TWI601444B

TWI601444B - A plant-based upright LED light source drive system

Info

Publication number: TWI601444B
Application number: TW105133696A
Authority: TW
Inventors: Shun-Zhong Wang; Yi-Hua Liu
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2017-10-01
Also published as: TW201817279A

Description

一種植物工廠用之直立式LED燈源驅動系統

本發明係有關於植物工廠用之直立式LED燈源驅動系統，特別是關於一種可藉由手持裝置遙控的植物工廠用之直立式LED燈源驅動系統。

根據聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)的估計，於2050年世界人口會高達91億，為了免於糧食短缺的問題，作物產量需要提高70%來應付人口爆炸的年代，人類需要額外開發10億公頃的可耕地。然而，由於人口增加全球都市化的趨勢更為嚴重，都市人口將會達總人口的70%，因此土地利用率的問題會變得更加棘手；另一方面，化肥及農藥的使用遠超過土地的負荷，長程的食物運輸造成能源及水資源的浪費，也導致食物品質下降。因此，如何節約並有效率的生產是無可避免的趨勢，而「垂直農場」、「植物工廠」的觀念乃漸漸興起。

傳統的植物工廠多使用螢光燈(Fluorescent)或高壓鈉燈；然而，高壓鈉燈製造大量的熱需依賴冷氣散熱，造成電費成本大幅提升，通常佔操作成本的30%以上，使得這一類的植物工廠經營不順，降低業者的投資意願；螢光燈則因其波長在最適合植物生長的紅光與藍光的比例偏低，因而造成植物營養價值較低或者不好吃的情況。近年來逐漸崛起的照明界新星發光二極體(Light Emitting Diode,LED)，不但具有高光電轉換效率及高壽命的優點，更具備環保無汞、單一光譜配光容易等優勢。過去由於其照明成本居高不下難以推廣，不過隨著效率的提升且成本顯著下降，在許多室內照明應用上已逐漸取代傳統螢光燈，也逐步進軍植物工廠，據推估，LED植物生長燈在2020年約可達19億美元的市值。

目前文獻中針對以LED做為植物生長燈的研究主要可以分為三大部分：第一為光配方研究，第二為基於無線感測網路之環境控制與監控人機系統建置，第三則為提出不同的高性能驅動架構並改善驅動電路之效率，茲分述如下：植物工廠環境控制與監控人機系統建置：植物工廠建立包含建築、設備、環境控制、生長材料四大要點，不管何種型式之植物工廠的設備需要由各個不同產業一起結合而成，而精確的環境控制與友善的監控人機系統，是能否完善建立光配方資料庫與大規模種植之關鍵。因此有許多文獻提出不同的環境控制與監控人機系統架構，而隨著無線感測、資通訊網路技術的成熟與普及，近年來所提出的植物工廠環境控制與監控人機系統皆基於無線感測、通訊網路來建置。無線網路通訊協定配合不同終端設備(PC、筆電、智慧型手機與平板)可提供方便性、可撓性、低成本、與方便長時間作資料紀錄，管理者無須天天到植物工廠，透過手機等無線通訊載具也能即時監控植物之生長環境，並做緊急處理。

高性能驅動架構並改善驅動電路之效率：若需進一步降低成本而必須使用單組功率轉換器驅動RGB(red,green,blue；紅、綠、藍)LED 時，由於紅、綠、藍發光二極體分別具有不同的順向導通壓降，因此功率轉換器必須針對各發光二極體的導通電壓需求改變輸出電壓，如此方能降低穩流電路上的功率損失，此技術被稱為動態電壓調整技術。有文獻藉由回授各個LED串穩流電路上之電壓來動態調整功率轉換器的輸出電壓，此一技術可以進一步降低穩流電路上的功率損耗。在驅動電路硬體架構方面，相較於白光LED驅動電路，紅、綠、藍LED驅動電路的架構就較為複雜，主要是因為紅光、綠光與藍光所需的驅動特性並不完全相同。有文獻提出以三組串聯諧振轉換器分別驅動不同順向壓降之紅、綠、藍發光二極體的架構，該驅動電路因具有零電壓切換功能而可以達到相當高的效率，缺點是需要三組轉換器；也有文獻提出以多組輸出之反馳式轉換器驅動紅、綠、藍發光二極體負載，然而，其變壓器需特別設計；也有文獻針探討對如何使用磁性放大器(Magnetic Amplifier)使多組輸出繞組適合驅動紅、綠、藍發光二極體負載。也有文獻提出一用於大面積之LED面板的節能驅動方法，其係利用對現有硬體架構之低成本修改，可將多階段脈波寬度調變(MPWM)驅動方法實現於LED驅動系統上。也有文獻提出一浮動降壓可調光LED驅動器與固態照明應用，並提出適應性時序差補償機制，以適應性調整下側開關之截止時間，使得驅動器在寬的輸入電壓範圍和眾多的LED負載下，可達到高精度的平均電流、快速穩定時間、和高的操作頻率。也有文獻提出以一具最佳軌跡控制之PWM調光策略用於多串定電流LLC共振LED驅動器，其LED的亮度可由PWM調光信號的on與off的時間比例來控制。

光配方研究：LED光源的lm/W並不是採用與否的關鍵，關鍵在於LED光源的波長，每種植物所需並不相同，如何利用光源特性達到量產的目標才是重點。另外，植物對光的感知與人類截然不同，植物能夠更加有效地利用特定波長的光，並對不同波長的光有不同的反應。Philips、Osram、Mitsubishi、Panasonic等國際大廠近年來積極投入園藝LED照明，並將發展重點擺在光配方上面，因為園藝LED照明深受各地不同特性影響，與當地的氣候、消費的需求等關聯度相當高，因此，如何發展出適合不同區域的光配方是園藝LED照明的目標。有文獻提出低功率LED組合光源對對東方型雜交百合鱗片增殖、葉片形成與發根之影響，並與傳統螢光燈管為對照組作比較。也有文獻分別針對不同植物使用RGB-LED不同波長之光照，並探討不同配方與紅、藍光不同比例下對於植物成長的效應。

雖然習知已有如上述之多種植物工廠之照明方案，但其效能仍有改進的空間。

本發明之主要目的在於提供一種植物工廠用之直立型燈具調光系統，其係利用手持式裝置以無線傳輸的方式控制各LED燈具之發光狀態，而各LED燈具可依據手持式裝置的命令產生精確的色彩及照度以利植物生長。

為達到上述目的，一種植物工廠用之直立式LED燈源驅動系統乃被提出，其具有：至少一直立式LED燈模組，各具有一控制電路及一直立式RGB LED燈，該控制電路具有一ZigBee模組、一數位控制器及一驅動電路，該ZigBee模組係藉由一無線通信方式接收一控制命令，該數位控制器係用以執行一韌體程式以依該控制命令進行一RGB責任週期計算程序並藉由該驅動電路驅動該直立式RGB LED燈；以及一手持式裝置，內含一應用程式，該應用程式提供一手動模式及一自動模式供使用者選擇以藉由所述的無線通信方式送出所述的控制命令至所述至少一直立式LED燈模組；其中，當該應用程式操作在所述手動模式時，各所述直立式LED燈模組係依所述的控制命令進行以三相諧波注入法為基礎之一單軸調色控制程序以決定一配色；以及當該應用程式操作在所述自動模式時，各所述直立式LED燈模組係依所述的控制命令進行一距離-照度矩陣計算以產生一最適化的燈光配置。

在一實施例中，該數位控制器包含一微處理器且該驅動電路包含一交流轉直流電源轉換器。

在一實施例中，該應用程式具有記錄至少一種植物生長情形之功能。

為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。

100‧‧‧直立式LED燈模組

101‧‧‧控制電路

102‧‧‧直立式RGB LED燈

110‧‧‧手持式裝置

111‧‧‧應用程式

1011‧‧‧ZigBee模組

1012‧‧‧數位控制器

1013‧‧‧驅動電路

圖1繪示本發明之植物工廠用之直立式LED燈源驅動系統之一實施例方塊圖。

圖2繪示一植物工廠的架構。

圖3為本發明所採之直立式LED燈模組之一實施例方塊圖。

圖4為本發明所採之一PWM控制時序圖。

圖5a-5c為本發明所採之一PWM調光韌體程式流程圖。

圖6為控制命令對應紅、綠及藍三色之Matlab模擬波形圖。

圖7為本發明系統之一俯視示意圖及一側視示意圖。

圖8a繪示以Matlab模擬之F_角、F_邊及F_中心等三式的曲線。

圖8b繪示以Matlab模擬之F_角、F_邊及F_中心等三式的交點。

圖9為本發明所採之一應用程式之流程圖。

圖10為本發明所採之一應用程式主頁面。

圖11繪示當手持式裝置偵測到外部硬體時所發出的提示訊息。

圖12繪示本發明所採之一手動調光畫面。

圖13繪示本發明所採之一植物生長紀錄畫面。

圖14a-14c分別繪示單軸控制命令θ為12之情況下之電流波形圖、CIE 1931量測圖與手持式裝置應用程式畫面截圖。

圖15a-15c分別繪示單軸控制命令θ為169情況下之電流波形圖、CIE 1931量測圖與手持式裝置應用程式畫面截圖。

圖16為本發明之系統量測各植物受燈具影響之光譜儀擺放位置。

圖17為本發明之系統加強角落(編號1)所產生之一相對照度比例分布圖。

圖18為本發明之系統加強邊上(編號2)所產生之一相對照度比例分布圖。

請參照圖1，其繪示本發明之植物工廠用之直立式LED燈源驅動系統之一實施例方塊圖。如圖1所示，該系統具有至少一直立式LED燈模組100以及一手持式裝置110。

所述直立式LED燈模組100具有一控制電路101及一直立式RGB LED燈102，該控制電路101具有一ZigBee(zig bee；紫蜂)模組1011、一數位控制器1012及一驅動電路1013，該ZigBee模組1011係藉由一無線通信方式接收一控制命令，該數位控制器1012係用以執行一韌體程式以依該控制命令進行一RGB責任週期計算程序，並藉由該驅動電路1013驅動該直立式RGB LED燈102。另外，該數位控制器1012可包含一微處理器且該驅動電路1013可包含一交流轉直流電源轉換器以提供至少一直流電壓。

手持式裝置110，可為一智慧型手機，內含一應用程式111，該應用程式111提供一手動模式及一自動模式供使用者選擇以藉由所述的無線通信方式送出所述的控制命令至所述至少一直立式LED燈模組100。

其中，當該應用程式111操作在所述手動模式時，各所述直立式LED燈模組100係依所述的控制命令進行以三相諧波注入法為基礎之一單軸調色控制程序以決定一配色；以及當該應用程式111操作在所述自動模式時，各所述直立式LED燈模組100係依所述的控制命令進行一距離-照度矩陣計算以產生一最適化的燈光配置。另外，該應用程式可具有記錄至少一種植物生長情形之功能。

以下將說明本發明的原理：

植物工廠：

「植物工廠」(Plant Factory,PF)一詞首次出現在1985年的筑波科學技術萬國博覽會上植物工廠的實證展示，廣義而言，將農作物以工業模式進行生產就稱之為植物工廠；狹義來說，日本植物工廠學會對於植物工廠的定義是利用電腦對於植物生育的環境，包含溫溼度、二氧化碳濃度、光照度和營養液等環境條件進行自動控制，也就是環境可控農業技術(Controlled-Environment Agriculture,CEA)，使植物能不受自然氣候影響的生產，其系統構成主要分為三個架構，如圖2所示。

植物的生長和分布受限於生長環境中的數個因素，包含光、溫度、濕度和養分，其中「光」扮演至關重要的角色。植物行光合作用來獲得生長所需的能量，而光質、光強度和光週期是光對植物生長影響的三個主因。光質，亦稱為光波長或光譜，其對於植物的生長、型態建成、光合作用及基因表現均有調控作用，通過光質調節能控制植株生長型態。藍光主要影響莖幹與葉片的生長，而紅光則對種子的萌發、開花的誘導及花期的延長有極大關聯。光強度簡而言之為植物所受到日光的能量大小。一年之中夏季是光強度最大的時候，而冬季是光強度最小的時候，當光強度不足時，光合作用行為亦隨之趨緩，不僅阻礙植物生長，還會影響植物對硝酸鹽的分解，造成過多的硝酸鹽殘留。光週期是指晝夜週期中光照期和黑期之長短的交替變化。有些植物的開花與否受到光週期的影響，且此影響隨著植物的種類不同而有所差異，短日照植物如菊花；長日照植物則有玉米或苜蓿等。

垂直式燈源驅動系統架構：

硬體電路架構：

圖3為本發明之直立式LED燈模組100之一實施例方塊圖，其係以市電為輸入電壓，首先利用交流轉直流模組將市電降壓至24伏特，接著利用直流轉直流模組和穩壓IC N2576G-5將電壓分別降壓至12V及5V。12V的輸出為供給RGB LED端使用；而5伏特則供給定電流驅動IC CAT4104及微處理器PIC16F619使用。由於XBee模組、溫度感測器MCP9701和照度感測器BH1620FVC之操作電壓為3.3伏特，因此加入穩壓IC LD1117將電壓降至3.3伏特；然而，由於微處理器與XBee模組之操作電壓不同，若直接進行資料傳輸易有錯誤，故使用PC817進行準位調整。

PWM調光：

PWM調光則是使用一定電流源驅動電路，此種電路設計可避免因順向壓降造成的電流變化，可維持LED照度接近定值。此電路只需調整參考電壓命令及電流感測電阻，即可決定流經LED上的順向導通電流大小。本系統以PWM控制調光，利用Timer(計時器)時間軸作為基準，每當Timer中斷一次，Timer內的數值會加1，直到此數值大於255時歸零重新計數。將給予之控制命令與Timer計數器之值做比較，當計數器之值小於調光命令時，輸出為準位0之低電位；反之，當計數器之值大於調光命令時，輸出則為準位1之高電位，如此一來即可產生相對於控制命令之責任週期(Duty Cycle)，如圖4所示。

韌體程式開啟時先進行系統頻率、Timer、輸入輸出埠(I/O Port)、類比數位轉換器模組(Analog-to-Digital Converter,ADC)及通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)的初始化設定，接著進入無窮迴圈等待中斷發生，如圖5a所示。當中斷發生時，由中斷旗標判斷此中斷是發生在Timer中斷或UART中斷。圖5b為Timer中斷副程式。每當Timer中斷發生，將Timer中斷副程式內計數次數加一，並將此計數值與調光命令比較，若其值較調光命令小，則將輸出埠保持低電位；反之，若其值較調光命令大，則將輸出埠抬升至高電位。當計數次數值大於255時則歸零重新計數。另一方面，如圖5c所示，當UART旗標立起時，則表示XBee模組將手持式裝置所送出之控制命令傳送至MCU，當計數UART中斷次數的計數器值為5時，表示所有控制命令均接收完成，將計數器歸零後進入模式判斷副程式。

調光演算法：

手動調光演算法：

為讓使用者能簡易調光，在色彩多寡與控制命令複雜度的權衡下，本發明採用單一控制量的三相弦波調色方法，如式(1)所示。然而由於此方法在純紅、純綠和純藍表現較不突出，故本發明參考三次諧波注入法(Third-Harmonic Injection Method)為基礎，並將三個顏色中分量最低者予以扣除，做為本發明手動調光之演算法，所提單軸調色方法如式(2)所示，其中θ的範圍介於0至2π之間。控制命令對應於紅、綠及藍色之波形如圖6所示。

自動配光演算法：

圖7所示為本系統之俯視圖與側視圖，P1~P9為9顆植物，相鄰兩棵植物間距離為15cm，L1~L4為四組垂直式LED燈，由於輸入為4組燈具，輸出為9棵植物的生長情形，當使用者操作於自動配光模式時，系統必須根據9棵植物的生長需求推估所需之燈光配置輸出；為得到正確燈光配置輸出同時配合實務操作需求，需計算燈具對植物個別照度影響之矩陣[M]。由於照度與距離平方成反比，假設燈具之光輸出皆為1光照單位，且各植物之間距為15公分時，若燈具編號L₁對植物編號P₅之距離為x公分，令此時L₁對P₅之照度影響為1個單位，推得L₁對其餘植物之照度影響，如式(3)至(7)所示。

由圖7可看出燈具對植物可分成中心、角落及邊上等三種不同情況；由於照度的定義為單位面積下的光通量(Luminance flux)，而光通量則為單位時間內由光源(或被照物)所發出(或吸收)的光能，其中光波具有疊加性值(Superposition property)，中心的照度為4個單位，而角落及邊上的照度則可表達為方程式(8)及(9)。

接著將計算適當的x值，當L₁~L₄的光輸出皆為1光照單位，此時預期9棵植物有相似的生長條件，亦即期望值為F_角=F_邊=F_中心，由圖8a-8b 之Matlab執行結果可發現三式無法交於一點。由於F_角與F_邊均非線性方程式，其中當距離x增加又以F_角變化最大，故當x=12.23cm具最小誤差。

將x=12.23cm分別代入式(3)至式(7)即可求得距離-照度矩陣[M]，如式(10)所示。由於植物生長狀態矩陣[P]為目標矩陣，而燈具配光矩陣[L]為可控矩陣，故可推得[M]．[L]=[P]；然而，當操作於自動配光模式時，系統的輸入為各植物的光需求量，而實際輸出為燈具配光計算值，理論上[L]可經[M]^-1[P]=[L]推得，但由於[M]並非方陣(Square Matrix)，故不存在定義上之反矩陣(Inverse Matrix)，因此本發明以偽逆矩陣(Moore-Penrose Pseudoinverse)求得非線性方程式之最小平方差解，經正規化使燈具配光計算值皆介於0與255之間，即可得[M]^-1，如式(11)所示。

為加速單一植物生長，同時保持其餘植物於正常生長狀態，本發明將[P]內欲加強之植物編號比例設定為1，其餘設定為0.8。燈具配光矩陣[L]即可藉由[M]^-1與[P]相乘推得。此外，由於本系統目前栽種的植物為萵苣，因此系統會將每組燈具之RGB個別分量採用前人文獻之結論，分別以R=60%、G=25%與B=15%之比例做為實驗設計基礎。

Android應用程式設計與實現：

為了能即時調光、掌控環境狀態並且記錄植物生長狀態，本系統開發一建立於Android系統之應用程式(Application Software,App)。

SQLite資料庫：

為了能記錄植物的生長情況，並方便使用者快速紀錄調光結果，本應用程式使用Android內建的「SQLite」資料庫作資料儲存。SQLite是一個Open Source輕量級的嵌入式資料庫(Embedded SQL Database)，與許多其他資料庫管理系統不同，其並非主從式(Client-server Model)的資料庫引擎，而是被整合在使用者程式中。SQLite是一個很小的C語言程式庫，本身就包含完整的資料庫引擎功能，資料庫以單一檔案形式儲存於磁碟中，容易轉移，且無需安裝資料庫伺服器軟體，此外其語法與SQL一致，可跨平台使用。於Android系統內使用SQLite資料庫時，可藉由Android應用程序接口(Application Programming Interface,API)來執行資料的管理和查詢工作，以減少跨行程通信的資源延遲。

Android App調光控制流程圖：

圖9為應用程式調光控制流程圖，圖中斜體字方框代表使用者操作人機介面之動作，正體字方框則表示系統本身執行的函式。當程式被開啟時進入主畫面，並在等待XBee模組連接的同時監控按鈕狀態。以下針對副函式做解釋：

Initial()：當此Activity第一次被執行，變數、元件及資料庫進行初始畫設定。

OpenDeyice()：當XBee模組與手持式裝置連接，設定鮑率並開啟資料傳送及接收功能。

HSV_Dimming()：本系統以本發明所提出之單軸控制調光法，當使用者針對個別LED燈具調光，系統會讀取使用者手放開時滑桿定位點所在位置，經計算後得到Red、Green及Blue各分量，並將混合的顏色以介面中的燈泡圖示顯示。

EnhanceDimming()：當選定需加強的植物編號，系統透過距離-照度矩陣計算個別LED燈具所需的Red、Green及Blue分量。

System_Value()：LED燈具的初始設定值，預設皆為最大值。

Insert_DB()：將使用者調光歷史及植物生長情形紀錄於資料庫。

人機介面操作流程：

圖10為程式開啟畫面，當XBee模組與手持式裝置連接後，程式會出現提醒視窗，並要求使用者同意外部硬體存取，如圖11所示。在未連接XBee模組前，任何按鈕都無法被操作，同時系統會提示以告知使用者確認XBee模組已順利連接。當「開啟裝置」按鈕被點擊且XBee模組於連接狀態，則其他按鈕功能才被致能(Enable)。

當成功與ZigBee模組連接後，使用者可自行拉動滑桿調整LED燈具的顏色，亦可針對生長較為緩慢的植物做照度調整，或紀錄植物的生長狀態。當使用者於主頁面選擇任一編號的植物做加強時，系統會根據照度-距離矩陣求得4組燈具最佳的照度，並藉由轉換計算Red、Green及Blue個別分量輸出給LED燈具組。當使用者於主頁面點擊任一「燈泡」圖示，則進入手動調光畫面，如圖12所示，若使用者點擊任一「植物」圖示，則進入植物生長紀錄畫面，如圖13所示。於手動模式畫面中，當使用者拉動滑桿後並點擊「確認送出」按鈕，程式藉由本發明提出之混光調色方法控制LED燈的顏色，並透過ZigBee模組傳送指令給硬體電路，同時將使用者紀錄存入資料庫。於植物生長紀錄畫面中，系統根據使用者於主畫面所選定之植物種類提供相關植物資訊，同時每株植物可個別紀錄生長狀態，SQLite的應用讓使用者在紀錄與編輯資訊上更為容易。

實驗結果：

手動模式：

為驗證手持式裝置之調光控制，圖14a-14c和圖15a-15c分別表示單軸控制命令θ為12及169情況下之電流波形圖、CIE 1931量測圖與手持式裝置應用程式畫面截圖，其中，圖14a之CH1、CH2及CH3分別代表紅光、綠光及藍光各為22.38%、85.98%與3.184%之責任週期。圖15a之CH1、CH2及CH3分別代表紅光、綠光及藍光各為52.56%、93.79%與7.483%之責任週期。

自動模式：

為證實所提方法之可行性，本系統透過[M]^-1[P]=[L]所得之燈具配光計算值實際輸出至4組直立式燈具，並以光譜儀量測9顆植物所接受之相對照度，量測位置如圖16所示。

圖17及圖18分別為針對角落及邊上植物作實際加強後之燈具相對照度量測比例趨勢。由於[L]僅為設定[P]條件下之最佳解，故由兩折線圖中可發現，除了植物編號5之外，其餘所有植物編號中，選定加強之植物編號其相對照度均大於其他編號植物。

結論：

本發明開發一套新型植物工廠用LED光源驅動系統，以直立型燈具取代橫式燈具，並利用ZigBee作為手持式裝置與LED燈具的傳輸介面。本發明在手動模式下，藉由以三相諧波注入法為基礎之單軸調色控制程序，可改善三相弦波所造成之顏色分配不平均之現象，且可使純紅、純綠與純藍之顏色表現更為突出，且使用者可任意決定每組燈具之配色；而於自動模式下，藉由本發明所提供之距離-照度矩陣可讓系統計算出最適合的燈光配置。

本發明所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本發明之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本發明之專利權範疇。

綜上所陳，本發明無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。