专利名称：一种植物智能补光的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明属于农业现代化领域，涉及对植物生长过程的人工控制，具体涉及一种植 物智能补光的方法和设备。
背景技术：
随着科学技术的发展，人工补光技术被提出并得到广泛研究与利用。在以往的植 物补光系统中，补光光源主要有白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯等，这些光源应 用在植物补光中存在着光谱匹配不理想的缺陷，光源发射白光光谱或线状谱线，其能够被 植物吸收的只是个别波段的光，其他波段的光则都被浪费，不节能；另外，这些光源产生热 量较大，不能近距离照射植物，光能利用率低。已有针对植物的LED补光灯热量较低，能够发有效生理辐射能波段范围光谱匹配 较好的光波。但在有效生理辐射能波段内，植物对光的吸收能力随波长的不同存在较大差 异，现有LED补光灯波长范围较广，并未考虑系统所发出光能利用效率的问题。同时研究发 现不同植物不同阶段对红蓝两类光的需要量和比例存在明显差异，已得到越来越多植物分 阶段适宜温度以及分波段需光亮的阈值信息，但现有系统仍采用传统检测方法，并未基于 此采用分波段光强检测和温度检测，因此系统补光也未实现按需精确定量补光，造成补光 不足和补光过剩这对矛盾并存，同时影响植物生长和光能利用效率。采用植物补光系统采 用人工手动补光、自动定时补光、以及自动监控补光三种模式。其中前两种方式使用方便， 但由于人为经验和外界环境的影响，系统灵活性差和补光效果相差很大。第三种模式采用 了自动检测自动补光的模式，但由于现有系统均采用固定红蓝光光强和光强比的方式，未 考虑不同植物在不同阶段所需红蓝光比值的差异，系统补光的精确性仍存在一定问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种植物智能补光的方法 和设备，其根据植物不同阶段生长的特点，实现对各类植物按需分波长定量补光，在满足其 生长所需前提下，最大程度的提高输出光能的利用率，减少无效能量消耗。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种植物智能补光的方法，包括以下步骤，第一步，根据植物的各个生长阶段中对红蓝光的需求量，设置红、蓝光阈值；第二步，检测植物生长环境中的红、蓝光强，通过其与相应红、蓝光阈值比较判断， 如果环境红、蓝光强小于所设相应红、蓝光阈值，则判断为需要相应补光，且需补光量为所 设红、蓝光阈值与相应环境红、蓝光强的差，如果环境红、蓝光强大于或者等于所设相应红、 蓝光阈值，则判断为无需补光；第三步，如需补光，则根据需补光量，应用相应补光灯组亮度和驱动电流线性关系 曲线，计算相应补光灯组的输入电流，再根据PWM占空比和输出电流关系曲线，计算出PWM 占空比，然后由单片机调整PWM占空比，从而精确控制补光灯组的亮度，实现按需智能精确补光，如不需补光，则直接关断补光灯组或使补光灯组继续保持关断状态，补光程序结束。在所述第一步设置红、蓝光阈值的同时，还根据植物的各个生长阶段中光合作用 的适宜温度范围设置温度阈值，在所述第二步检测植物生长环境中的红、蓝光强之前，先检 测植物生长的环境温度，当环境温度在所设置温度阈值范围内，则执行所述第二步和第三 步，当环境温度在所设置温度阈值范围外，则直接关断补光灯组或使补光灯组继续保持关 断状态，补光程序结束。所述的补光灯组为LED阵列，采用包含植物红光吸收峰且半波带范围小的LED组 成的红光LED阵列和包含蓝光吸收峰且半波带范围小的LED组成的蓝光LED阵列。为实现所述的一种植物智能补光的方法，提出一种植物智能补光的设备，包括，检测模块，实现光照检测和温度检测；控制模块，根据检测模块采集到的数据，分别与设备所设温度阈值以及红、蓝光 强阈值比较，当环境温度在所设置温度阈值范围外，则直接关断补光灯组或使补光灯组继 续保持关断状态，当环境温度在所设置温度阈值范围内，则检测植物生长环境中的红、蓝光 强，通过其与相应红、蓝光阈值比较判断，如果环境红、蓝光强大于或者等于所设相应红、蓝 光阈值，则判断为无需补光，如果环境红、蓝光强小于所设相应红、蓝光阈值，则判断为需要 相应补光，且需补光量为所设红、蓝光阈值与相应环境红、蓝光强的差，则根据需补光量，应 用相应补光灯组亮度和驱动电流线性关系曲线，计算相应补光灯组的输入电流，再根据PWM 占空比和输出电流关系曲线，计算出PWM占空比，然后由单片机调整PWM占空比，从而精确 控制补光灯组的亮度，实现按需智能精确补光；补光模块，包括红光补光模块和蓝光补光模块，红光补光模块由红光补光灯组及 其驱动电路组成，蓝光补光模块由蓝光补光灯组及其驱动电路组成，根据红、蓝补光灯组输 出光强和输入电流的关系，控制模块输出的不同占空比PWM信号接入相应驱动电路的控制 端，驱动电路的输出接相应的补光灯组，从而实现对光强的控制；用户交互模块，由显示屏和输入键盘组成，实现实时检测显示、用户分阶段环境阈 值修改、系统补光量查询和系统供电情况显示。还包括电源模块，电源模块利用太阳能板将太阳能转化为电能储存在蓄电池中， 为各模块提供能源。所述的补光灯组为LED阵列，选用红LED灯发出中心波长为650nm的红光，蓝LED 灯发出中心波长为450nm蓝光，且红、蓝光LED灯的波长宽度均小于等于30nm，所述驱动电 路采用PT4115为核心驱动芯片。所述检测模块采用两路硅光电池分别在红光波段600-700nm和蓝光波段 400-500nm，周期性检测红、蓝光光强，同时采用DS18B20温度传感器采集当前温度。所述控制模块为单片机STC12C5A60S2。 所述LED阵列中，红光LED与蓝光LED均勻混合分布，其中红补光灯组能输出的最 大光强为蓝补光灯组的5-10倍。本发明与现有技术相比，具有以下优点1)根据植物不同阶段生长的特点，实现对植物按需分波长定量补光。2)加入温度检测，避免在不适宜的温度下盲目补光，有效节省了能源。3)利用太阳能，无需外加电源，环保低碳。
4)植物的光吸收率高。5)光能利用率高，能耗低。
图1是植物环境光强、需补光量、PWM占空比、驱动电流、补光灯亮度关系示意图。图2是本发明智能补光方法的流程图。图3是本发明的软件流程图。图4是本发明智能补光设备结构示意图。图5是本发明的检测模块电路框图。图6是本发明的补光模块电路框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。本实施例中，补光灯组统一选取LED阵列，其价格低廉，驱动电流小。本发明中需补光量为LED灯组实际发光亮度，系统通过LED灯组亮度与LED灯 电流的线性正比关系确定所需电流，需补光量越大则系统输出的LED驱动电流越大，同时 基于脉冲宽度调制(PWM)信号占空比和驱动电流的正比关系，实现应用单片机的PWM信 号占空比来定量控制LED驱动电流，所需驱动电流越大对应的PWM占空比越高，占空比在 0% -100%之间变化，即系统实际补光量可根据需要在无补光到每组灯的最大可输出光强 间变化。植物环境光强、需补光量、PWM占空比、驱动电流、补光灯亮度关系示意如图1所 示，需补光量与补光灯亮度成正比，补光灯亮度与驱动电流成正比，驱动电流与PWM占空比 成正比，植物环境光强和需补光量之和为设定光强阈值。可以看出，在设定相同阈值条件下，植物环境光强越强，需补光量越低，则单片机 输出亮度控制PWM信号占空比越低；同时在相同环境光强条件下，设定光强阈值越高则需 补光量也随之增大，与之对应的占空比也依次增大。当环境光强高于设定光强阈值的条件 下，PWM信号输出占空比为0，补光灯组关断，输出补光量为零。总体来说本发明应用了硅光电池电流与亮度的映射关系，分波段检测环境亮度， 利用PWM控制信号占空比和驱动芯片输出电流、LED电流与亮度之间的正比例映射关系，最 终实现根据阈值和实际光强按需动态调整补光量。需要注意的是补光量的大小不仅与不同植物各阶段的需光量和实际环境光强有 关，同时也与环境温度有关。如图2所示，根据植物的各个生长阶段中对红蓝光的需求量，设置红、蓝光阈值； 检测植物生长环境中的红、蓝光强，通过其与相应红、蓝光阈值比较判断，如果环境红、蓝光 强小于所设相应红、蓝光阈值，则判断为需要相应补光，且需补光量为所设红、蓝光阈值与 相应环境红、蓝光强的差，如果环境红、蓝光强大于或者等于所设相应红、蓝光阈值，则判断 为无需补光；如需补光，则根据需补光量，应用相应补光灯组亮度和驱动电流线性关系曲 线，计算相应补光灯组的输入电流，再根据PWM占空比和输出电流关系曲线，计算出PWM占 空比，然后由单片机调整PWM占空比，从而精确控制补光灯组的亮度，实现按需智能精确补 光，如不需补光，则直接关断补光灯组或使补光灯组继续保持关断状态，补光程序结束。本实施例中，在设置红、蓝光阈值的同时，还根据植物的各个生长阶段中光合作用的适宜温度 范围设置温度阈值，在所述第二步检测植物生长环境中的红、蓝光强之前，先检测植物生长 的环境温度，当环境温度在所设置温度阈值范围内，则继续检测植物生长环境中的红、蓝光 强，通过其与相应红、蓝光阈值比较判断，当环境温度在所设置温度阈值范围外，则直接关 断补光灯组或使补光灯组继续保持关断状态，补光程序结束。为进一步阐明本发明的补光方法过程，结合图3做具体说明，步骤100，系统完成开机判断，如果完成系统初始化，则转至步骤200 ；如果尚未完 成阈值设置和修改等系统初始化内容，系统进入初始化界面，用户可根据作物生长的不同 周期光合作用的适宜温度范围和所需红蓝光最低值，设置温度阈值和红、蓝两波段光强的 阈值，完成本一系列工作后再转至步骤200。步骤200，系统完成初始化设置后，应用温度传感器测试实时环境温度，并转至步 骤 300。步骤300，根据初始化设定的温度阈值范围和步骤200采集得到的实时温度，判断 环境实时温度是否在设定的预置范围内。如果在阈值范围内，则转至步骤500，反之转至步 骤 400。步骤400，当检测到的温度超出阈值范围，系统对全部补光灯组关断；同时根据 红、蓝两路光强，系统分别关断光强超阈值的该路补光灯组。完成系统对应补光灯组关断 (即PWM输出占空比为0)，转入步骤1200。步骤500，当环境温度在设定范围内，系统对红蓝两个波段分别检测红光的光强和 蓝光的光强，完成后转至步骤600。步骤600，根据初始化分别设定的红光阈值下限，以及步骤500采集得到的实时红 光的光强，判断红光实时光强是否已达阈值。如果达到或超过阈值，则转至步骤400，关闭红 色补光灯组；如果检测结果小于阈值，则转至步骤700。步骤700，首先根据设定的环境红光需光量和步骤500检测的红光光强求差值，计 算该条件下的红光需补光量；接着应用测得的红光LED亮度和驱动电流线性关系曲线，计 算完成按需补光每盏LED灯所需放出的光强和器驱动电流；最后根据PT4115芯片中PWM信 号占空比正比于LED驱动电流，测得PWM占空比和输出电流的关系曲线，最终计算出按该光 强补光所需输出的占空比。完成后转至步骤800。步骤800，将单片机两路PWM输出口之一按步骤700计算得到的占空比输出PWM信 号，并接入PT4115按需调整其输出电流，最终控制红光阵列输出光强，实现红光的按需补 光，完成后转至步骤1200。步骤900，根据初始化分别设定的蓝光阈值下限，以及步骤500采集得到的实时蓝 光光强，判断蓝光实时光强是否已达阈值。如果达到或超过阈值，则转至步骤400，关闭蓝色 补光灯组；如果检测结果小于阈值，则转至步骤1000。步骤1000，首先根据设定的环境蓝光需光量和步骤500检测的蓝光光强求差值， 计算该条件下的蓝光需补光量；接着应用测得的蓝光LED亮度和驱动电流线性关系曲线， 计算完成按需补光每盏LED灯所需放出的光强和器驱动电流；最后根据PT4115芯片中PWM 信号占空比正比于LED驱动电流，测得PWM占空比和输出电流的关系曲线，最终计算出按该 光强补光所需输出的占空比。完成后转至步骤1100。
步骤1100，将单片机的另一路PWM输出口按步骤700计算得到的占空比输出PWM 信号，并接入蓝光LED驱动芯片PT4115按需调整其输出电流，最终控制蓝光阵列输出光强， 实现蓝光的按需补光，完成后转至步骤1200。步骤1200，保持上述补光状态T分钟(即循环周期)，完成后转至步骤200。为实现所述的一种植物智能补光的方法，提出一种植物智能补光的设备，其利用 了分波段光强检测、单片机PWM控制信号生成，完成对PT411输出的LED驱动电流的控制， 最终实现红蓝光分波段按需定量补光。如图4所示，所述植物智能补光的设备具体包括检测模块，实现光照检测和温度检测，分为温度检测、红光光强检测和蓝光光强检 测三部分，系统供电电压为5V，该模块具体结构框图如图5所示，其中温度检测模块由温度 传感器18B20和其标准调理电路组成，其数据线接入单片机Pl. 0 口，实现温度的采集，完 成步骤200的工作，由于硅光电池的短路电流正比于外界光强，因此本发明的光照检测采 用波长范围在600-700nm的红光2W6和波长范围在400_500nm的蓝光2W6，作为分波段 光强检测的敏感元件，采用4路运算放大器LM324，应用运算放大器小信号标准I/V转换电 路和滤波电路，对检测到的两路硅光电池的短路电流分别进行转换和放大，可通过调整采 样电阻的改变采样电压的范围，经过调理后的两路模拟信号分别接入每个14位ADC模块 MAX1(^6的AIN端输入，转化为数字信号从DOUT端输出，红光数字信号接入单片机Pl. 1 口、 蓝光数字信号接入Pl. 2 口，从而实现分波段光强检测，实现步骤500工作；控制模块，由单片机和其外围电路构成，选用STC12C5A60S2作为核心处理器，采 用标准接口电路5V电源供电，其中PO 口连接液晶屏的8路数据口，Pl 口负责以采样信号相 连，完成监测数据的采集，P2 口连接4*4矩阵键盘，P3. 0、P3. 1用于单片机与串口连接的数 据读写线，完成程序的下载，P3. 2-P3. 7位液晶控制端，P4. 2、P4. 3为单片机PWM控制端输出 口，基于以上本模块电路和相关外设，结合应用自行开发的系统软件，可实现如图3所示的 系统实施例功能流程，根据两波段需补光量对应的PWM占空比，分别输出PWM信号，实现植 物补光的精确控制，由于单片机的晶振频率为12MHz，直接产生的PWM信号频率大于PT4115 接收信号的范围，系统可针对需要采用分频实现；补光模块，包括红光补光模块和蓝光补光模块，红光补光模块由红光补光灯组及 其驱动电路组成，蓝光补光模块由蓝光补光灯组及其驱动电路组成，其中补光灯组为LED 补光阵列，驱动电路为PT4115驱动模块，红蓝两路实现分波段定量补光，其具体结构框图 如图6所示。由于PT4115的输入电压范围在8-30V范围内，因此本发明的一个实施例对两 路采用12V供电，两路PT4115的DIM控制端，分别与两路PWM输出端相连，PWM信号分频后 频率降至100Hz-20KHz范围内，其中红光驱动芯片接入P4. 2产生的PWM信号，蓝光则采用 P4. 3产生的信号，模块中其余端口连接按芯片手册标准方法连接，其中采样电阻的选择，需 根据LED灯组的额定启动电流应用公式计算得到。根据植物吸收光谱本模块采用定制的中 心波长为650nm的窄带红光高亮度大功率LED，通过串联方式接入CSN和电感之间组成LED 阵列；蓝光阵列采用中心波长为450nm的窄带LED，应用串联方式接入电路。最终通过两路 PWM信号占空比的变化，红蓝光驱动芯片PT4115输出电流发生变化，定量改变两路LED阵列 的输出光强，完成步骤800和步骤1000的工作；用户交互模块，由液晶显示屏和4*4矩阵键盘构成，模块采用0CM12864-3液晶屏，其 8 路数据 口 与单片机 PO 口连接，控制端 BG_LCD、LCD_E、LCD_R/W、LCD_RS、LCD_CS2、LCD_ CS1，依次与P3. 2-P3. 7连接，可实现对检测结果和补光效果等的查询显示，其中4*4矩阵键 盘与P2 口的8个I/O 口相连，可根据系统使用需要对系统温度和红蓝光的设置，实现步骤 100的功能。 该补光设备可满足本发明补光方法的所有步骤需求，另外，为节约能源，该补光设 备还可包括电源模块，电源模块利用太阳能板将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，为各 模块提供能源。电源模块由太阳能电池版、蓄电池和控制电路组成。其中控制电路的输入端 与太用能电池相连，输入电压通过LM317及其外为标准电路产生稳定12V输出，实现对12V 蓄电池的充电。由于本系统需要12V和5V两个供电电源，电源模块继而通过MIC29302稳 压变压模块将蓄电池的两端进行稳压输出12V稳压电源信号，同时再次应用MIC29302模块 调整比配电阻产生5V稳压电源信号。其中单片机、检测模块以及用户交互模块均使用5V 电源供电，只有LED补光模块采用12V电源供电，因此该电源模块可完全满足设备的供电需 求，无需外加电源。
权利要求
1.一种植物智能补光的方法，包括以下步骤，第一步，根据植物的各个生长阶段中对红蓝光的需求量，设置红、蓝光阈值；第二步，检测植物生长环境中的红、蓝光强，通过其与相应红、蓝光阈值比较判断，如果 环境红、蓝光强小于所设相应红、蓝光阈值，则判断为需要相应补光，且需补光量为所设红、 蓝光阈值与相应环境红、蓝光强的差，如果环境红、蓝光强大于或者等于所设相应红、蓝光 阈值，则判断为无需补光；第三步，如需补光，则根据需补光量，应用相应补光灯组亮度和驱动电流线性关系曲 线，计算相应补光灯组的输入电流，再根据PWM占空比和输出电流关系曲线，计算出PWM占 空比，然后由单片机调整PWM占空比，从而精确控制补光灯组的亮度，实现按需智能精确补 光，如不需补光，则直接关断补光灯组或使补光灯组继续保持关断状态，补光程序结束。
2.根据权利要求1所述的一种植物智能补光的方法，其特征在于，在所述第一步设置 红、蓝光阈值的同时，还根据植物的各个生长阶段中光合作用的适宜温度范围设置温度阈 值，在所述第二步检测植物生长环境中的红、蓝光强之前，先检测植物生长的环境温度，当 环境温度在所设置温度阈值范围内，则执行所述第二步和第三步，当环境温度在所设置温 度阈值范围外，则直接关断补光灯组或使补光灯组继续保持关断状态，补光程序结束。
3.根据权利要求1所述的一种植物智能补光的方法，其特征在于，所述的补光灯组为 LED阵列，采用包含植物红光吸收峰且半波带范围小的LED组成的红光LED阵列和包含蓝光 吸收峰且半波带范围小的LED组成的蓝光LED阵列。
4.根据权利要求1所述的一种植物智能补光的方法，其特征在于，所述方法周期性循 环，周期可设定。
5.一种植物智能补光的设备，包括，检测模块，实现光照检测和温度检测；控制模块，根据检测模块采集到的数据，分别与设备所设温度阈值以及红、蓝光强阈值 比较，当环境温度在所设置温度阈值范围外，则直接关断补光灯组或使补光灯组继续保持 关断状态，当环境温度在所设置温度阈值范围内，则检测植物生长环境中的红、蓝光强，通 过其与相应红、蓝光阈值比较判断，如果环境红、蓝光强大于或者等于所设相应红、蓝光阈 值，则判断为无需补光，如果环境红、蓝光强小于所设相应红、蓝光阈值，则判断为需要相应 补光，且需补光量为所设红、蓝光阈值与相应环境红、蓝光强的差，则根据需补光量，应用相 应红、蓝补光灯组亮度和驱动电流线性关系曲线，计算相应红、蓝补光灯组的输入电流，再 根据PWM占空比和输出电流关系曲线，计算出PWM占空比，然后由单片机调整PWM占空比， 从而精确控制相应红、蓝补光灯组的亮度，实现按需智能精确补光；补光模块，包括红光补光模块和蓝光补光模块，红光补光模块由红光补光灯组及其驱 动电路组成，蓝光补光模块由蓝光补光灯组及其驱动电路组成，根据红、蓝补光灯组输出光 强和输入电流的关系，控制模块输出的不同占空比PWM信号接入相应驱动电路的控制端， 驱动电路的输出接相应的补光灯组，从而实现对光强的控制；用户交互模块，由显示屏和输入键盘组成，实现实时检测显示、用户分阶段环境阈值修 改、系统补光量查询和系统供电情况显示。
6.根据权利要求5所述的一种植物智能补光的设备，其特征在于，所述的补光灯组为 LED阵列，选用红LED灯发出中心波长为650nm的红光，蓝LED灯发出中心波长为450nm蓝光，且红、蓝光LED灯的波长宽度均小于等于30nm，所述驱动电路采用PT4115为核心驱动芯 片。
7.根据权利要求5所述的一种植物智能补光的设备，其特征在于，还包括电源模块，电 源模块利用太阳能板将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，为各模块提供能源。
8.根据权利要求5所述的一种植物智能补光的设备，其特征在于，所述检测模块采用 两路硅光电池分别在红光波段600-700nm和蓝光波段400-500nm，周期性检测红、蓝光光 强，同时采用DS18B20温度传感器采集当前温度。
9.根据权利要求5所述的一种植物智能补光的设备，其特征在于，所述控制模块为单 片机 STC12C5A60S2。
10.根据权利要求6所述的一种植物智能补光的设备，其特征在于，所述LED阵列中，红 光LED与蓝光LED均勻混合分布，其中红补光灯组能输出的最大光强为蓝补光灯组的5-10倍。
全文摘要
本发明为一种植物智能补光的方法，根据植物的各个生长阶段中对红蓝光的需求量，设置红、蓝光阈值，检测植物生长环境中的红、蓝光强，通过其与相应红、蓝光阈值比较判断是否需补光以及精确补光量，如需补光，则根据需补光量，计算对应补光灯组的输入电流，从而精确控制补光灯组的亮度，实现按需智能精确补光，如不需补光，则关断补光灯组；本发明还提出了实现该方法的一种设备，利用本发明所述的补光方法和设备，可根据植物不同阶段生长的特点，实现对植物按需分波长定量补光。
文档编号H05B37/02GK102077767SQ20101052981
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者冯建合, 刘春芳, 吴婷婷, 岳青, 张海辉, 杨青, 林忠华, 樊宏攀, 段耿耿, 王兴飞, 田威, 翟相雯, 胡瑾, 谭彪, 赵斌, 陈希同 申请人:西北农林科技大学