專利名稱：一種植物智能補(bǔ)光的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化領(lǐng)域，涉及對植物生長過程的人工控制，具體涉及一種植 物智能補(bǔ)光的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工補(bǔ)光技術(shù)被提出并得到廣泛研究與利用。在以往的植 物補(bǔ)光系統(tǒng)中，補(bǔ)光光源主要有白熾燈、鹵鎢燈、高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈等，這些光源應(yīng) 用在植物補(bǔ)光中存在著光譜匹配不理想的缺陷，光源發(fā)射白光光譜或線狀譜線，其能夠被 植物吸收的只是個(gè)別波段的光，其他波段的光則都被浪費(fèi)，不節(jié)能；另外，這些光源產(chǎn)生熱 量較大，不能近距離照射植物，光能利用率低。已有針對植物的LED補(bǔ)光燈熱量較低，能夠發(fā)有效生理輻射能波段范圍光譜匹配 較好的光波。但在有效生理輻射能波段內(nèi)，植物對光的吸收能力隨波長的不同存在較大差 異，現(xiàn)有LED補(bǔ)光燈波長范圍較廣，并未考慮系統(tǒng)所發(fā)出光能利用效率的問題。同時(shí)研究發(fā) 現(xiàn)不同植物不同階段對紅藍(lán)兩類光的需要量和比例存在明顯差異，已得到越來越多植物分 階段適宜溫度以及分波段需光亮的閾值信息，但現(xiàn)有系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)檢測方法，并未基于 此采用分波段光強(qiáng)檢測和溫度檢測，因此系統(tǒng)補(bǔ)光也未實(shí)現(xiàn)按需精確定量補(bǔ)光，造成補(bǔ)光 不足和補(bǔ)光過剩這對矛盾并存，同時(shí)影響植物生長和光能利用效率。采用植物補(bǔ)光系統(tǒng)采 用人工手動(dòng)補(bǔ)光、自動(dòng)定時(shí)補(bǔ)光、以及自動(dòng)監(jiān)控補(bǔ)光三種模式。其中前兩種方式使用方便， 但由于人為經(jīng)驗(yàn)和外界環(huán)境的影響，系統(tǒng)靈活性差和補(bǔ)光效果相差很大。第三種模式采用 了自動(dòng)檢測自動(dòng)補(bǔ)光的模式，但由于現(xiàn)有系統(tǒng)均采用固定紅藍(lán)光光強(qiáng)和光強(qiáng)比的方式，未 考慮不同植物在不同階段所需紅藍(lán)光比值的差異，系統(tǒng)補(bǔ)光的精確性仍存在一定問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種植物智能補(bǔ)光的方法 和設(shè)備，其根據(jù)植物不同階段生長的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對各類植物按需分波長定量補(bǔ)光，在滿足其 生長所需前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，減少無效能量消耗。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種植物智能補(bǔ)光的方法，包括以下步驟，第一步，根據(jù)植物的各個(gè)生長階段中對紅藍(lán)光的需求量，設(shè)置紅、藍(lán)光閾值；第二步，檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)，通過其與相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值比較判斷， 如果環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)小于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值，則判斷為需要相應(yīng)補(bǔ)光，且需補(bǔ)光量為所 設(shè)紅、藍(lán)光閾值與相應(yīng)環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)的差，如果環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)大于或者等于所設(shè)相應(yīng)紅、 藍(lán)光閾值，則判斷為無需補(bǔ)光；第三步，如需補(bǔ)光，則根據(jù)需補(bǔ)光量，應(yīng)用相應(yīng)補(bǔ)光燈組亮度和驅(qū)動(dòng)電流線性關(guān)系 曲線，計(jì)算相應(yīng)補(bǔ)光燈組的輸入電流，再根據(jù)PWM占空比和輸出電流關(guān)系曲線，計(jì)算出PWM 占空比，然后由單片機(jī)調(diào)整PWM占空比，從而精確控制補(bǔ)光燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)按需智能精確補(bǔ)光，如不需補(bǔ)光，則直接關(guān)斷補(bǔ)光燈組或使補(bǔ)光燈組繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)，補(bǔ)光程序結(jié)束。在所述第一步設(shè)置紅、藍(lán)光閾值的同時(shí)，還根據(jù)植物的各個(gè)生長階段中光合作用 的適宜溫度范圍設(shè)置溫度閾值，在所述第二步檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)之前，先檢 測植物生長的環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍內(nèi)，則執(zhí)行所述第二步和第三 步，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍外，則直接關(guān)斷補(bǔ)光燈組或使補(bǔ)光燈組繼續(xù)保持關(guān) 斷狀態(tài)，補(bǔ)光程序結(jié)束。所述的補(bǔ)光燈組為LED陣列，采用包含植物紅光吸收峰且半波帶范圍小的LED組 成的紅光LED陣列和包含藍(lán)光吸收峰且半波帶范圍小的LED組成的藍(lán)光LED陣列。為實(shí)現(xiàn)所述的一種植物智能補(bǔ)光的方法，提出一種植物智能補(bǔ)光的設(shè)備，包括，檢測模塊，實(shí)現(xiàn)光照檢測和溫度檢測；控制模塊，根據(jù)檢測模塊采集到的數(shù)據(jù)，分別與設(shè)備所設(shè)溫度閾值以及紅、藍(lán)光 強(qiáng)閾值比較，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍外，則直接關(guān)斷補(bǔ)光燈組或使補(bǔ)光燈組繼 續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍內(nèi)，則檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光 強(qiáng)，通過其與相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值比較判斷，如果環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)大于或者等于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán) 光閾值，則判斷為無需補(bǔ)光，如果環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)小于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值，則判斷為需要 相應(yīng)補(bǔ)光，且需補(bǔ)光量為所設(shè)紅、藍(lán)光閾值與相應(yīng)環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)的差，則根據(jù)需補(bǔ)光量，應(yīng) 用相應(yīng)補(bǔ)光燈組亮度和驅(qū)動(dòng)電流線性關(guān)系曲線，計(jì)算相應(yīng)補(bǔ)光燈組的輸入電流，再根據(jù)PWM 占空比和輸出電流關(guān)系曲線，計(jì)算出PWM占空比，然后由單片機(jī)調(diào)整PWM占空比，從而精確 控制補(bǔ)光燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)按需智能精確補(bǔ)光；補(bǔ)光模塊，包括紅光補(bǔ)光模塊和藍(lán)光補(bǔ)光模塊，紅光補(bǔ)光模塊由紅光補(bǔ)光燈組及 其驅(qū)動(dòng)電路組成，藍(lán)光補(bǔ)光模塊由藍(lán)光補(bǔ)光燈組及其驅(qū)動(dòng)電路組成，根據(jù)紅、藍(lán)補(bǔ)光燈組輸 出光強(qiáng)和輸入電流的關(guān)系，控制模塊輸出的不同占空比PWM信號接入相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的控制 端，驅(qū)動(dòng)電路的輸出接相應(yīng)的補(bǔ)光燈組，從而實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)的控制；用戶交互模塊，由顯示屏和輸入鍵盤組成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測顯示、用戶分階段環(huán)境閾 值修改、系統(tǒng)補(bǔ)光量查詢和系統(tǒng)供電情況顯示。還包括電源模塊，電源模塊利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中， 為各模塊提供能源。所述的補(bǔ)光燈組為LED陣列，選用紅LED燈發(fā)出中心波長為650nm的紅光，藍(lán)LED 燈發(fā)出中心波長為450nm藍(lán)光，且紅、藍(lán)光LED燈的波長寬度均小于等于30nm，所述驅(qū)動(dòng)電 路采用PT4115為核心驅(qū)動(dòng)芯片。所述檢測模塊采用兩路硅光電池分別在紅光波段600-700nm和藍(lán)光波段 400-500nm，周期性檢測紅、藍(lán)光光強(qiáng)，同時(shí)采用DS18B20溫度傳感器采集當(dāng)前溫度。所述控制模塊為單片機(jī)STC12C5A60S2。 所述LED陣列中，紅光LED與藍(lán)光LED均勻混合分布，其中紅補(bǔ)光燈組能輸出的最 大光強(qiáng)為藍(lán)補(bǔ)光燈組的5-10倍。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)根據(jù)植物不同階段生長的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對植物按需分波長定量補(bǔ)光。2)加入溫度檢測，避免在不適宜的溫度下盲目補(bǔ)光，有效節(jié)省了能源。3)利用太陽能，無需外加電源，環(huán)保低碳。
4)植物的光吸收率高。5)光能利用率高，能耗低。


圖1是植物環(huán)境光強(qiáng)、需補(bǔ)光量、PWM占空比、驅(qū)動(dòng)電流、補(bǔ)光燈亮度關(guān)系示意圖。圖2是本發(fā)明智能補(bǔ)光方法的流程圖。圖3是本發(fā)明的軟件流程圖。圖4是本發(fā)明智能補(bǔ)光設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的檢測模塊電路框圖。圖6是本發(fā)明的補(bǔ)光模塊電路框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本實(shí)施例中，補(bǔ)光燈組統(tǒng)一選取LED陣列，其價(jià)格低廉，驅(qū)動(dòng)電流小。本發(fā)明中需補(bǔ)光量為LED燈組實(shí)際發(fā)光亮度，系統(tǒng)通過LED燈組亮度與LED燈 電流的線性正比關(guān)系確定所需電流，需補(bǔ)光量越大則系統(tǒng)輸出的LED驅(qū)動(dòng)電流越大，同時(shí) 基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號占空比和驅(qū)動(dòng)電流的正比關(guān)系，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用單片機(jī)的PWM信 號占空比來定量控制LED驅(qū)動(dòng)電流，所需驅(qū)動(dòng)電流越大對應(yīng)的PWM占空比越高，占空比在 0% -100%之間變化，即系統(tǒng)實(shí)際補(bǔ)光量可根據(jù)需要在無補(bǔ)光到每組燈的最大可輸出光強(qiáng) 間變化。植物環(huán)境光強(qiáng)、需補(bǔ)光量、PWM占空比、驅(qū)動(dòng)電流、補(bǔ)光燈亮度關(guān)系示意如圖1所 示，需補(bǔ)光量與補(bǔ)光燈亮度成正比，補(bǔ)光燈亮度與驅(qū)動(dòng)電流成正比，驅(qū)動(dòng)電流與PWM占空比 成正比，植物環(huán)境光強(qiáng)和需補(bǔ)光量之和為設(shè)定光強(qiáng)閾值。可以看出，在設(shè)定相同閾值條件下，植物環(huán)境光強(qiáng)越強(qiáng)，需補(bǔ)光量越低，則單片機(jī) 輸出亮度控制PWM信號占空比越低；同時(shí)在相同環(huán)境光強(qiáng)條件下，設(shè)定光強(qiáng)閾值越高則需 補(bǔ)光量也隨之增大，與之對應(yīng)的占空比也依次增大。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)高于設(shè)定光強(qiáng)閾值的條件 下，PWM信號輸出占空比為0，補(bǔ)光燈組關(guān)斷，輸出補(bǔ)光量為零?？傮w來說本發(fā)明應(yīng)用了硅光電池電流與亮度的映射關(guān)系，分波段檢測環(huán)境亮度， 利用PWM控制信號占空比和驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流、LED電流與亮度之間的正比例映射關(guān)系，最 終實(shí)現(xiàn)根據(jù)閾值和實(shí)際光強(qiáng)按需動(dòng)態(tài)調(diào)整補(bǔ)光量。需要注意的是補(bǔ)光量的大小不僅與不同植物各階段的需光量和實(shí)際環(huán)境光強(qiáng)有 關(guān)，同時(shí)也與環(huán)境溫度有關(guān)。如圖2所示，根據(jù)植物的各個(gè)生長階段中對紅藍(lán)光的需求量，設(shè)置紅、藍(lán)光閾值； 檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)，通過其與相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值比較判斷，如果環(huán)境紅、藍(lán)光 強(qiáng)小于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值，則判斷為需要相應(yīng)補(bǔ)光，且需補(bǔ)光量為所設(shè)紅、藍(lán)光閾值與 相應(yīng)環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)的差，如果環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)大于或者等于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值，則判斷 為無需補(bǔ)光；如需補(bǔ)光，則根據(jù)需補(bǔ)光量，應(yīng)用相應(yīng)補(bǔ)光燈組亮度和驅(qū)動(dòng)電流線性關(guān)系曲 線，計(jì)算相應(yīng)補(bǔ)光燈組的輸入電流，再根據(jù)PWM占空比和輸出電流關(guān)系曲線，計(jì)算出PWM占 空比，然后由單片機(jī)調(diào)整PWM占空比，從而精確控制補(bǔ)光燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)按需智能精確補(bǔ) 光，如不需補(bǔ)光，則直接關(guān)斷補(bǔ)光燈組或使補(bǔ)光燈組繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)，補(bǔ)光程序結(jié)束。本實(shí)施例中，在設(shè)置紅、藍(lán)光閾值的同時(shí)，還根據(jù)植物的各個(gè)生長階段中光合作用的適宜溫度 范圍設(shè)置溫度閾值，在所述第二步檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)之前，先檢測植物生長 的環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍內(nèi)，則繼續(xù)檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光 強(qiáng)，通過其與相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值比較判斷，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍外，則直接關(guān) 斷補(bǔ)光燈組或使補(bǔ)光燈組繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)，補(bǔ)光程序結(jié)束。為進(jìn)一步闡明本發(fā)明的補(bǔ)光方法過程，結(jié)合圖3做具體說明，步驟100，系統(tǒng)完成開機(jī)判斷，如果完成系統(tǒng)初始化，則轉(zhuǎn)至步驟200 ；如果尚未完 成閾值設(shè)置和修改等系統(tǒng)初始化內(nèi)容，系統(tǒng)進(jìn)入初始化界面，用戶可根據(jù)作物生長的不同 周期光合作用的適宜溫度范圍和所需紅藍(lán)光最低值，設(shè)置溫度閾值和紅、藍(lán)兩波段光強(qiáng)的 閾值，完成本一系列工作后再轉(zhuǎn)至步驟200。步驟200，系統(tǒng)完成初始化設(shè)置后，應(yīng)用溫度傳感器測試實(shí)時(shí)環(huán)境溫度，并轉(zhuǎn)至步 驟 300。步驟300，根據(jù)初始化設(shè)定的溫度閾值范圍和步驟200采集得到的實(shí)時(shí)溫度，判斷 環(huán)境實(shí)時(shí)溫度是否在設(shè)定的預(yù)置范圍內(nèi)。如果在閾值范圍內(nèi)，則轉(zhuǎn)至步驟500，反之轉(zhuǎn)至步 驟 400。步驟400，當(dāng)檢測到的溫度超出閾值范圍，系統(tǒng)對全部補(bǔ)光燈組關(guān)斷；同時(shí)根據(jù) 紅、藍(lán)兩路光強(qiáng)，系統(tǒng)分別關(guān)斷光強(qiáng)超閾值的該路補(bǔ)光燈組。完成系統(tǒng)對應(yīng)補(bǔ)光燈組關(guān)斷 (即PWM輸出占空比為0)，轉(zhuǎn)入步驟1200。步驟500，當(dāng)環(huán)境溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)對紅藍(lán)兩個(gè)波段分別檢測紅光的光強(qiáng)和 藍(lán)光的光強(qiáng)，完成后轉(zhuǎn)至步驟600。步驟600，根據(jù)初始化分別設(shè)定的紅光閾值下限，以及步驟500采集得到的實(shí)時(shí)紅 光的光強(qiáng)，判斷紅光實(shí)時(shí)光強(qiáng)是否已達(dá)閾值。如果達(dá)到或超過閾值，則轉(zhuǎn)至步驟400，關(guān)閉紅 色補(bǔ)光燈組；如果檢測結(jié)果小于閾值，則轉(zhuǎn)至步驟700。步驟700，首先根據(jù)設(shè)定的環(huán)境紅光需光量和步驟500檢測的紅光光強(qiáng)求差值，計(jì) 算該條件下的紅光需補(bǔ)光量；接著應(yīng)用測得的紅光LED亮度和驅(qū)動(dòng)電流線性關(guān)系曲線，計(jì) 算完成按需補(bǔ)光每盞LED燈所需放出的光強(qiáng)和器驅(qū)動(dòng)電流；最后根據(jù)PT4115芯片中PWM信 號占空比正比于LED驅(qū)動(dòng)電流，測得PWM占空比和輸出電流的關(guān)系曲線，最終計(jì)算出按該光 強(qiáng)補(bǔ)光所需輸出的占空比。完成后轉(zhuǎn)至步驟800。步驟800，將單片機(jī)兩路PWM輸出口之一按步驟700計(jì)算得到的占空比輸出PWM信 號，并接入PT4115按需調(diào)整其輸出電流，最終控制紅光陣列輸出光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)紅光的按需補(bǔ) 光，完成后轉(zhuǎn)至步驟1200。步驟900，根據(jù)初始化分別設(shè)定的藍(lán)光閾值下限，以及步驟500采集得到的實(shí)時(shí)藍(lán) 光光強(qiáng)，判斷藍(lán)光實(shí)時(shí)光強(qiáng)是否已達(dá)閾值。如果達(dá)到或超過閾值，則轉(zhuǎn)至步驟400，關(guān)閉藍(lán)色 補(bǔ)光燈組；如果檢測結(jié)果小于閾值，則轉(zhuǎn)至步驟1000。步驟1000，首先根據(jù)設(shè)定的環(huán)境藍(lán)光需光量和步驟500檢測的藍(lán)光光強(qiáng)求差值， 計(jì)算該條件下的藍(lán)光需補(bǔ)光量；接著應(yīng)用測得的藍(lán)光LED亮度和驅(qū)動(dòng)電流線性關(guān)系曲線， 計(jì)算完成按需補(bǔ)光每盞LED燈所需放出的光強(qiáng)和器驅(qū)動(dòng)電流；最后根據(jù)PT4115芯片中PWM 信號占空比正比于LED驅(qū)動(dòng)電流，測得PWM占空比和輸出電流的關(guān)系曲線，最終計(jì)算出按該 光強(qiáng)補(bǔ)光所需輸出的占空比。完成后轉(zhuǎn)至步驟1100。
步驟1100，將單片機(jī)的另一路PWM輸出口按步驟700計(jì)算得到的占空比輸出PWM 信號，并接入藍(lán)光LED驅(qū)動(dòng)芯片PT4115按需調(diào)整其輸出電流，最終控制藍(lán)光陣列輸出光強(qiáng)， 實(shí)現(xiàn)藍(lán)光的按需補(bǔ)光，完成后轉(zhuǎn)至步驟1200。步驟1200，保持上述補(bǔ)光狀態(tài)T分鐘(即循環(huán)周期)，完成后轉(zhuǎn)至步驟200。為實(shí)現(xiàn)所述的一種植物智能補(bǔ)光的方法，提出一種植物智能補(bǔ)光的設(shè)備，其利用 了分波段光強(qiáng)檢測、單片機(jī)PWM控制信號生成，完成對PT411輸出的LED驅(qū)動(dòng)電流的控制， 最終實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)光分波段按需定量補(bǔ)光。如圖4所示，所述植物智能補(bǔ)光的設(shè)備具體包括檢測模塊，實(shí)現(xiàn)光照檢測和溫度檢測，分為溫度檢測、紅光光強(qiáng)檢測和藍(lán)光光強(qiáng)檢 測三部分，系統(tǒng)供電電壓為5V，該模塊具體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，其中溫度檢測模塊由溫度 傳感器18B20和其標(biāo)準(zhǔn)調(diào)理電路組成，其數(shù)據(jù)線接入單片機(jī)Pl. 0 口，實(shí)現(xiàn)溫度的采集，完 成步驟200的工作，由于硅光電池的短路電流正比于外界光強(qiáng)，因此本發(fā)明的光照檢測采 用波長范圍在600-700nm的紅光2W6和波長范圍在400_500nm的藍(lán)光2W6，作為分波段 光強(qiáng)檢測的敏感元件，采用4路運(yùn)算放大器LM324，應(yīng)用運(yùn)算放大器小信號標(biāo)準(zhǔn)I/V轉(zhuǎn)換電 路和濾波電路，對檢測到的兩路硅光電池的短路電流分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，可通過調(diào)整采 樣電阻的改變采樣電壓的范圍，經(jīng)過調(diào)理后的兩路模擬信號分別接入每個(gè)14位ADC模塊 MAX1(^6的AIN端輸入，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號從DOUT端輸出，紅光數(shù)字信號接入單片機(jī)Pl. 1 口、 藍(lán)光數(shù)字信號接入Pl. 2 口，從而實(shí)現(xiàn)分波段光強(qiáng)檢測，實(shí)現(xiàn)步驟500工作；控制模塊，由單片機(jī)和其外圍電路構(gòu)成，選用STC12C5A60S2作為核心處理器，采 用標(biāo)準(zhǔn)接口電路5V電源供電，其中PO 口連接液晶屏的8路數(shù)據(jù)口，Pl 口負(fù)責(zé)以采樣信號相 連，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，P2 口連接4*4矩陣鍵盤，P3. 0、P3. 1用于單片機(jī)與串口連接的數(shù) 據(jù)讀寫線，完成程序的下載，P3. 2-P3. 7位液晶控制端，P4. 2、P4. 3為單片機(jī)PWM控制端輸出 口，基于以上本模塊電路和相關(guān)外設(shè)，結(jié)合應(yīng)用自行開發(fā)的系統(tǒng)軟件，可實(shí)現(xiàn)如圖3所示的 系統(tǒng)實(shí)施例功能流程，根據(jù)兩波段需補(bǔ)光量對應(yīng)的PWM占空比，分別輸出PWM信號，實(shí)現(xiàn)植 物補(bǔ)光的精確控制，由于單片機(jī)的晶振頻率為12MHz，直接產(chǎn)生的PWM信號頻率大于PT4115 接收信號的范圍，系統(tǒng)可針對需要采用分頻實(shí)現(xiàn)；補(bǔ)光模塊，包括紅光補(bǔ)光模塊和藍(lán)光補(bǔ)光模塊，紅光補(bǔ)光模塊由紅光補(bǔ)光燈組及 其驅(qū)動(dòng)電路組成，藍(lán)光補(bǔ)光模塊由藍(lán)光補(bǔ)光燈組及其驅(qū)動(dòng)電路組成，其中補(bǔ)光燈組為LED 補(bǔ)光陣列，驅(qū)動(dòng)電路為PT4115驅(qū)動(dòng)模塊，紅藍(lán)兩路實(shí)現(xiàn)分波段定量補(bǔ)光，其具體結(jié)構(gòu)框圖 如圖6所示。由于PT4115的輸入電壓范圍在8-30V范圍內(nèi)，因此本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例對兩 路采用12V供電，兩路PT4115的DIM控制端，分別與兩路PWM輸出端相連，PWM信號分頻后 頻率降至100Hz-20KHz范圍內(nèi)，其中紅光驅(qū)動(dòng)芯片接入P4. 2產(chǎn)生的PWM信號，藍(lán)光則采用 P4. 3產(chǎn)生的信號，模塊中其余端口連接按芯片手冊標(biāo)準(zhǔn)方法連接，其中采樣電阻的選擇，需 根據(jù)LED燈組的額定啟動(dòng)電流應(yīng)用公式計(jì)算得到。根據(jù)植物吸收光譜本模塊采用定制的中 心波長為650nm的窄帶紅光高亮度大功率LED，通過串聯(lián)方式接入CSN和電感之間組成LED 陣列；藍(lán)光陣列采用中心波長為450nm的窄帶LED，應(yīng)用串聯(lián)方式接入電路。最終通過兩路 PWM信號占空比的變化，紅藍(lán)光驅(qū)動(dòng)芯片PT4115輸出電流發(fā)生變化，定量改變兩路LED陣列 的輸出光強(qiáng)，完成步驟800和步驟1000的工作；用戶交互模塊，由液晶顯示屏和4*4矩陣鍵盤構(gòu)成，模塊采用0CM12864-3液晶屏，其 8 路數(shù)據(jù) 口 與單片機(jī) PO 口連接，控制端 BG_LCD、LCD_E、LCD_R/W、LCD_RS、LCD_CS2、LCD_ CS1，依次與P3. 2-P3. 7連接，可實(shí)現(xiàn)對檢測結(jié)果和補(bǔ)光效果等的查詢顯示，其中4*4矩陣鍵 盤與P2 口的8個(gè)I/O 口相連，可根據(jù)系統(tǒng)使用需要對系統(tǒng)溫度和紅藍(lán)光的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)步驟 100的功能。 該補(bǔ)光設(shè)備可滿足本發(fā)明補(bǔ)光方法的所有步驟需求，另外，為節(jié)約能源，該補(bǔ)光設(shè) 備還可包括電源模塊，電源模塊利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為各 模塊提供能源。電源模塊由太陽能電池版、蓄電池和控制電路組成。其中控制電路的輸入端 與太用能電池相連，輸入電壓通過LM317及其外為標(biāo)準(zhǔn)電路產(chǎn)生穩(wěn)定12V輸出，實(shí)現(xiàn)對12V 蓄電池的充電。由于本系統(tǒng)需要12V和5V兩個(gè)供電電源，電源模塊繼而通過MIC29302穩(wěn) 壓變壓模塊將蓄電池的兩端進(jìn)行穩(wěn)壓輸出12V穩(wěn)壓電源信號，同時(shí)再次應(yīng)用MIC29302模塊 調(diào)整比配電阻產(chǎn)生5V穩(wěn)壓電源信號。其中單片機(jī)、檢測模塊以及用戶交互模塊均使用5V 電源供電，只有LED補(bǔ)光模塊采用12V電源供電，因此該電源模塊可完全滿足設(shè)備的供電需 求，無需外加電源。
權(quán)利要求
1.一種植物智能補(bǔ)光的方法，包括以下步驟，第一步，根據(jù)植物的各個(gè)生長階段中對紅藍(lán)光的需求量，設(shè)置紅、藍(lán)光閾值；第二步，檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)，通過其與相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值比較判斷，如果 環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)小于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值，則判斷為需要相應(yīng)補(bǔ)光，且需補(bǔ)光量為所設(shè)紅、 藍(lán)光閾值與相應(yīng)環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)的差，如果環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)大于或者等于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán)光 閾值，則判斷為無需補(bǔ)光；第三步，如需補(bǔ)光，則根據(jù)需補(bǔ)光量，應(yīng)用相應(yīng)補(bǔ)光燈組亮度和驅(qū)動(dòng)電流線性關(guān)系曲 線，計(jì)算相應(yīng)補(bǔ)光燈組的輸入電流，再根據(jù)PWM占空比和輸出電流關(guān)系曲線，計(jì)算出PWM占 空比，然后由單片機(jī)調(diào)整PWM占空比，從而精確控制補(bǔ)光燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)按需智能精確補(bǔ) 光，如不需補(bǔ)光，則直接關(guān)斷補(bǔ)光燈組或使補(bǔ)光燈組繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)，補(bǔ)光程序結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物智能補(bǔ)光的方法，其特征在于，在所述第一步設(shè)置 紅、藍(lán)光閾值的同時(shí)，還根據(jù)植物的各個(gè)生長階段中光合作用的適宜溫度范圍設(shè)置溫度閾 值，在所述第二步檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)之前，先檢測植物生長的環(huán)境溫度，當(dāng) 環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍內(nèi)，則執(zhí)行所述第二步和第三步，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫 度閾值范圍外，則直接關(guān)斷補(bǔ)光燈組或使補(bǔ)光燈組繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)，補(bǔ)光程序結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物智能補(bǔ)光的方法，其特征在于，所述的補(bǔ)光燈組為 LED陣列，采用包含植物紅光吸收峰且半波帶范圍小的LED組成的紅光LED陣列和包含藍(lán)光 吸收峰且半波帶范圍小的LED組成的藍(lán)光LED陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物智能補(bǔ)光的方法，其特征在于，所述方法周期性循 環(huán)，周期可設(shè)定。
5.一種植物智能補(bǔ)光的設(shè)備，包括，檢測模塊，實(shí)現(xiàn)光照檢測和溫度檢測；控制模塊，根據(jù)檢測模塊采集到的數(shù)據(jù)，分別與設(shè)備所設(shè)溫度閾值以及紅、藍(lán)光強(qiáng)閾值 比較，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍外，則直接關(guān)斷補(bǔ)光燈組或使補(bǔ)光燈組繼續(xù)保持 關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境溫度在所設(shè)置溫度閾值范圍內(nèi)，則檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)，通 過其與相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值比較判斷，如果環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)大于或者等于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán)光閾 值，則判斷為無需補(bǔ)光，如果環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)小于所設(shè)相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值，則判斷為需要相應(yīng) 補(bǔ)光，且需補(bǔ)光量為所設(shè)紅、藍(lán)光閾值與相應(yīng)環(huán)境紅、藍(lán)光強(qiáng)的差，則根據(jù)需補(bǔ)光量，應(yīng)用相 應(yīng)紅、藍(lán)補(bǔ)光燈組亮度和驅(qū)動(dòng)電流線性關(guān)系曲線，計(jì)算相應(yīng)紅、藍(lán)補(bǔ)光燈組的輸入電流，再 根據(jù)PWM占空比和輸出電流關(guān)系曲線，計(jì)算出PWM占空比，然后由單片機(jī)調(diào)整PWM占空比， 從而精確控制相應(yīng)紅、藍(lán)補(bǔ)光燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)按需智能精確補(bǔ)光；補(bǔ)光模塊，包括紅光補(bǔ)光模塊和藍(lán)光補(bǔ)光模塊，紅光補(bǔ)光模塊由紅光補(bǔ)光燈組及其驅(qū) 動(dòng)電路組成，藍(lán)光補(bǔ)光模塊由藍(lán)光補(bǔ)光燈組及其驅(qū)動(dòng)電路組成，根據(jù)紅、藍(lán)補(bǔ)光燈組輸出光 強(qiáng)和輸入電流的關(guān)系，控制模塊輸出的不同占空比PWM信號接入相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的控制端， 驅(qū)動(dòng)電路的輸出接相應(yīng)的補(bǔ)光燈組，從而實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)的控制；用戶交互模塊，由顯示屏和輸入鍵盤組成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測顯示、用戶分階段環(huán)境閾值修 改、系統(tǒng)補(bǔ)光量查詢和系統(tǒng)供電情況顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種植物智能補(bǔ)光的設(shè)備，其特征在于，所述的補(bǔ)光燈組為 LED陣列，選用紅LED燈發(fā)出中心波長為650nm的紅光，藍(lán)LED燈發(fā)出中心波長為450nm藍(lán)光，且紅、藍(lán)光LED燈的波長寬度均小于等于30nm，所述驅(qū)動(dòng)電路采用PT4115為核心驅(qū)動(dòng)芯 片。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種植物智能補(bǔ)光的設(shè)備，其特征在于，還包括電源模塊，電 源模塊利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為各模塊提供能源。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種植物智能補(bǔ)光的設(shè)備，其特征在于，所述檢測模塊采用 兩路硅光電池分別在紅光波段600-700nm和藍(lán)光波段400-500nm，周期性檢測紅、藍(lán)光光 強(qiáng)，同時(shí)采用DS18B20溫度傳感器采集當(dāng)前溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種植物智能補(bǔ)光的設(shè)備，其特征在于，所述控制模塊為單 片機(jī) STC12C5A60S2。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種植物智能補(bǔ)光的設(shè)備，其特征在于，所述LED陣列中，紅 光LED與藍(lán)光LED均勻混合分布，其中紅補(bǔ)光燈組能輸出的最大光強(qiáng)為藍(lán)補(bǔ)光燈組的5-10倍。
全文摘要
本發(fā)明為一種植物智能補(bǔ)光的方法，根據(jù)植物的各個(gè)生長階段中對紅藍(lán)光的需求量，設(shè)置紅、藍(lán)光閾值，檢測植物生長環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)，通過其與相應(yīng)紅、藍(lán)光閾值比較判斷是否需補(bǔ)光以及精確補(bǔ)光量，如需補(bǔ)光，則根據(jù)需補(bǔ)光量，計(jì)算對應(yīng)補(bǔ)光燈組的輸入電流，從而精確控制補(bǔ)光燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)按需智能精確補(bǔ)光，如不需補(bǔ)光，則關(guān)斷補(bǔ)光燈組；本發(fā)明還提出了實(shí)現(xiàn)該方法的一種設(shè)備，利用本發(fā)明所述的補(bǔ)光方法和設(shè)備，可根據(jù)植物不同階段生長的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對植物按需分波長定量補(bǔ)光。
文檔編號H05B37/02GK102077767SQ20101052981
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者馮建合, 劉春芳, 吳婷婷, 岳青, 張海輝, 楊青, 林忠華, 樊宏攀, 段耿耿, 王興飛, 田威, 翟相雯, 胡瑾, 譚彪, 趙斌, 陳希同 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)