本實用新型涉及LED燈具在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及到一種用LED進(jìn)行植物生長照明的智能控制裝置。

背景技術(shù)：

人類的生命活動離不開綠色植物，植物的生命活動離不開光照。植物通過光合作用將太陽能以有機能量的形式固定在植物體內(nèi)，所以光環(huán)境對設(shè)施栽培的重要性處在首位。而在如今，環(huán)境污染，特別是霧霾的日益顯現(xiàn)，使得植物生長面臨光照時間和光質(zhì)下降的嚴(yán)峻形勢。

溫室種植為蔬菜提供了優(yōu)異的生長環(huán)境，對其產(chǎn)量提升提供了一種新途徑。而將LED燈應(yīng)用于植物照明補償，則為蔬菜提供了精細(xì)而健康的光環(huán)境，擺脫復(fù)雜的室外環(huán)境因素，針對且系統(tǒng)的滿足植物的生長需求，用最少的能量消耗達(dá)到最大植物生長要求，對蔬菜質(zhì)量的提升提供了一種新可能。

光合作用的公式：二氧化碳+水——有機物(儲存能量)+氧氣。

可見光合作用的原料是二氧化碳和水，條件是光，場所是葉綠體，產(chǎn)物是有機物淀粉和氧氣，影響光合作用的因素是光照強度、溫度、濕度、二氧化碳的濃度等，因此不能單一注重某一方面的生長因素。

植物中葉綠素a、b吸收光譜峰值分別為660nm、450nm。LED為單色光，能滿足植物生長所需的單色光光譜，與葉綠素吸收光譜峰值能達(dá)到完全吻合，可大幅度提升光源的植物生理效用，促進(jìn)植物高效生長，提高植物對光能的利用效率，降低能耗。

PWM(脈沖寬度)調(diào)光技術(shù)被認(rèn)為最適合LED的調(diào)光技術(shù)。在進(jìn)行脈沖寬度PWM調(diào)光時，通過控制脈沖寬度占空比，來調(diào)制LED驅(qū)動芯片的開關(guān)控制信號。LED的快速開關(guān)特性使PWM調(diào)光成為可能。這種調(diào)光技術(shù)具有應(yīng)用簡單、精度高、效率高、且調(diào)光效果好等優(yōu)點。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代溫室邁入了信息化、智能化的時代，為植物光照明應(yīng)用于植物產(chǎn)量和質(zhì)量的提升提供了一種可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種節(jié)能高效、用LED單色光實現(xiàn)對植物生長光環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)補光、輔以對環(huán)境中二氧化碳、溫度、濕度的檢測調(diào)控，實現(xiàn)多維度的植物生長環(huán)境調(diào)控的智能控制裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所提供的技術(shù)方案為：包括信號處理單元、LED光源模塊、環(huán)境因素監(jiān)測單元以及環(huán)境因素調(diào)控單元；

環(huán)境因素監(jiān)測單元，監(jiān)測植物生長環(huán)境中各種因素；

信號處理單元，根據(jù)環(huán)境因素監(jiān)測單元實時反饋的數(shù)據(jù)信息，調(diào)用數(shù)據(jù)庫比對，改變LED光源模塊和環(huán)境因素調(diào)控單元指數(shù)特征，達(dá)到對植物生長環(huán)境的實時調(diào)控；

LED光源模塊，包括有LED紅光模塊和LED藍(lán)光模塊；

環(huán)境因素調(diào)控單元，根據(jù)信號處理單元發(fā)出的指令信息調(diào)控環(huán)境中各種因素，從而達(dá)到植物生長所需的最佳環(huán)境；

其中，LED光源模塊還包括有LED綠光模塊、LED紅外模塊以及LED紫外模塊；

LED綠光模塊，調(diào)控綠光LED燈珠亮度，促進(jìn)植物的長勢，植物葉片著色方面尤其顯著，有助于植物生長；

LED紅外模塊，作用于植物開花結(jié)果階段，調(diào)節(jié)植物周圍環(huán)境的溫度；

LED紫外模塊，作用于植物開花結(jié)果階段，具有殺菌消毒的作用。

進(jìn)一步地，所述環(huán)境因素監(jiān)測單元包括CO₂監(jiān)測單元，光質(zhì)監(jiān)測單元，溫度監(jiān)測單元以及濕度監(jiān)測單元。

進(jìn)一步地，所述環(huán)境因素調(diào)控單元包括CO₂調(diào)控單元、溫度調(diào)控單元以及濕度調(diào)控單元。

進(jìn)一步地，所述LED紅光模塊、LED藍(lán)光模塊、LED綠光模塊的峰值波長分別為650nm-670nm、440nm-460nm、510nm-530nm，相對光譜分布比例為32:4:9；LED紅外、紫外模塊的峰值波長分別為330nm-400nm，750nm-950nm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案具有以下優(yōu)點及有益效果：

1)相比于傳統(tǒng)的熒光燈和高壓鈉燈等連續(xù)復(fù)合光譜的補光光源，本方案根據(jù)植物生長自身需要的實際情況，結(jié)合PWM調(diào)控技術(shù)，對紅藍(lán)綠等光比進(jìn)行調(diào)控，避免部分光譜浪費，達(dá)到較高的補光效率，更節(jié)能。

2)在植物光合作用所需紅藍(lán)光線的基礎(chǔ)上添加綠光線、紫外光線以及紅外光線；綠光有助于促進(jìn)植物的長勢，植物葉片著色方面尤其顯著；紅外光線調(diào)節(jié)植物周圍環(huán)境的溫度；紫外光線具有殺菌消毒的作用。

3)在提供所需光線的前提下，輔以二氧化碳、水、溫度，三個重要元素，全方位、多維度保障植物所需的生長條件。

4)監(jiān)測到調(diào)控全程智能化操作，大大減少人力的消耗。

附圖說明

圖1為本實用新型的功能模塊示意圖；

圖2為本實用新型中占空比與光照強度的關(guān)系圖；

圖3為四組試驗中各自不同光照條件設(shè)置示意圖；

圖4為本實用新型中PWM調(diào)節(jié)流程示意圖；

圖5為四種試驗生菜的長勢情況示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明：

參見附圖1所示，本實施例所述的用LED進(jìn)行植物生長照明的智能控制裝置,包括信號處理單元1、LED光源模塊2、環(huán)境因素監(jiān)測單元3以及環(huán)境因素調(diào)控單元4。

LED光源模塊2包括LED紅光模塊2-1、LED藍(lán)光模塊2-2、LED綠光模塊2-3、LED紅外模塊2-4以及LED紫外模塊2-5；其中，LED紅光模塊2-1、LED藍(lán)光模塊2-2、LED綠光模塊2-3的峰值波長分別為650nm-670nm、440nm-460nm、510nm-530nm，光質(zhì)比例應(yīng)為32:4:9；LED紅外、紫外模塊2-4、2-5的峰值波長分別為330nm-400nm，750nm-950nm；而LED紅外模塊2-4、LED紫外模塊2-5主要作用在植物生長的必要階段，如植物開花結(jié)果階段，用于果實著色和提升維生素C含量方面；另外利用LED紅外模塊2-4紅外的熱作用，調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境的溫度；利用LED紫外模塊2-5消毒作用達(dá)到殺菌目的。

環(huán)境監(jiān)測單元3包括CO₂監(jiān)測單元3-1、光質(zhì)監(jiān)測單元3-2、溫度監(jiān)測單元3-3、濕度監(jiān)測單元3-4，分別實現(xiàn)對植物生長環(huán)境的CO₂濃度、光質(zhì)情況、溫度、濕度進(jìn)行傳感和監(jiān)測，從而將實時數(shù)據(jù)傳輸給信號處理單元1。

信號處理單元1接收到環(huán)境監(jiān)測單元3的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)植物生長所需的實際情況和需求，向環(huán)境因素調(diào)控單元4發(fā)送指令。最主要的，通過PWM脈寬調(diào)變技術(shù)，調(diào)整LED光源模塊2的供電電流的頻率、大小和占空比，實時對紅藍(lán)等光質(zhì)比進(jìn)行調(diào)控。

對于LED紅光模塊2-1、LED藍(lán)光模塊2-2、LED綠光模塊2-3，PWM調(diào)控實現(xiàn)無相位差、占空比不大于50％、頻率范圍2kHz-5kHz的功率供電。在三者相對光譜分布為32:4:9的前提下，植物接收到的平均光量子通量密度應(yīng)控制在不小于20μmolm^-2s^-1。當(dāng)實際光量子通量密度低于設(shè)定值，提高PWM調(diào)光占空比可以提高LED的亮度，當(dāng)實際光量子通量密度高于設(shè)定值，降低PWM調(diào)光占空比可以降低LED的亮度，從而調(diào)整植物接受到的光量子通量密度和紅、藍(lán)、綠相對光譜分布，促進(jìn)植株光合作用的穩(wěn)定需求。

對于LED紅外模塊2-4、LED紫外模塊2-5，在開花、結(jié)果等特定照射動作需求階段，實現(xiàn)無相位差、占空比介于20％-50％、頻率為2kHz-5kHz的功率供電。通過PWM調(diào)控技術(shù)改變占空比大小，從而調(diào)整LED亮度，進(jìn)而調(diào)整植物接收到的光量子通量密度，促進(jìn)花朵和果實的質(zhì)量。

環(huán)境因素調(diào)控單元4接收到信號處理單元1的指令信息，CO₂調(diào)控單元4-1將CO₂濃度維持在實際植物生長所需CO₂濃度飽和點，溫度調(diào)控單元4-2將溫度維持在20℃-25℃，濕度調(diào)控單元4-3將相對濕度維持在50％-80％。

基于上述整體實施策略方式，將一種用LED進(jìn)行植物生長照明的智能控制裝置應(yīng)用至生菜的培育研究，具體闡述PWM脈沖調(diào)變LED光源的應(yīng)用過程。

如圖2所示，脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光是通過在單位時間內(nèi)反復(fù)的接通和關(guān)斷LED正向電流實現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)的調(diào)光方式，占空比D表示了一個周期時間內(nèi)接通時間ton占一個周期T的比例，即D＝ton/T,其中周期T＝ton+toff。通過控制占空比D的大小，來控制LED的亮度。具體實現(xiàn)關(guān)系是，I(電流)＝D·Imax。因此，生菜培育生長階段對光的需求不同，可以通過調(diào)整占空比來調(diào)整LED光強度，進(jìn)而使得葉面光合作用所接受到的光量子流密度呈現(xiàn)相應(yīng)的變化規(guī)律。

快生菜在應(yīng)對廣大居民對蔬菜需求時提供了一個很可靠的滿足途徑。快生菜主要是指葉類蔬菜，生長周期一般為20-40天。在試驗階段，我們采取四組生菜，每組50棵，作為我們的研究對象。

在進(jìn)行土壤適應(yīng)之后，四組生菜進(jìn)行分區(qū)域處理試驗。四個植物生長單元的LED照明單元，置于與葉面2米的高度。每組燈具的最大輻射照度設(shè)置為150W/㎡，每天照射時長設(shè)置為16h。其中，紅、藍(lán)、綠三者的光質(zhì)比例均設(shè)置為32:4:9。

如圖3所示，為四組試驗的光照條件設(shè)置。第一組為PWM模式，紅、藍(lán)、綠光學(xué)模塊同時供電，應(yīng)用頻率設(shè)置為5kHz，各波長的相位差為0°；第二組為PWM模式，紅、藍(lán)、綠光學(xué)模塊同時供電，應(yīng)用頻率設(shè)置為1kHz，各波長的相位差為0°；第三組PWM模式，紅、藍(lán)、綠光學(xué)模塊應(yīng)用頻率設(shè)置為5kHz，各波長的相位差為120°；第四組為連續(xù)供電的固定模式。每組工作模式下到達(dá)生菜葉面的平均光量子通量密度均為20μmolm^-2s^-1。

如圖4所示，為本系統(tǒng)的PWM調(diào)節(jié)流程示意圖。系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化，然后與各功能模塊進(jìn)行連接測試。判斷系統(tǒng)正常后，環(huán)境監(jiān)測單元3進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集并存儲在存儲器中用以調(diào)用。系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)情況設(shè)定光照參考值。當(dāng)實際光照強度大于光照設(shè)定值，PWM調(diào)節(jié)減小占空比；當(dāng)實際光照強度小于光照設(shè)定值，PWM調(diào)節(jié)增加占空比。以此，達(dá)到光線穩(wěn)定照射情況。

如圖5所示，為判斷試驗生菜的長勢情況，從樣品成熟的時長(天)、成熟葉片表面單位面積(㎜²)的氣孔數(shù)量和葉綠體數(shù)量三個方面進(jìn)行指標(biāo)測定。以連續(xù)光照的模式四作為對照組：模式一和模式二的成熟時長分別縮短了16％和7％左右，模式三的成熟時長卻延長了75％左右；在單位㎜²面積，模式一葉片的平均氣孔數(shù)量和葉綠體數(shù)量分別增長了22％和18％左右，模式二葉片的平均氣孔數(shù)量和葉綠體數(shù)量分別增長了12％和6.5％左右，模式三葉片的平均氣孔數(shù)量和葉綠體數(shù)量分別下降了38％和33％左右。從葉片的外觀上看，模式一作用下的生菜葉面更加翠綠，模式二次之，其次是模式四連續(xù)光照情況下的，情況最差的是模式三下的生菜長勢。

由此可見，適宜的脈寬調(diào)光PWM模式應(yīng)用于植物照明的智能控制系統(tǒng)，對植物生長有一定積極的促進(jìn)作用。

以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，并非以此限制本實用新型的實施范圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍內(nèi)。