 (104)는 별도의 전력 버스 (122)를 통해 각각의 LED 어레이 (108)에 전력을 공급한다. 각각의 LED 어레이 (108)에서, 그의 각 열의 스위치 (112)는 광 강도 조정을 위해 턴온 또는 턴오프되도록 LED 식물 육성 광 구동기 (104)에 의해 제어될 수 있다. 광 검출기 (106)는 식물 (116)로부터 반사된 광 (114F)을 모니터링한다. 당 업계에 알려진 바와 같이, 반사된 광 (114F)의 스펙트럼은 식물 (116)의 성장 및 건강 상태와 관련된 정보를 제공한다. 따라서, 반사된 광 (114F)을 모니터링함으로써, 광 검출기 (106)는 식물 (116)의 성장을 측정하고 이에 따라 LED 어레이 (108)를 제어하기 위해 피드백 신호를 LED 식물 육성 광 구동기 (104)에 제공할 수 있다.
도 5는 LED 식물 육성 광 시스템 (100)의 기능 구조를 나타내는 개략도이다. 도시된 바와 같이, LED 식물 육성 광 구동기 (104)는 전력 회로 (132), 제어 구조 또는 제어 서브 시스템 (134) 및 광 검출기 (106)를 포함한다.
LED 식물 육성 광 구동기 (104)의 전력 회로 (132)는 LED 어레이 (108)에 전력을 공급한다. 특히, 전력 회로 (132)는 AC 그리드 (102)로부터 전력을 수신하고, 수신된 AC 전력을 LED 어레이 (108)의 LED (110)를 구동하기에 적합한 하나 이상의 DC 전압에서 DC 전압으로 변환시킨다.
LED 식물 육성 광 구동기 (104)의 제어 서브 시스템 (134)은 다수의 작업을 수행한다. 구체적으로, 제어 서브 시스템 (134)은 적절한 전력 변환이 수행되고 LED (110)에 적절한 전압/전류가 공급되도록 전력 회로 (132)를 제어한다.
제어 서브 시스템 (134)은 또한 식물 성장을 촉진하기 위해 LED 어레이 (108)의 구조에 기초하여 광 스펙트럼 및 강도를 동적으로 조정한다. 구체적으로, 제어 서브 시스템 (134)은 반사된 광 스펙트럼의 정보를 나타내는 신호를 광 검출기 (106)로부터 수신하고, 수신된 정보 및 LED 어레이 (108)의 구조에 기초하여 광 스펙트럼 및 그 강도를 동적으로 조정하기 위해 LED 어레이 (108)의 각 열에서 반도체 스위치 (112)의 온/오프를 제어한다.
이들 실시양태에서, LED 식물 육성 광 시스템 (100)은 또한 광 검출기 (106)로부터 수신된 정보 및 LED 어레이 (108)의 구조에 기초하여 각 LED 어레이 (108)와 식물 (116) 사이의 거리 및/또는 각도 (이하, "LED-식물 거리/각도"로 표시됨)를 동적으로 조정하기 위해 제어 서브 시스템 (134)의 명령하에 모터 구동기 (138)에 의해 제어되는 하나 이상의 모터 (136)를 포함한다.
도 6은 제어 서브 시스템 (134)의 상세도이다. 도시된 바와 같이, 제어 서브 시스템 (134)은 식물 식별 서브 시스템 (142), 기준 생성기 (144), 전력 컨버터 제어기 (146) 및 모터 구동 제어기 (148)를 포함한다. 식물 식별 서브 시스템 (142)은 광 검출기 (106)로부터 피드백 신호를 수신하고, 그로부터 식물 (116)의 성장 과정과 관련된 다양한 정보를 획득한다. 구체적으로, 식물 식별 서브 시스템 (142)은 반사된 광 스펙트럼의 정보를 가지는 광 검출기 (106)로부터 피드백 신호를 수신하고, 수신된 피드백 신호를 처리하여 식물 (116)의 성장과 관련된 정보를 획득한다. 따라서, 식물 식별 서브 시스템 (142)은 반사된 광 스펙트럼의 정보에 기초하여 식물 성장을 정량화하고, 기준 생성기 (144)에 적절한 신호를 생성한다. 기준 생성기 (144)는 식물 식별 서브 시스템 (142)으로부터 신호를 수신하고, 전력 컨버터 제어기 (146) 및 모터 구동기 제어기 (148)를 제어하기 위해 광 강도, 광 파장, 최적의 LED-식물 거리/각도 등에 관한 적절한 기준 신호를 생성한다.
광 강도 및 광 파장에 관한 기준 신호는 전력 컨버터 제어기 (146)에 의해 수신되고, 그 후 적정 광 강도 및 정확한 광 스펙트럼이 식물 (116)에 적용되도록 LED 어레이 (108)의 각 열에서 전력 회로 (132) 및 스위치 (112)를 제어한다. 모터 구동기 제어기 (148)는 계산된 LED-식물 거리/각도를 수신하고 이에 따라 LED 어레이 (108)를 조정한다. 따라서, 제어 서브 시스템 (134)은 방출된 LED 광이 식물 (116)의 성장 과정을 최적화하기 위해 최적의 광 강도, 광 스펙트럼 및 LED-식물 거리/각도가 되도록 보장한다.
도 7은 LED 어레이 (108)와 식물 (116) 사이의 거리를 조정하기 위한 메커니즘을 나타내는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 각각의 LED 어레이 (108)는 모터 (136)와 관련된다. LED 식물 육성 광 구동기 (도시되지 않음)는 궁극적으로 각각의 LED 어레이 (108)를 전방/후방으로 이동시키고/거나, 식물 (116)에 대한 각각의 LED 어레이 (108)의 각도를 조정하기 위해 각 모터 (136)를 제어한다. 목적하는 거리 및/또는 각도는 요구되는 광 강도, 및 식물 식별 서브 시스템 (142)에 의해 결정된 식물 (116)의 상태에 기초하여 결정된다 (도 6 참조). 광 강도는 일반적으로 거리 제곱 값의 역에 비례한다. 따라서, 거리는 식물 (116)의 성장에 상당한 영향을 미친다. LED 식물 육성 광 시스템 (100)은 거리 및/또는 각도를 최적의 값으로 조정할 수 있으며, 이는 식물 (116)의 성장을 가속화할 뿐만 아니라 성장 과정 동안 필요한 전력량을 줄임으로써 운영 비용을 현저히 절감시킨다. 더욱이, 상이한 식물에 대해 상이한 광 강도가 요구될 수 있기 때문에, 거리/각도를 조정 및 최적화하는 능력에 의해 LED 식물 육성 광 시스템 (100)은 다양한 유형의 식물의 성장을 촉진하도록 하는데 다양한 식물 재배 응용에 사용 가능하다.
도 8은 광 검출기 (106)가 식물 (116)로부터 반사 광 스펙트럼 (114F)을 어떻게 수신하는지 도시한다. 식물 성장 상태를 결정하기 위해, 다양한 광 스펙트럼의 광 스펙트럼 (114R, 114G, 114B)이 LED (110R, 110G 및 110B)로부터 식물 (116)을 향해 방출된다. 광 검출기 (106)는 반사된 광 (114F)을 검출한다. 반사된 광 (114F)의 광 스펙트럼에 기초하여, 식물 식별 서브 시스템 (142)은 식물의 성장, 건강 등과 같은 식물 (116)의 상태를 분석하고 결정한다.
도 9는 식물의 전형적인 잎의 단면과, LED 식물 육성 광 시스템 (100)이 반사된 광 (114F)에 기초하여 어떻게 성장 상태를 결정하는지 도시한다. 도시된 바와 같이, 엽육층 (152)은 엽록소가 풍부하고, 엽록소는 식물 상태의 양호한 지표이다. 엽록소는 주로 스펙트럼의 청색 및 적색 부분을 흡수하고 녹색 부분을 반사한다. 엽록소의 양이 많으면 대부분의 적색/청색 부분이 흡수되고 대부분의 녹색 스펙트럼이 반사된다. 한편, 엽록소가 죽거나 그 양이 감소하면, 엽육층 (152)은 스펙트럼의 다른 부분도 반사한다. 따라서, 식물 성장 상태는 LED 식물 육성 광 구동기 (104)의 광 검출기 (106)에 의해 검출된 반사 광 스펙트럼으로부터 정량화될 수 있다.
상기 실시양태들에서, LED 식물 육성 광 시스템 (100)은 3개의 LED 어레이 (108)를 포함한다. 일부 대안적인 실시양태들에서, LED 식물 육성 광 시스템 (100)은 1 또는 2개의 LED 어레이 (108)만을 포함할 수 있다. 일부 대안적인 실시양태들에서, LED 식물 육성 광 시스템 (100)은 복수의 LED 어레이 (108)를 포함할 수 있다.
도 10은 본 개시의 일부 실시양태에 따른 조명 최적화된 LED 식물 육성 광 시스템 (160)의 개략도이다.
알려진 바와 같이, 광합성 효율은 조명 조건에 크게 좌우된다. 식물의 상이한 구성 광합성 유기체로 인해서, 유사한 조명 조건이 반드시 모든 유형의 식물에 대해 광합성 효율적인 재배로 이어지지는 않는다. 조명 조건은 광 스펙트럼, 강도, 기하구조, 지속 시간 등과 같은 다양한 파라미터를 포함한다. 따라서, LED 식물 육성 광 시스템 (160)은 가장 효율적인 광합성율로 이어질 수 있는 조명 파라미터 세트와 같은 "조명 비법"을 결정하기 위한 학습 프로세스를 채용한다. LED 식물 육성 광 시스템 (160)은 광합성 효율의 최적화를 위해 광합성 측정에 기초하여 조명 조건을 변화시키기 위한 최적화 알고리즘을 사용한다. 일부 실시양태에서, 엽록소 형광 측정이 광합성 효율을 신뢰적으로 추정하고 최적화 알고리즘에 대한 입력을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, LED 식물 육성 광 시스템 (160)은 인공 지능 (AI) 프로세서 (162), 조명 구동기 (164), 조명원 (166), 형광 프로세서 (168) 및 검출 장치 또는 서브 시스템 (170)을 포함한다.
이들 실시양태에서 AI 프로세서 (162)는 형광 프로세서 (168)로부터 엽록소 형광 측정을 수신하고, 엽록소 형광 측정을 사용하여 광합성 효율을 추정하고, 광합성 효율을 최대화하기 위해 최적화된 조명 파라미터 세트를 결정하고, 결정된 조명 파라미터에 따라 조명 광을 조정하기 위해 조명 구동기 (164)를 통해 조명원 (166)을 제어하기 위한 범용 컴퓨터 또는 특수 컴퓨팅 장치와 같은 컴퓨팅 장치이다.
이들 실시양태에서 조명원 (166)은 하나 이상의 LED 및/또는 QLED를 포함하고, 성장을 촉진하기 위해 하나 이상의 식물 (116)에 광 (172)을 방출하도록 조명 구동기 (164)에 의해 구동되고 제어된다. 조명원 (166)의 조명 파라미터 세트는 조정 가능하다. 예를 들어, 조명원 (166)으로부터 방출된 광은 자외선 (UV) 광으로부터 가시광선을 거쳐 적외선 (IR) 광에 이르는 조절 가능한 스펙트럼을 갖는다. 그의 스펙트럼에 걸쳐 조명원 (166)으로부터 방출된 광의 강도 분포는 또한 예를 들어, 조정 가능한 펄스 폭을 갖는 펄스 폭 변조 광과 같은 펄스 광을 사용하여 조정될 수 있다.
이들 실시양태에서 검출 장치 (170)는 엽록소 분자가 여기 상태에서 비여기 상태로 변화될 때 식물 (116)의 엽록소 분자로부터 방출된 형광 또는 광 (174)을 검출하기 위한 광학 센서이다. 검출된 형광 데이터는 검출 장치 (170)로부터 형광 프로세서 (168)로 전송된다.
이들 실시양태에서 형광 프로세서 (168)는 조명원 (166)의 조명 파라미터를 최적화하기 위해 AI 프로세서 (162)로 전송되는 엽록소 형광 측정을 얻기 위해 검출된 형광 데이터를 처리하기 위한 내장 컴퓨팅 장치와 같은 특수 컴퓨팅 장치일 수 있다.
일부 실시양태에서, 조명 구동기 (164), 조명원 (166) 및 검출 장치 (170)는 조명 및 감지 장치로 조립될 수 있다. 도 11은 조명 및 감지 장치 (200)의 개략적인 사시도이다. 도 12는 조명 및 감지 장치 (200)의 개략적인 정면도이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 조명 및 감지 장치 (200)는 그 안에 동심 광학 센서 (204)를 수용하는 원통형 하우징 (202) 및 하우징 (202)과 광학 센서 (204) 사이의 고리에 분포된 복수의 LED (206)를 포함한다. 이들 실시양태에서, LED (206)는 UV 스펙트럼으로부터 가시광선 스펙트럼을 거쳐 IR 스펙트럼에 이르는 조정 가능한 스펙트럼을 형성하기 위해 자외선 (UV) 스펙트럼을 방출하는 하나 이상의 LED (UV LED로 표시), 적색, 녹색 및/또는 청색 스펙트럼을 방출하는 하나 이상의 LED (R, G 및/또는 B LED로 표시) 및 IR 스펙트럼을 방출하는 하나 이상의 LED (IR LED로 표시)를 포함한다.
LED (206)는 구동 케이블 (208)을 통해 조명 구동기 (164)에 연결되어 그로부터 전력을 공급하고 하나 이상의 식물 (116)을 향해 광 (210)을 방출하기 위한 구동 신호를 수신한다. 식물 (116)로부터 방출된 형광 (212)은 광학 센서 (204)에 의해 검출되고 신호 출력 케이블 (214)을 통해 형광 프로세서 (168)로 전송하기 위한 검출 신호로 변환된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 광학 센서 (204)는 광 (224)을 수신하기 위한 하나 이상의 렌즈 (222), 수신된 광 (224)을 필터링하기 위한 광학 필터 (226), 및 신호-출력 케이블 (214)을 통해 필터링된 광을 전송 전기 신호로 변환하기 위한 광 검출기 또는 광 센서 요소 (228), 예컨대 상보형 금속 산화물 반도체 (CMOS) 또는 전하 결합 소자 (charge-coupled device: CCD) 광 센서 요소를 포함한다.
다시 도 10을 참조하면, AI 프로세서 (162)는 식물 (116)의 광합성 및 성장을 촉진하기 위해 조정 가능한 강도 및 스펙트럼으로 펄스 광 (172)을 방출하도록 조명원 (166)을 제어한다. 상이한 파장의 LED (166)를 온/오프로 설정하고 형광 프로세서 (168)의 출력에 기초하여 (후술됨) 턴온된 LED (166)로부터 방출된 광의 펄스 폭을 조정함으로써, AI 프로세서 (162)는 식물 (116)의 광합성 효율을 최대화하도록 방출된 광 (172)의 강도 및 스펙트럼과 같은 조명 파라미터를 최적화할 수 있다.
전술한 바와 같이, 식물 (116)은 광 (172)을 흡수하여 이를 광화학 과정에 이용한다. 흡수된 광 (172)의 일부는 식물 (116)에 의해 열 및 형광 방출로 변환된다.
검출 장치 (170)는 식물 (116)로부터 방출된 형광을 검출한다. 형광 프로세서 (168)는 엽록소 형광 측정을 결정하는데 검출 장치 (170)에 의해 획득된 형광 데이터를 사용하고, 엽록소 형광 측정을 AI 프로세서 (162)에 전송한다. 이어 AI 프로세서 (162)가 광합성 효율을 추정한다. 광합성 효율을 추정하는 것에 대한 세부 사항은 참고문헌 7 내지 9에 개시되어 있으며, 이들 각각의 내용은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 광합성 효율을 추정한 후, AI 프로세서 (162)는 광합성 효율을 최대화하기 위한 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 최적화된 값들의 세트를 결정하고, 최적화된 값들의 세트를 사용하여 방출된 광 (172)의 강도 및 스펙트럼과 같은 조명원 (166)의 조명 파라미터를 조정한다.
일부 실시양태에서, AI 프로세서 (162)는 조명 파라미터 세트를 최적화하여 식물 (116)의 광합성 효율을 최대화하기 위해 시뮬레이션된 어닐링 방법을 사용한다. 이 프로세스에서, 식물 (116)의 광합성을 위해 복수의 조명 상태 Sk가 정의된다. 각 조명 상태 Sk는 식물 (116)의 광합성 효율을 결정하는 조명 파라미터 세트에 상응한다.
프로세스는 광합성이 완전히 확립되도록 충분한 시간 동안 지속되는 랜덤 조명 상태 Sr로 시작한다. 그 후, 형광 프로세서 (206)로부터 얻어진 엽록소 형광 측정을 이용하여 광합성 효율 En+1을 계산한다. 랜덤 변화 ΔS에 의해 이전 상태로부터 변화된 새로운 조명 상태로 프로세스가 반복되고, 새로운 상태에 상응하는 광합성 효율이 계산되고 최대 광합성 효율에 도달할 때까지 이전 상태의 것과 비교한다.
이러한 최대 광합성 효율은 국소 최대일 수 있다. 따라서, 프로세스는 국소 최대 값에 갇히지 않게 최적화 공간을 다시 탐색하도록 설계되었다. 현재 상태에서 새로운 상태로의 전이는 상태들의 광합성 효율 차이 및 전역 시변 파라미터 T에 따르는 수리 확률 함수 exp(-ΔEn/T)에 의해 이루어지며, 여기서 exp()는 지수 함수와 ΔEn = En - En-1을 나타낸다.
프로세스가 진행됨에 따라, 파라미터 T는 최종 최적화 단계에서 큰 초기값에서 0으로 감소한다. 특히, T는 프로세스가 검색 공간에서 다양한 영역을 탐색할 수 있도록 초기 반복 프로세스에서 큰 값으로 설정된다. 최종 반복에서, T는 제로 (0)이고 수리 확률 함수는 일 (1)이 되기 때문에, 프로세스를 업힐 (uphill) 전환만하는 "탐욕 알고리즘"으로 전환시킨다. 적절한 파라미터를 선택하면 프로세스는 전역 최대값을 찾을 수 있다.
도 14는 시뮬레이션된 어닐링 방법에 기초한 전술된 최적화 프로세스 (300) 예의 단계들을 도시하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 프로세스 (300)는 AI 프로세서 (162)가 이전 상태 변수 Sp를 초기 상태 S0로 설정하고 대응하는 이전 상태 광합성 효율 Ep를 0으로 설정하는 초기화 단계 (302)로 시작한다. AI 프로세서 (162)는 또한 전역 시변 파라미터 T ("온도"라고도 함)를 초기값으로 설정하고, 현재 상태 변수 Sc를 광합성이 완전히 확립되는 충분한 시간 동안 지속된 랜덤 조명 상태 Sr로 설정한다. 이어서 프로세스 (300)는 랜덤 상태 (Sr)로부터 최적화 프로세스를 시작한다.
단계 (304)에서, AI 프로세서 (162)는 형광 프로세서 (168)로부터 획득된 엽록소 형광 측정을 사용하여 현재 상태 Sc에서 식물 (116)의 현재 상태 광합성 효율 Ec를 계산한다. 그런 다음, AI 프로세서 (162)는 현재 상태 광합성 효율 Ec를 이전 상태 광합성 효율 Ep와 비교한다 (단계 308).
현재 상태 광합성 효율 Ec가 이전 상태 광합성 효율 Ep보다 크지 않으면 (단계 (308)의 "아니오" 분기), AI 프로세서 (162)는 이전 상태 Sp를 현재 조명 상태 Sc로 설정하고 (단계 (310)), 현재 상태 Sc를 랜덤 변화 ΔS에 의해 Sc로부터 인접 상태로 업데이트한다 (단계 (312)). 이어, 프로세스 (300)는 단계 (304)로 되돌아가 식물 (116)의 현재 상태 광합성 효율 Ec를 계산한다.
단계 (308)에서, 현재 상태 광합성 효율 (Ec)이 이전 상태 광합성 효율 (Ep) 보다 큰 것으로 결정되면 (단계 (308)의 "네" 분기), AI 프로세서 (162)는 추가로 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)를 계산하고, 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 작은지 확인한다 (단계 (314)).
수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 크거나 같으면 (단계 (314)의 "아니오" 분기), AI 프로세서 (162)는 온도 T를 감소시키고 (단계 316), 프로세스 (300)는 단계 (310)으로 되돌아가서 이전 상태 Sp와 현재 상태 Sc를 업데이트한다.
단계 (314)에서, 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin 보다 작은 것으로 결정되면 (단계 (314)의 "네" 분기), 현재 상태 Sc는 최적 상태 So로 간주되고, 최적 상태 So에 상응하는 조명 파라미터 세트가 조명원 (166)의 설정을 조정하는데 사용된다 (단계 (322)).
당업자는 일부 대안적인 실시양태에서, 식물 (116)의 광합성 효율을 최대화하기 위해 조명 파라미터를 최적화하는데 유전적 알고리즘과 같은 다른 적합한 최적화 방법이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
실시양태들이 첨부 도면을 참조하여 위에서 설명되었지만, 당업자는 하기 청구범위에 의해 정의되는 바와 같은 그 범위를 벗어나지 않고 변형 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
참고문헌

Claims (31)

  1. 식물의 성장을 촉진하기 위한 조명 시스템으로서,
    식물에 의해 흡수 가능한 제1 광을 방출하기 위한 조명원(illumination source)으로서, 상기 제1 광은 스펙트럼 및 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 가지는 것인 조명원;
    식물로부터 방출된 엽록소 형광을 포함하는 제2 광을 식물로부터 검출하기 위한 적어도 하나의 광 검출기; 및
    상기 조명원 및 적어도 하나의 광 검출기에 연결된 제어 구조;
    를 포함하고, 상기 제어 구조는
    검출된 제2 광을 나타내는 신호를 적어도 하나의 광 검출기로부터 수신하는 단계;
    상기 수신된 신호에 기초하여 식물의 성장 상태를 결정하는 단계;
    상기 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계; 및
    식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어하는 단계;
    를 위해 구성되고;
    여기서의 성장 상태는 제1 광하에서의 식물의 광합성 효율이며;
    상기 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계는,
    시뮬레이션된 어닐링 방법(simulated annealing method) 또는 유전적 알고리즘(algorithm)을 사용하여 광합성 효율을 최대화하기 위한 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계를 포함하는,
    조명 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 조정 가능한 조명 파라미터 세트는 제1 광의 스펙트럼 및 상기 스펙트럼에 대한 제1 광의 강도 분포 중 적어도 하나를 포함하는, 조명 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 스펙트럼은 자외선 (UV) 파장으로부터 가시광선 파장 범위를 거쳐 적외선 (IR) 파장에 이르는 스펙트럼인, 조명 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 스펙트럼은 적색광 파장 범위, 녹색광 파장 범위 및 청색광 파장 범위의 조합을 포함하는, 조명 시스템.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 가능한 조명 파라미터 세트는 조명원과 식물 사이의 거리 및 각도 중 적어도 하나를 더 포함하는, 조명 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    조명원과 연동되는 적어도 하나의 모터를 더 포함하며;
    상기 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계는 조명원과 식물 사이의 거리 값 및 각도 값 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하고;
    상기 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하기 위해 조명원을 제어하는 단계는 상기 거리 값 및 각도 값 중 적어도 하나를 이용하여 상기 거리 및 각도 중 적어도 하나를 조정하도록 상기 적어도 하나의 모터를 제어하는 단계를 포함하는,
    조명 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수신된 신호에 기초하여 식물의 성장 상태를 결정하는 단계는 상기 수신된 신호에 기초하여 엽록소 형광 측정을 결정하는 단계를 포함하고;
    시뮬레이션된 어닐링 방법 또는 유전적 알고리즘을 사용하여 광합성 효율을 최대화하기 위한 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계는,
    (1) 식물의 광합성 효율을 결정하는 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트에 각각 상응하는 복수의 조명 상태를 정의하는 단계;
    (2) (i) 이전 상태 변수 Sp를 초기 조명 상태 S0으로 설정하고, (ii) 상응하는 이전 상태 광합성 효율 Ep를 0으로 설정하고, (iii) 전역 시변 파라미터(global time-varying parameter) T를 초기값으로 설정하고, (iv) 현재 상태 변수 Sc를 광합성이 확립되도록 일정 기간 동안 지속된 복수의 조명 상태 중 랜덤 상태 Sr로 설정하는 단계;
    (3) 결정된 엽록소 형광 측정을 사용하여 현재 상태 Sc에서 식물의 현재 상태 광합성 효율 Ec를 계산하는 단계;
    (4) 현재 상태 광합성 효율 Ec를 이전 상태 광합성 효율 Ep와 비교하는 단계;
    현재 상태 광합성 효율 Ec가 이전 상태 광합성 효율 Ep보다 작거나 같은 경우, (5) 이전 상태 Sp를 현재 조명 상태 Sc로 설정하고 현재 상태 Sc를 랜덤 변화 ΔS에 의해 Sc로부터 인접 상태로 업데이트하고(updating), 단계 (3)으로 되돌아가는(looping) 단계;
    현재 상태 광합성 효율 Ec가 이전 상태 광합성 효율 Ep보다 큰 경우, (6) 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)를 계산하고 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 작은지 확인하는 단계;
    수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 크거나 같은 경우, (7) 파라미터 T를 감소시키고 단계 (5)로 되돌아가는 단계; 및
    수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 작은 경우, (8) 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 상태 Sc에 상응하는 조명 파라미터 세트로서 결정하는 단계;
    를 포함하는, 조명 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 조명원은 제1 광을 방출하기 위한 복수의 LED 세트를 포함하는, 조명 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 복수의 LED 세트는 하나 이상의 양자점(quantum-dot) LED를 포함하는, 조명 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어하는 단계는,
    식물에 대한 각 LED 세트의 거리 및 각도 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하는, 조명 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 각 LED 세트는,
    각각 유색 광을 방출하도록 구성되며, 상기 유색 광은 제1 광의 스펙트럼의 서브세트(subset)를 갖는 제1 광의 일부인 것인 하나 이상의 LED 서브세트; 및
    각각 하나의 LED 서브세트를 제어하는 하나 이상의 개폐 소자;
    를 포함하는, 조명 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 하나 이상의 개폐 소자는 각각 제1 광의 일부로서 펄스 광(pulsed light)을 방출하기 위해 대응하는 LED의 서브세트를 제어하도록 구성된, 조명 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 제1 광은 펄스 폭 변조 광(pulse-width modulated light)인, 조명 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계는 결정된 성장 상태에 기초하여 하나 이상의 개폐 소자의 각 설정을 결정하는 단계를 포함하고;
    상기 식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어하는 단계는 제1 광의 스펙트럼 및 그 스펙트럼에 대한 제1 광의 강도 중 적어도 하나를 조정하도록 상기 결정된 설정에 기초하여 개폐 소자들을 제어하는 단계를 포함하는;
    조명 시스템.
  15. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 조명 및 감지 장치를 더 포함하고, 각각의 조명 및 감지 장치는,
    하우징;
    하우징에 수용된 적어도 하나의 광 검출기 중 하나; 및
    하우징과 상기 적어도 하나의 광 검출기 중 하나 사이의 고리에 분포된 LED 그룹;
    을 포함하는, 조명 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 광 검출기는 적어도 렌즈, 광 필터 및 광 감지 요소를 포함하는, 조명 시스템.
  17. 식물의 성장을 촉진하는 방법으로서,
    식물에 의해 흡수 가능한 스펙트럼 및 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 가진 제1 광을 조명원으로부터 식물을 향해 방출하는 단계;
    식물로부터 방출된 엽록소 형광인 제2 광을 식물로부터 검출하는 단계;
    검출된 제2 광에 기초하여 식물의 성장 상태를 결정하는 단계;
    결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계; 및
    식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어하는 단계;
    를 포함하고;
    여기서의 성장 상태는 제1 광하에서의 식물의 광합성 효율이며;
    상기 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계는,
    시뮬레이션된 어닐링 방법 또는 유전적 알고리즘을 사용하여 광합성 효율을 최대화하기 위한 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계를 포함하는,
    방법.
  18. 제17항에 있어서, 조정 가능한 조명 파라미터 세트는 제1 광의 스펙트럼 및 상기 스펙트럼에 대한 제1 광의 강도 분포 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 스펙트럼은 자외선 (UV) 파장으로부터 가시광선 파장 범위를 거쳐 적외선 (IR) 파장에 이르는 스펙트럼인, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 스펙트럼은 적색광 파장 범위, 녹색광 파장 범위 및 청색광 파장 범위의 조합을 포함하는, 방법.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 가능한 조명 파라미터 세트는 조명원과 식물 사이의 거리 및 각도 중 적어도 하나를 더 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 결정된 성장 상태에 기초하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계는 조명원과 식물 사이의 거리 값 및 각도 값 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하고;
    상기 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하기 위해 조명원을 제어하는 단계는 상기 거리 값 및 각도 값 중 적어도 하나를 이용하여 상기 거리 및 각도 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하는;
    방법.
  23. 제17항에 있어서, 상기 검출된 제2 광에 기초하여 식물의 성장 상태를 결정하는 단계는 상기 검출된 제2 광에 기초하여 엽록소 형광 측정을 결정하는 단계를 포함하고;
    상기 시뮬레이션된 어닐링 방법 또는 유전적 알고리즘을 사용하여 광합성 효율을 최대화하기 위한 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 결정하는 단계는,
    (1) 식물의 광합성 효율을 결정하는 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트에 각각 상응하는 복수의 조명 상태를 정의하는 단계;
    (2) (i) 이전 상태 변수 Sp를 초기 조명 상태 S0으로 설정하고, (ii) 상응하는 이전 상태 광합성 효율 Ep를 0으로 설정하고, (iii) 전역 시변 파라미터 T를 초기값으로 설정하고, (iv) 현재 상태 변수 Sc를 광합성이 확립되도록 일정 기간 동안 지속된 복수의 조명 상태 중 랜덤 상태 Sr로 설정하는 단계;
    (3) 결정된 엽록소 형광 측정을 사용하여 현재 상태 Sc에서 식물의 현재 상태 광합성 효율 Ec를 계산하는 단계;
    (4) 현재 상태 광합성 효율 Ec를 이전 상태 광합성 효율 Ep와 비교하는 단계;
    현재 상태 광합성 효율 Ec가 이전 상태 광합성 효율 Ep보다 작거나 같은 경우, (5) 이전 상태 Sp를 현재 조명 상태 Sc로 설정하고 현재 상태 Sc를 랜덤 변화 ΔS에 의해 Sc로부터 인접 상태로 업데이트하고, 단계 (3)으로 되돌아가는 단계;
    현재 상태 광합성 효율 Ec가 이전 상태 광합성 효율 Ep보다 큰 경우, (6) 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)를 계산하고 수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 작은지 확인하는 단계;
    수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 크거나 같은 경우, (7) 파라미터 T를 감소시키고 단계 (5)로 되돌아가는 단계; 및
    수리 확률 함수 exp(-(Ec-Ep)/T)가 미리 결정된 임계치 Emin보다 작은 경우, (8) 조정 가능한 조명 파라미터 세트에 대한 값들의 세트를 상태 Sc에 상응하는 조명 파라미터 세트로서 결정하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  24. 제17항에 있어서, 조명원은 제1 광을 방출하기 위한 복수의 LED 세트를 포함하고, 각각의 LED 세트는 하나 이상의 LED 서브세트를 포함하고, 여기서 각각의 LED 서브세트는 유색 광을 방출하도록 구성되며, 상기 유색 광은 상기 제1 광의 스펙트럼의 서브세트를 갖는 상기 제1 광의 일부이고;
    상기 식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어하는 단계는,
    제1 광의 스펙트럼 및 그 스펙트럼에 대한 제1 광의 강도 중 적어도 하나를 조정하도록 각 LED 서브세트의 설정을 제어하는 단계를 포함하는,
    방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 식물의 성장을 촉진하기 위해 결정된 값들의 세트를 사용하여 조정 가능한 조명 파라미터 세트를 조정하도록 조명원을 제어하는 단계는,
    식물에 대한 각 LED 세트의 거리 및 각도 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하는,
    방법.
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