一种用LED进行植物生长照明的智能控制装置的制作方法

本实用新型涉及LED灯具在农业上的应用领域，尤其涉及到一种用LED进行植物生长照明的智能控制装置。

背景技术：

人类的生命活动离不开绿色植物，植物的生命活动离不开光照。植物通过光合作用将太阳能以有机能量的形式固定在植物体内，所以光环境对设施栽培的重要性处在首位。而在如今，环境污染，特别是雾霾的日益显现，使得植物生长面临光照时间和光质下降的严峻形势。

温室种植为蔬菜提供了优异的生长环境，对其产量提升提供了一种新途径。而将LED灯应用于植物照明补偿，则为蔬菜提供了精细而健康的光环境，摆脱复杂的室外环境因素，针对且系统的满足植物的生长需求，用最少的能量消耗达到最大植物生长要求，对蔬菜质量的提升提供了一种新可能。

光合作用的公式：二氧化碳+水——有机物(储存能量)+氧气。

可见光合作用的原料是二氧化碳和水，条件是光，场所是叶绿体，产物是有机物淀粉和氧气，影响光合作用的因素是光照强度、温度、湿度、二氧化碳的浓度等，因此不能单一注重某一方面的生长因素。

植物中叶绿素a、b吸收光谱峰值分别为660nm、450nm。LED为单色光，能满足植物生长所需的单色光光谱，与叶绿素吸收光谱峰值能达到完全吻合，可大幅度提升光源的植物生理效用，促进植物高效生长，提高植物对光能的利用效率，降低能耗。

PWM(脉冲宽度)调光技术被认为最适合LED的调光技术。在进行脉冲宽度PWM调光时，通过控制脉冲宽度占空比，来调制LED驱动芯片的开关控制信号。LED的快速开关特性使PWM调光成为可能。这种调光技术具有应用简单、精度高、效率高、且调光效果好等优点。

随着科学技术的发展和网络通信技术的广泛应用，现代温室迈入了信息化、智能化的时代，为植物光照明应用于植物产量和质量的提升提供了一种可能。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种节能高效、用LED单色光实现对植物生长光环境进行精准补光、辅以对环境中二氧化碳、温度、湿度的检测调控，实现多维度的植物生长环境调控的智能控制装置。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：包括信号处理单元、LED光源模块、环境因素监测单元以及环境因素调控单元；

环境因素监测单元，监测植物生长环境中各种因素；

信号处理单元，根据环境因素监测单元实时反馈的数据信息，调用数据库比对，改变LED光源模块和环境因素调控单元指数特征，达到对植物生长环境的实时调控；

LED光源模块，包括有LED红光模块和LED蓝光模块；

环境因素调控单元，根据信号处理单元发出的指令信息调控环境中各种因素，从而达到植物生长所需的最佳环境；

其中，LED光源模块还包括有LED绿光模块、LED红外模块以及LED紫外模块；

LED绿光模块，调控绿光LED灯珠亮度，促进植物的长势，植物叶片着色方面尤其显著，有助于植物生长；

LED红外模块，作用于植物开花结果阶段，调节植物周围环境的温度；

LED紫外模块，作用于植物开花结果阶段，具有杀菌消毒的作用。

进一步地，所述环境因素监测单元包括CO₂监测单元，光质监测单元，温度监测单元以及湿度监测单元。

进一步地，所述环境因素调控单元包括CO₂调控单元、温度调控单元以及湿度调控单元。

进一步地，所述LED红光模块、LED蓝光模块、LED绿光模块的峰值波长分别为650nm-670nm、440nm-460nm、510nm-530nm，相对光谱分布比例为32:4:9；LED红外、紫外模块的峰值波长分别为330nm-400nm，750nm-950nm。

与现有技术相比，本方案具有以下优点及有益效果：

1)相比于传统的荧光灯和高压钠灯等连续复合光谱的补光光源，本方案根据植物生长自身需要的实际情况，结合PWM调控技术，对红蓝绿等光比进行调控，避免部分光谱浪费，达到较高的补光效率，更节能。

2)在植物光合作用所需红蓝光线的基础上添加绿光线、紫外光线以及红外光线；绿光有助于促进植物的长势，植物叶片着色方面尤其显著；红外光线调节植物周围环境的温度；紫外光线具有杀菌消毒的作用。

3)在提供所需光线的前提下，辅以二氧化碳、水、温度，三个重要元素，全方位、多维度保障植物所需的生长条件。

4)监测到调控全程智能化操作，大大减少人力的消耗。

附图说明

图1为本实用新型的功能模块示意图；

图2为本实用新型中占空比与光照强度的关系图；

图3为四组试验中各自不同光照条件设置示意图；

图4为本实用新型中PWM调节流程示意图；

图5为四种试验生菜的长势情况示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明：

参见附图1所示，本实施例所述的用LED进行植物生长照明的智能控制装置,包括信号处理单元1、LED光源模块2、环境因素监测单元3以及环境因素调控单元4。

LED光源模块2包括LED红光模块2-1、LED蓝光模块2-2、LED绿光模块2-3、LED红外模块2-4以及LED紫外模块2-5；其中，LED红光模块2-1、LED蓝光模块2-2、LED绿光模块2-3的峰值波长分别为650nm-670nm、440nm-460nm、510nm-530nm，光质比例应为32:4:9；LED红外、紫外模块2-4、2-5的峰值波长分别为330nm-400nm，750nm-950nm；而LED红外模块2-4、LED紫外模块2-5主要作用在植物生长的必要阶段，如植物开花结果阶段，用于果实着色和提升维生素C含量方面；另外利用LED红外模块2-4红外的热作用，调节植物生长环境的温度；利用LED紫外模块2-5消毒作用达到杀菌目的。

环境监测单元3包括CO₂监测单元3-1、光质监测单元3-2、温度监测单元3-3、湿度监测单元3-4，分别实现对植物生长环境的CO₂浓度、光质情况、温度、湿度进行传感和监测，从而将实时数据传输给信号处理单元1。

信号处理单元1接收到环境监测单元3的数据信息，根据植物生长所需的实际情况和需求，向环境因素调控单元4发送指令。最主要的，通过PWM脉宽调变技术，调整LED光源模块2的供电电流的频率、大小和占空比，实时对红蓝等光质比进行调控。

对于LED红光模块2-1、LED蓝光模块2-2、LED绿光模块2-3，PWM调控实现无相位差、占空比不大于50％、频率范围2kHz-5kHz的功率供电。在三者相对光谱分布为32:4:9的前提下，植物接收到的平均光量子通量密度应控制在不小于20μmolm^-2s^-1。当实际光量子通量密度低于设定值，提高PWM调光占空比可以提高LED的亮度，当实际光量子通量密度高于设定值，降低PWM调光占空比可以降低LED的亮度，从而调整植物接受到的光量子通量密度和红、蓝、绿相对光谱分布，促进植株光合作用的稳定需求。

对于LED红外模块2-4、LED紫外模块2-5，在开花、结果等特定照射动作需求阶段，实现无相位差、占空比介于20％-50％、频率为2kHz-5kHz的功率供电。通过PWM调控技术改变占空比大小，从而调整LED亮度，进而调整植物接收到的光量子通量密度，促进花朵和果实的质量。

环境因素调控单元4接收到信号处理单元1的指令信息，CO₂调控单元4-1将CO₂浓度维持在实际植物生长所需CO₂浓度饱和点，温度调控单元4-2将温度维持在20℃-25℃，湿度调控单元4-3将相对湿度维持在50％-80％。

基于上述整体实施策略方式，将一种用LED进行植物生长照明的智能控制装置应用至生菜的培育研究，具体阐述PWM脉冲调变LED光源的应用过程。

如图2所示，脉宽调制(PWM)调光是通过在单位时间内反复的接通和关断LED正向电流实现LED亮度调节的调光方式，占空比D表示了一个周期时间内接通时间ton占一个周期T的比例，即D＝ton/T,其中周期T＝ton+toff。通过控制占空比D的大小，来控制LED的亮度。具体实现关系是，I(电流)＝D·Imax。因此，生菜培育生长阶段对光的需求不同，可以通过调整占空比来调整LED光强度，进而使得叶面光合作用所接受到的光量子流密度呈现相应的变化规律。

快生菜在应对广大居民对蔬菜需求时提供了一个很可靠的满足途径。快生菜主要是指叶类蔬菜，生长周期一般为20-40天。在试验阶段，我们采取四组生菜，每组50棵，作为我们的研究对象。

在进行土壤适应之后，四组生菜进行分区域处理试验。四个植物生长单元的LED照明单元，置于与叶面2米的高度。每组灯具的最大辐射照度设置为150W/㎡，每天照射时长设置为16h。其中，红、蓝、绿三者的光质比例均设置为32:4:9。

如图3所示，为四组试验的光照条件设置。第一组为PWM模式，红、蓝、绿光学模块同时供电，应用频率设置为5kHz，各波长的相位差为0°；第二组为PWM模式，红、蓝、绿光学模块同时供电，应用频率设置为1kHz，各波长的相位差为0°；第三组PWM模式，红、蓝、绿光学模块应用频率设置为5kHz，各波长的相位差为120°；第四组为连续供电的固定模式。每组工作模式下到达生菜叶面的平均光量子通量密度均为20μmolm^-2s^-1。

如图4所示，为本系统的PWM调节流程示意图。系统开始进行初始化，然后与各功能模块进行连接测试。判断系统正常后，环境监测单元3进行环境参数采集并存储在存储器中用以调用。系统根据采集数据情况设定光照参考值。当实际光照强度大于光照设定值，PWM调节减小占空比；当实际光照强度小于光照设定值，PWM调节增加占空比。以此，达到光线稳定照射情况。

如图5所示，为判断试验生菜的长势情况，从样品成熟的时长(天)、成熟叶片表面单位面积(㎜²)的气孔数量和叶绿体数量三个方面进行指标测定。以连续光照的模式四作为对照组：模式一和模式二的成熟时长分别缩短了16％和7％左右，模式三的成熟时长却延长了75％左右；在单位㎜²面积，模式一叶片的平均气孔数量和叶绿体数量分别增长了22％和18％左右，模式二叶片的平均气孔数量和叶绿体数量分别增长了12％和6.5％左右，模式三叶片的平均气孔数量和叶绿体数量分别下降了38％和33％左右。从叶片的外观上看，模式一作用下的生菜叶面更加翠绿，模式二次之，其次是模式四连续光照情况下的，情况最差的是模式三下的生菜长势。

由此可见，适宜的脉宽调光PWM模式应用于植物照明的智能控制系统，对植物生长有一定积极的促进作用。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。