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一種基于組合光譜的LED農業照明系統及方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510696371.2

申請日:

2015.10.21

公開號:

CN105180018A

公開日:

2015.12.23

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回 IPC(主分類):F21S 8/00申請公布日:20151223|||實質審查的生效IPC(主分類):F21S 8/00申請日:20151021|||公開
IPC分類號: F21S8/00; F21V23/00(2015.01)I; F21V29/70(2015.01)I; A01G9/20; F21Y101/02(2006.01)N 主分類號: F21S8/00
申請人: 廣州市光機電技術研究院
發明人: 王巧彬; 任豪; 高軍翔; 何志宏; 胡毅帆
地址: 510663 廣東省廣州市科學城科研路3號
優先權:
專利代理機構: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245 代理人: 黃磊;陳宏升
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510696371.2

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.03.19|||2016.01.20|||2015.12.23

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開的一種基于組合光譜的LED農業照明系統,包括LED植物生長燈、光環境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數據庫和處理器,所述的處理器分別與光環境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數據庫相連,所述的光環境控制模塊與LED植物生長燈相連。本發明所述的LED農業照明系統及方法,為不同植物不同生長周期提供最佳光譜的照明光環境,提高生長效率并達到節能環保的效果。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:包括LED植物生長燈、光環境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數據庫和處理器,所述的處理器分別與光環境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數據庫相連,所述的光環境控制模塊與LED植物生長燈相連。

2.  根據權利要求1所述的基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:所述的LED植物生長燈包括LED芯片級光源組合,以及驅動LED芯片級光源組合的驅動電路;所述的LED芯片級光源組合是由藍光、紅光、紅外光的LED芯片級光源按照預設比例組成;
所述預設比例為以下比例中的一種:10:1:0、10:1:1、10:1:2、10:2:1、10:3:0、10:3:1、10:3:2、9:1:0、9:1:1、9:1:2、9:2:0、9:2:1、9:2:2、9:3:0、9:3:1、9:3:2、8:1:0、8:1:1、8:1:2、8:2:1、8:3:0、8:3:1、8:3:2、7:1:0、7:1:1、7:1:2、7:2:0、7:2:1、7:2:2、7:3:0、7:3:1、7:3:2、6:1:0、6:1:1、6:1:2、6:2:1、6:3:1、6:3:2、5:1:0、5:1:1、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2、5:3:0、5:3:1、5:3:2、4:1:0、4:1:1、4:1:2、4:2:1、4:3:0、4:3:1、4:3:2、3:1:0、3:1:1、3:1:2、3:2:0、3:2:1、3:2:2、3:3:1、3:3:2、2:1:0、2:1:1、2:1:2、2:2:1、2:3:0、2:3:1、2:3:2、1:1:0、1:1:1、1:1:2、1:2:0、1:2:1、1:2:2、1:3:0、1:3:1、1:3:2;
所述的驅動電路采用PWM恒流驅動技術、可控硅調光技術、DMX512調光技術對每個LED芯片級光源進行0-100級恒流調光。

3.  根據權利要求2所述的基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:所述的LED植物生長燈還包括散熱結構,散熱結構采用鋁基板,LED芯片組光源的基底固定在鋁基板上。

4.  根據權利要求3所述的基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:所述的基底和鋁基板表面涂上導熱硅膠。

5.  根據權利要求1所述的基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:所述的光環境控制模塊通過有線通信方式或無線通信方式控制多盞LED植物生長燈輸出光的光譜、光輻射照度和光周期進行遠程控制和調節。

6.  根據權利要求5所述的基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:所述的有線通信方式包括電力載波通信方式、RS485總線通信方式、CAN 總線通信方式、基于TCP/IP協議的網絡通信方式,所述的無線通信方式包括zigbee通信方式、WIFI通信方式、藍牙通信方式、BLE通信方式。

7.  根據權利要求1所述的基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:所述的光譜采集裝置包括光譜儀,以及與光譜儀連接的導光光纖,所述的的光譜儀采用便攜式的陣列CCD探測器光譜儀,所述的導光光纖的輸入端對著LED植物生長燈發光面,導光光纖的輸出端連接到光譜儀的接收光口,LED植物生長燈的輸出光是通過導光光纖進入光譜儀從而實現光譜采集。

8.  根據權利要求1所述的基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:所述的光輻射照度計采用數字式光輻射照度計,光輻射照度計包括光電探頭、與光電探頭相連的處理模塊,所述光電探頭由順序相連的光電傳感器、余弦修正器組成。

9.  根據權利要求1所述的基于組合光譜的LED農業照明系統,其特征在于:所述的組合光譜數據庫是針對不同植物不同生長周期與光照環境的光譜及光輻射照度的相關性規律而得到最佳光照環境的光參數指標而建立的數據庫,通過組合光譜數據庫指導和調節LED植物生長燈的光輸出;同時通過與處理器相連的人機界面自行建立和修改組合光譜數據庫。

10.  一種基于組合光譜的LED農業照明方法,其特征在于,包含以下順序的步驟:
(1)針對植物某個生長階段,調用組合光譜數據庫的相應數據設定值通過光環境控制模塊智能調節LED植物生長燈的輸出光的包括光譜和光輻射照度兩方面的光參數指標,使得LED植物生長燈的輸出光符合該植物生長要求;
(2)在LED植物生長燈正常工作過程中,由光譜采集裝置和光輻射照度計對實際輸出光的光參數的實時監測并反饋給處理器,對實時采集的光參數與系統設定的光參數值進行匹配分析確保兩者偏差不超過預先設定的閾值K:若超過設定的閾值K,則通過光環境控制模塊微調LED植物生長燈的輸出光的光參數指標,從而實現對不同植物不同生長階段提供最符合生長要求且光譜可調的光照環境;
(3)當植物進入下一個生長階段時,按照步驟(1)調用組合光譜數據庫的相應數據設定值調節LED植物生長燈的輸出符合植物生長要求的輸出光,然 后執行步驟(2);
(4)反復執行步驟(1)、(2)、(3)直至植物完成生長全階段,植物生長完成后自動停止運行照明系統,并跳出植物生長完成提示窗來提醒工作人員。

說明書

說明書一種基于組合光譜的LED農業照明系統及方法
技術領域
本發明涉及自動化控制及現代化農業照明研究領域,特別涉及一種基于組合光譜的LED農業照明系統及方法。
背景技術
我國基于現代化農業發展需求和促使我國從農業大國向農業強國轉變的目標,農業照明現代化是農業現代化主要內容之一。近幾年在我國大力推動半導體照明應用推廣的同時,各級政府、科研院校、農產品生產企業、LED企業也開始關注LED農業照明技術發展趨勢和應用推廣潛力,開始進行包括LED農業照明技術研究、LED植物生長燈具設計開發、LED農業照明應用示范推廣的工作,積累了一定的研究開發經驗并獲得相關的科研成果和較好的示范效果。
首先,在農業照明領域,相比傳統光源,LED光源優勢更突出體現在:1)利用LED可調可控的特點,集中有效波長照射使生物能效高。2)LED是冷光源,可以近距離照射,可大大提高植物栽培密度。3)LED農業照明應用產生的節能效果顯著。不難看出,從LED光源本身特點或者植物生長光照需求,與傳統光源相比,在農業照明領域,LED光源是目前最具有應用潛力的綠色光源,具有廣闊的應用前景。
然而,綜觀全國在LED農業照明領域的研究集中在植物生長燈開發或者只針對某種植物生長方面照明研究,而同時包括半導體照明技術與農業生長學科的交叉研究還相對缺乏,而這恰恰是LED農業照明應用及植物生長相關性規律研究的重點內容。
因此,有必要提供一種新的農業照明系統來滿足人們的需求。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足,提供一種基于組合光譜的LED農業照明系統,整合光生物信息技術、LED智能照明、光電傳感測控和計算機軟件多種技術,開發一套集光譜組合及智能調節、光環境在線監測記錄并實時反饋及聯動調節、人為建立或修改光譜數據庫等功能的LED智能化農業照明系統。
本發明的另一目的在于提供一種基于組合光譜的LED農業照明方法。
本發明的目的通過以下的技術方案實現:
一種基于組合光譜的LED農業照明系統,包括LED植物生長燈、光環境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數據庫和處理器,所述的處理器分別與光環境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數據庫相連,所述的光環境控制模塊與LED植物生長燈相連。
所述的LED植物生長燈包括LED芯片級光源組合,以及驅動LED芯片級光源組合的驅動電路;所述的LED芯片級光源組合是由藍光(420~500nm)、紅光(610~720)、近紅外光(720~1000nm)的LED芯片級光源按照10:1:0、10:1:1、10:1:2、10:2:1、10:3:0、10:3:1、10:3:2、9:1:0、9:1:1、9:1:2、9:2:0、9:2:1、9:2:2、9:3:0、9:3:1、9:3:2、8:1:0、8:1:1、8:1:2、8:2:1、8:3:0、8:3:1、8:3:2、7:1:0、7:1:1、7:1:2、7:2:0、7:2:1、7:2:2、7:3:0、7:3:1、7:3:2、6:1:0、6:1:1、6:1:2、6:2:1、6:3:1、6:3:2、5:1:0、5:1:1、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2、5:3:0、5:3:1、5:3:2、4:1:0、4:1:1、4:1:2、4:2:1、4:3:0、4:3:1、4:3:2、3:1:0、3:1:1、3:1:2、3:2:0、3:2:1、3:2:2、3:3:1、3:3:2、2:1:0、2:1:1、2:1:2、2:2:1、2:3:0、2:3:1、2:3:2、1:1:0、1:1:1、1:1:2、1:2:0、1:2:1、1:2:2、1:3:0、1:3:1、1:3:2配比組成;所述的驅動電路采用PWM(脈沖寬度調制)恒流驅動技術、可控硅調光技術、DMX512調光技術對每個LED芯片級光源進行0-100級恒流調光。本發明的LED植物生長燈使得LED植物生長燈可輸出不同組合光譜并確保在植物生長照射面的照明值符合設定,同時確保輸出光譜與設定光譜、照射面輻射照度值與設定輻射照度值的誤差均控制在設定的閾值K以內。
所述的LED植物生長燈還包括散熱結構,散熱結構采用鋁基板,LED芯片組光源的基底固定在鋁基板上。
所述的基底和鋁基板表面涂上導熱硅膠。導熱硅膠提升導熱效果,進一步提升散熱結構的散熱效果。
所述的光環境控制模塊通過有線通信(電力載波通信方式、RS485總線通信方式、CAN總線通信方式、基于TCP/IP協議的網絡通信方式)或無線通信(zigbee通信方式、WIFI通信方式、藍牙通信方式、BLE通信方式)對多盞LED 植物生長燈輸出光的光譜(光質)、光輻射照度(光密度)和光周期進行遠程控制和調節。
所述的光譜采集裝置包括光譜儀,以及與光譜儀連接的導光光纖,所述的的光譜儀采用便攜式的陣列CCD探測器光譜儀,所述的導光光纖的輸入端對著LED植物生長燈發光面,導光光纖的輸出端連接到光譜儀的接收光口,LED植物生長燈的輸出光是通過導光光纖進入光譜儀從而實現光譜采集。便攜式的陣列CCD探測器光譜儀實現對可見光譜380nm~780nm及近紅外光譜780nm~900nm的毫秒級快速精確采集。
所述的光輻射照度計采用數字式光輻射照度計,光輻射照度計包括光電探頭、與光電探頭相連的處理模塊,所述光電探頭由順序相連的光電傳感器、余弦修正器組成。其中光電傳感器是一種光電器件,利用光電轉換即將光信號轉換成電信號的原理,并通過放大電路及濾波電路對電信進行放大濾波處理,實現光輻射照度的采集;余弦修正器是用來校正光電傳感器的角度響應特性不符合余弦特性。
所述的組合光譜數據庫是針對不同植物不同生長周期與光照環境的光譜及光輻射照度的相關性規律而得到最佳光照環境的光參數指標而建立的數據庫,通過組合光譜數據庫指導和調節LED植物生長燈的光輸出;同時通過與處理器相連的人機界面自行建立和修改組合光譜數據庫。
本發明的另一目的通過以下的技術方案實現:
一種基于組合光譜的LED農業照明方法,包含以下順序的步驟:
(1)針對植物某個生長階段,調用組合光譜數據庫的相應數據設定值通過光環境控制模塊智能調節LED植物生長燈的輸出光的包括光譜和光輻射照度兩方面的光參數指標,使得LED植物生長燈的輸出光符合該植物生長要求;
(2)在LED植物生長燈正常工作過程中,由光譜采集裝置和光輻射照度計對實際輸出光的光參數的實時監測并反饋給處理器,對實時采集的光參數與系統設定的光參數值進行匹配分析確保兩者偏差不超過設定的閾值K:若超過設定的閾值K,則通過光環境控制模塊微調LED植物生長燈的輸出光的光參數指標,從而實現對不同植物不同生長階段提供最符合生長要求且光譜可調的光 照環境;
(3)當植物進入下一個生長階段時,按照步驟(1)調用組合光譜數據庫的相應數據設定值調節LED植物生長燈的輸出符合植物生長要求的輸出光,然后執行步驟(2);
(4)反復執行步驟(1)、(2)、(3)直至植物完成生長全階段,植物生長完成后自動停止運行照明系統,并跳出植物生長完成提示窗來提醒工作人員。
所述的設定的閾值K可根據實踐經驗而人為設定。
本發明與現有技術相比,具有如下優點和有益效果:
1、本發明所述的基于組合光譜的LED農業照明系統是利用光譜儀和光輻射照度計實時監測LED植物生長燈輸出光的光譜和植物接收光面的光輻射照度,將光環境實際監測數據反饋到回系統軟件并與設定的組合光譜進行差異匹配分析并對LED植物生長燈的輸出光進行微調,實現組合光譜和光輻射照度的聯動調節,確保LED植物生長燈的輸出光的光譜和光輻射照度值與系統設定值不會超過閾值K的偏差。
2、本發明基于LED的PWM、可控硅、DMX512調光技術與多種顏色的LED芯片級光源按照不同配比組合相結合的方式,實現更靈活更多種的組合光譜,也使本照明系統的適用范圍更廣和通用性更好。
3、本發明利用光譜儀和光輻射照度計實時監測照明系統的輸出光的光參數并反饋給系統進行差異匹配分析后再對輸出光進行微調,實現組合光譜和光輻射照度的聯動調節功能。
4、本發明基于現代化農業照明發展需求,結合植物室內栽培實際照明需求,利用LED組合光譜對植物生長的影響相關性規律及研究成果,開發一套適合多種植物生長并具有光譜組合、智能控制和實時監測的光照系統,為不同植物不同生長周期提供最佳光譜的照明光環境,提高生長效率并達到節能環保的效果。
附圖說明
圖1為本發明所述的一種基于組合光譜的LED農業照明系統的結構示意框圖。
圖2為圖1所述LED農業照明系統的LED植物生長燈的裝配圖。
圖3為圖2所示LED植物生長燈的驅動電路設計圖。
圖4為本發明所述的一種基于組合光譜的LED農業照明方法的工作流程圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述,但本發明的實施方式不限于此。
如圖1所示,基于組合光譜的LED農業照明系統由LED植物生長燈、光環境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數據庫、系統軟件和計算機組成,該系統整合光生物信息技術、LED智能照明、光電傳感測控和計算機軟件多種技術,開發一套集光譜組合及智能調節、光環境在線監測記錄并實時反饋及聯動調節、人為建立或修改光譜數據庫等功能的智能化LED植物補光照明系統。
如圖1所示,光譜采集裝置由光譜儀和導光光纖組成,光譜儀通過導光光纖對LED植物生長燈進行光譜采集并實時傳輸至計算機由系統軟件進行匹配分析處理。光輻射照度計由光電探頭和主機組成,通過光輻射照度計采集LED植物生長燈的輸出光在植物照射面的照度值并實時傳輸至計算機由系統軟件進行匹配分析處理。組合光譜數據庫是針對不同植物不同生長周期與光照環境的光譜及光輻射照度的相關性規律而得到最佳光照環境的光參數指標而建立的數據庫,通過組合光譜數據庫指導和調節LED植物生長燈的光輸出,同時有使用者還可通過系統軟件人機界面自行建立和修改組合光譜數據庫,于是本系統也是LED農業照明科學工作者進行本領域科學研究的極佳工具。
如圖2所示,LED植物生長燈由LED芯片級光源組合、驅動電路和散熱結構組成。LED芯片級光源組合是由分別為藍光(420~500nm)、紅光(610~720nm)和近紅外光(720~1000nm)的LED芯片級光源按照一定配比組成,配比為下列比例中的一種:10:1:0、10:1:1、10:1:2、10:2:1、10:3:0、10:3:1、10:3:2、9:1:0、9:1:1、9:1:2、9:2:0、9:2:1、9:2:2、9:3:0、9:3:1、9:3:2、8:1:0、8:1:1、8:1:2、8:2:1、8:3:0、8:3:1、8:3:2、7:1:0、7:1:1、7:1:2、7:2:0、7:2:1、7:2:2、7:3:0、7:3:1、7:3:2、6:1:0、6:1:1、6:1:2、6:2:1、6:3:1、6:3:2、5:1:0、5:1:1、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2、5:3:0、5:3:1、5:3:2、4:1:0、4:1:1、4:1:2、4:2:1、4:3:0、4:3:1、4:3:2、3:1:0、3:1:1、3:1:2、3:2:0、3:2:1、3:2:2、3:3:1、3:3:2、2:1:0、2:1:1、2:1:2、2:2:1、2:3:0、2:3:1、 2:3:2、1:1:0、1:1:1、1:1:2、1:2:0、1:2:1、1:2:2、1:3:0、1:3:1、1:3:2。由驅動電路通過恒流驅動LED芯片級光源正常工作,同時采用PWM(脈沖寬度調制)恒流調光控制技術對各種顏色系列的LED芯片級光源光進行0-100級恒流調光,從而實現可調的組合光譜輸出。散熱結構采用鋁基板,LED芯片組光源的基底固定在鋁基板上,基底和鋁基板表面還涂上導熱硅膠提升導熱效果。
圖2中,標號1為面蓋、2為透鏡、3為LED芯片級光源所在的電路板、4為散熱器(即燈殼)、5為驅動電路及控制電路、6為供電線、7為控制線。
如圖3所示,LED植物生長燈的驅動電路采用3通道的PWM、可控硅、DMX512恒流輸出設計分別調控包括藍光(420~500nm)、紅光(610~720nm)和近紅外光(720~1000nm)這三種顏色的LED芯片級光源的輸出光,使得LED植物生長燈可輸出不同組合光譜的輸出光并確保在植物生長照射面的照明值符合設定要求。
如圖4所示,LED農業照明系統的工作流程是:
1)針對植物某個生長階段,由系統軟件調用組合光譜數據庫的相應數據設定值通過光環境控制模塊智能調節LED植物生長燈的輸出光的包括光譜和光輻射照度兩方面的光參數指標,使得LED植物生長燈的輸出光符合該植物生長要求
2)在LED植物生長燈正常工作過程中,由光譜采集裝置和光輻射照度計對實際輸出光的光參數的實時監測并反饋給計算機,通過系統軟件對實時采集的光參數與系統設定的光參數值進行匹配分析確保兩者偏差不超過預先設定閾值K的允許范圍,若超過允許偏差范圍即通過光環境控制模塊微調LED植物生長燈的輸出光的光參數指標,從而實現對不同植物不同生長階段提供最符合生長要求且光譜可調的光照環境。
3)當植物進入下一個生長階段時,系統會自動按照以上步驟1)調用組合光譜數據庫的相應數據設定值調節LED植物生長燈的輸出符合植物生長要求的輸出光,同時也按照以上步驟2)實時監控輸出光的光參數指標與設定值偏差不超過預先設定的閾值K的允許范圍。
4)LED農業照明系統反復執行以上步驟1)至3)直至植物完成生長全階段,系統將會自動停止運行照明系統,并跳出植物生長完成提示窗來提醒工作 人員。
所述的設定的閾值K為8%。
上述實施例為本發明較佳的實施方式,但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制,其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應為等效的置換方式,都包含在本發明的保護范圍之內。

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一種 基于 組合 光譜 LED 農業 照明 系統 方法
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