一種基于組合光譜的led農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及自動化控制及現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)照明研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國基于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展需求和促使我國從農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強國轉(zhuǎn)變的目標，農(nóng)業(yè)照明現(xiàn)代化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化主要內(nèi)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(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)、LED企業(yè)也開始關(guān)注LED農(nóng)業(yè)照明技術(shù)發(fā)展趨勢和應用推廣潛力，開始進行包括LED農(nóng)業(yè)照明技術(shù)研究、LED植物生長燈具設(shè)計開發(fā)、LED農(nóng)業(yè)照明應用示范推廣的工作，積累了一定的研究開發(fā)經(jīng)驗并獲得相關(guān)的科研成果和較好的示范效果。
[0003]首先，在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)光源，LED光源優(yōu)勢更突出體現(xiàn)在:1)利用LED可調(diào)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(nóng)業(yè)照明應用產(chǎn)生的節(jié)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(tǒng)光源相比，在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)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。
[0004]然而，綜觀全國在LED農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的研究集中在植物生長燈開發(fā)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(shù)與農(nóng)業(yè)生長學科的交叉研究還相對缺乏，而這恰恰是LED農(nóng)業(yè)照明應用及植物生長相關(guān)性規(guī)律研究的重點內(nèi)容。
[0005]因此，有必要提供一種新的農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)來滿足人們的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)，整合光生物信息技術(shù)、LED智能照明、光電傳感測控和計算機軟件多種技術(shù)，開發(fā)一套集光譜組合及智能調(diào)節(jié)、光環(huán)境在線監(jiān)測記錄并實時反饋及聯(lián)動調(diào)節(jié)、人為建立或修改光譜數(shù)據(jù)庫等功能的LED智能化農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明方法。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]一種基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)，包括LED植物生長燈、光環(huán)境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數(shù)據(jù)庫和處理器，所述的處理器分別與光環(huán)境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數(shù)據(jù)庫相連，所述的光環(huán)境控制模塊與LED植物生長燈相連。
[0010]所述的LED植物生長燈包括LED芯片級光源組合，以及驅(qū)動LED芯片級光源組合的驅(qū)動電路；所述的LED芯片級光源組合是由藍光(420?500nm)、紅光￠10?720)、近紅外光(720 ?100nm)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(qū)動電路采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)恒流驅(qū)動技術(shù)、可控硅調(diào)光技術(shù)、DMX512調(diào)光技術(shù)對每個LED芯片級光源進行0-100級恒流調(diào)光。本發(fā)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(shè)定，同時確保輸出光譜與設(shè)定光譜、照射面輻射照度值與設(shè)定輻射照度值的誤差均控制在設(shè)定的閾值K以內(nèi)。
[0011]所述的LED植物生長燈還包括散熱結(jié)構(gòu)，散熱結(jié)構(gòu)采用鋁基板，LED芯片組光源的基底固定在鋁基板上。
[0012]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(jié)構(gòu)的散熱效果。
[0013]所述的光環(huán)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(xié)議的網(wǎng)絡(luò)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(zhì))、光輻射照度(光密度)和光周期進行遠程控制和調(diào)節(jié)。
[0014]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(fā)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(xiàn)光譜采集。便攜式的陣列CCD探測器光譜儀實現(xiàn)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。
[0015]所述的光輻射照度計采用數(shù)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(zhuǎn)換即將光信號轉(zhuǎn)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(xiàn)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。
[0016]所述的組合光譜數(shù)據(jù)庫是針對不同植物不同生長周期與光照環(huán)境的光譜及光輻射照度的相關(guān)性規(guī)律而得到最佳光照環(huán)境的光參數(shù)指標而建立的數(shù)據(jù)庫，通過組合光譜數(shù)據(jù)庫指導和調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)庫。
[0017]本發(fā)明的另一目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0018]一種基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明方法，包含以下順序的步驟:
[0019](I)針對植物某個生長階段，調(diào)用組合光譜數(shù)據(jù)庫的相應數(shù)據(jù)設(shè)定值通過光環(huán)境控制模塊智能調(diào)節(jié)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(shù)指標，使得LED植物生長燈的輸出光符合該植物生長要求；
[0020](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(shù)的實時監(jiān)測并反饋給處理器，對實時采集的光參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)定的光參數(shù)值進行匹配分析確保兩者偏差不超過設(shè)定的閾值K:若超過設(shè)定的閾值K，則通過光環(huán)境控制模塊微調(diào)LED植物生長燈的輸出光的光參數(shù)指標，從而實現(xiàn)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(diào)的光照環(huán)境；
[0021](3)當植物進入下一個生長階段時，按照步驟(I)調(diào)用組合光譜數(shù)據(jù)庫的相應數(shù)據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)LED植物生長燈的輸出符合植物生長要求的輸出光，然后執(zhí)行步驟(2);
[0022](4)反復執(zhí)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(tǒng)，并跳出植物生長完成提示窗來提醒工作人員。
[0023]所述的設(shè)定的閾值K可根據(jù)實踐經(jīng)驗而人為設(shè)定。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0025]1、本發(fā)明所述的基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)是利用光譜儀和光輻射照度計實時監(jiān)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(huán)境實際監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋到回系統(tǒng)軟件并與設(shè)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(diào)，實現(xiàn)組合光譜和光輻射照度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，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(tǒng)設(shè)定值不會超過閾值K的偏差。
[0026]2、本發(fā)明基于LED的PWM、可控硅、DMX512調(diào)光技術(shù)與多種顏色的LED芯片級光源按照不同配比組合相結(jié)合的方式，實現(xiàn)更靈活更多種的組合光譜，也使本照明系統(tǒng)的適用范圍更廣和通用性更好。
[0027]3、本發(fā)明利用光譜儀和光輻射照度計實時監(jiān)測照明系統(tǒng)的輸出光的光參數(shù)并反饋給系統(tǒng)進行差異匹配分析后再對輸出光進行微調(diào)，實現(xiàn)組合光譜和光輻射照度的聯(lián)動調(diào)節(jié)功能。
[0028]4、本發(fā)明基于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)照明發(fā)展需求，結(jié)合植物室內(nèi)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(guān)性規(guī)律及研究成果，開發(fā)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(jiān)測的光照系統(tǒng)，為不同植物不同生長周期提供最佳光譜的照明光環(huán)境，提高生長效率并達到節(jié)能環(huán)保的效果。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明所述的一種基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0030]圖2為圖1所述LED農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)的LED植物生長燈的裝配圖。
[0031 ] 圖3為圖2所示LED植物生長燈的驅(qū)動電路設(shè)計圖。
[0032]圖4為本發(fā)明所述的一種基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明方法的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0034]如圖1所示，基于組合光譜的LED農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)由LED植物生長燈、光環(huán)境控制模塊、光譜采集裝置、光輻射照度計、組合光譜數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)軟件和計算機組成，該系統(tǒng)整合光生物信息技術(shù)、LED智能照明、光電傳感測控和計算機軟件多種技術(shù)，開發(fā)一套集光譜組合及智能調(diào)節(jié)、光環(huán)境在線監(jiān)測記錄并實時反饋及聯(lián)動調(diào)節(jié)、人為建立或修改光譜數(shù)據(jù)庫等功能的智能化LED植物補光照明系統(tǒng)。
[0035]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(tǒng)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(tǒng)軟件進行匹