一种植物工厂的多光谱灯板装置的制作方法

本发明涉及一种灯板装置，具体是一种植物工厂的多光谱灯板装置，属于光电应用技术领域。

背景技术：

现有植物厂人工led光源，通常采用两种光谱（红光和蓝光）的led光源为植物提供光照，不同光谱的光照比例采用调节照明器具数量和功率的方式进行设定，其光照强度在使用中不作调整或者通过手动更换灯条的方式进行调整。此类光源在使用中存在一些限制，主要包括：

1、植物生长不同阶段所需的光照比例只能固定搭配，输入功率难以动态调节，不能达到最大的能耗效益比。

2、由于led的老化和光衰，固定的输入功率在不同使用周期，实际的光照强度会随着照明器具的老化而不断变化，但无法自动调节和稳定，这种变化会影响植物工厂的生产效率和植物品质。

3、不同光谱的光线对不同植物和不同阶段的影响区别明显，但由于现有灯板只有两种光谱固定比例，难以满足各植物生长阶段和不同植物品种所需光照的条件，实现更高效的生长控制。

4、传统光谱只设置了红、蓝两种光谱，这两种光谱对植物生长影响最大，但其他光谱如红外，紫外等光谱虽然对植物生长影响较小，但在不同阶段仍然对植物的品质影响明显，传统灯板难以满足此类需求，因此传统的led人工灯板在应用上存在着一定的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种植物工厂的多光谱灯板装置，以解决上述背景中提出的传统的灯板难以针对实际情况进行监测和动态调节且光谱缺失红外光及紫外光的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下方案：

一种植物工厂的多光谱灯板装置，包括灯板、控制器和电源模块，所述电源模块与控制器电性连接，所述控制器包括单片机、光电传感器、驱动电路和控制器供电，所述单片机的第一通信接口通过串行通信的方式与计算机的通信接口信号相接，所述单片机的第二通信接口通过串行通信的方式与光电传感器的信号输出接口信号相接，所述单片机的信号输出接口与驱动电路的信号输入接口信号相接，所述驱动电路的输出端通过占空比调节方式与灯板电性相接，且每一路驱动电路对应一块灯板上的同种灯珠，所述灯板上安装有多个led灯珠，所述led灯珠包括红色光led灯珠、蓝色光led灯珠、红外光led灯珠和紫外光led灯珠，且四种灯珠相互间隔并等间距的均匀布置在灯板上，所述四种led灯珠形成红光、蓝光、红外光和紫外光的最大输入功率比为1：1：0.72：0.16，所述同种led灯珠通过串联的方式电性相接，且每一组同种led灯珠的串联电路与对应的一路驱动电路电性相接。

本发明中作为优选的，所述每一个控制器对应一块灯板模块，所述控制器中的每一路驱动电路分别对应灯板模块上安装的每一组同种灯珠，且所有驱动电路的输出的占空比为独立控制，范围均为0-100%。

本发明中作为优选的，所述控制器供电的输入端与电源模块的输出端电性相接，所述控制器供电的输出端分别与单片机和驱动电路的电源输入端电性相接。

本发明中作为优选的，所述单片机通过第一通信接口接受计算机设备发送来的不同光谱的光照强度值的设置命令，通过计算转换为对应的pwm控制输出信号，每路输出信号经光耦电路隔离后，分别输出到一路驱动器，从而实现控制输出电流。

本发明中作为优选的，所述光电传感器通过读取不同光谱的光照强度值，获得的光照强度值通过第二通信接口传送给单片机，所述单片机根据光谱的波长和光照强度值转换为对应的光谱能量，并与设定值进行对比，所述控制器再根据与设定值之间的对比偏差，修正输出的pwm控制信号值。

本发明中作为优选的，所述一块灯板为一块灯板模块，且灯板模块为50cm*50cm的铝基电路板，所述一块灯板模块上共安装有144只led灯珠包括红色光led灯珠50只、蓝色光led灯珠50只、红外光led灯珠36只和紫外光led灯珠8只，且每只led灯珠的中心间距为4cm。

本发明中作为更优选的，所述红色光led灯珠的中心波长光谱范围为650-665nm，所述蓝色光led灯珠的中心波长光谱范围为435-455nm，所述红外光led灯珠的中心波长光谱范围为730-740nm，所述紫外光led灯珠的中心波长光谱范围为365-370nm。

本发明中作为更优选的，所述灯板的led的总输入功率可达到144w，最小输入功率可设为0w，可实现0-576w/m²的可调输入功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）、可以采用预定义光照曲线方式对植物光照进行设定，从而实现自动化的植物光照调节，达到人工植物栽培的能源消耗优化。

（2）、培养过程中可以通过外接计算机的式对植物光照进行实时控制，并能够实时获取不同光谱的照度值，从而实现控制策略的信息反馈，为进一步完成控制策略优化和改进提供依据。

（3）、由于多种不同光谱可以实现不同比例，不同强度的调节，因此，可以提供更灵活的光照组合条件，为不同种类的植物栽培和植物栽培的不同阶段提供光照支持，不需要通过人工更换灯板的方式来满足不同种植的光照需要。

（4）、由于采用传感器进行光照强度反馈，可以实现更加准确的光谱能量控制，避免非反馈方式下的不确定性。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为本发明的灯板led布局示意图。

图3为本发明的控制板系统结构图。

图4为本发明的led灯珠串联工作原理图。

图5为本发明的led灯珠驱动电路原理图。

图6位本发明的控制电路工作原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅附图1～3，一种植物工厂的多光谱灯板装置，包括灯板、控制器和电源模块，所述电源模块与控制器电性连接，所述控制器包括单片机、光电传感器、驱动电路和控制器供电，所述单片机的第一通信接口通过串行通信的方式与计算机的通信接口信号相接，所述单片机的第二通信接口通过串行通信的方式与光电传感器的信号输出接口信号相接，所述单片机的信号输出接口与驱动电路的信号输入接口信号相接，所述驱动电路的输出端通过占空比调节方式与灯板电性相接，且每一路驱动电路对应一块灯板上的同种灯珠，所述灯板上安装有多个led灯珠，所述led灯珠包括红色光led灯珠、蓝色光led灯珠、红外光led灯珠和紫外光led灯珠，且四种灯珠相互间隔并等间距的均匀布置在灯板上，所述四种led灯珠形成红光、蓝光、红外光和紫外光的最大输入功率比为1：1：0.72：0.16，所述同种led灯珠通过串联的方式电性相接，且每一组同种led灯珠的串联电路与对应的一路驱动电路电性相接。

参阅附图1，一种植物工厂的多光谱灯板装置，由三部分组成：一是若干组不同光谱的led灯珠组成的灯板（图中标识1）。二是由单片机，光电传感器和驱动电路组成的控制器（图中标识2）。；三是为灯板及系统工作提供电源的电源模块(图中标识3)。

参阅附图2，灯板尺寸为50cm*50cm,铝基电路板（图中2_5）作为固定和安装的底板,安装灯珠共144只，灯珠中心间距为4cm，灯珠包括四种不同光谱：其中中心波长为650-665nm的红色光led灯珠50个（图中标识2_1圆形标识）;中心波长光谱为435-455nm的蓝色光led灯珠50个（图中标识2_2正方形标识）;中心波长为730-740nm的红外光led灯珠36个（图中标识2_3三角标识）;中心波长为365-370nm的紫外光led灯珠8个（图中标识2_4星形标识）。通过调整四种光谱led灯珠的输入功率，可以得到多种比例的光照条件。所述灯板的led的总输入功率可达到144w，最小输入功率可设为0w，可实现0-576w/m²的可调输入功率。为保证光照的均匀性，每种光谱的led灯珠以铝基电路板为范围，尽可能采用均匀分布方式进行布局安装，同时确保不同光谱的led灯珠尽可能地均匀间隔部署。灯板固定和安装用的铝基电路板（图中标识2_5)，在固定时需要适当安装散热片，以确保足够的散热面积。

参阅附图3，控制器包括单片机（图中标识3_1）模块，驱动电路（图中标识3_2），光电传感器（图中标识3_3）和控制器供电（图中标识3_4）四部分，其中单片机（图中标识3_1）通过串行通信1接收来自其他设备如pc机或控制设备的命令，并根据命令要求调节驱动电路（图中标识3_2）的控制信号改变驱动电路（图中标识3_2）的输出电源，以调节不同光谱灯珠的供电功率，达到控制人工光源不同光谱比例和强度的目的，所有驱动电路（图中标识3_2）的输出的占空比为独立控制，范围均为0-100%。单片机（图中标识3_1）通过串行通信2与光电传感器（图中标识3_3）通信，读取不同输出状态下的光照值。控制器供电（图中标识3_4）为单片机（图中标识3_1）、光电传感器（图中标识3_3）和驱动电路（图中标识3_2）提供工作所需电源。

本发明的工作原理及实施例：

1、控制器（图1中标识2）通过串行通信1（图1中标识2_1_1）,接收由pc机或其他设备发送的控制命令，通过解析命令获得设定的不同光谱的光照强度值，每种光谱一个值，控制器针对每一种光谱值控制产生其对应的pwm控制信号，控制信号将控制驱动电路输出对应的驱动电流点亮相应光谱的led灯珠，（驱动电路原理如图5所示）。控制信号共有四路（如图6中所标识的tim3_ch1至tim3_ch4），每一路控制信号对应一种光谱的驱动电路控制。通过pwm控制信号的占空比，可以调节相应驱动电路的输出平均电流，从而实现对不同光谱ledo灯珠亮度的控制。

2、单片机（图6中标识u1a，型号为stm32f103rct6）是系统控制核心，该单片机可以通过串行通信口（图6中标识u2，为max3485芯片）接收其他设备发送来的，不同光谱的光照强度值设置命令，通过一定计算转换为对应的pwm控制输出信号（图6中标识tim3_ch1,tim3_ch2,tim3_ch3,tim3_ch4）,每路输出信号经光耦电路（图6中标识op1）隔离后，分别输出到一路驱动器（图5中ic1-ic4，型号为mh9416）第2引脚标识pwm_in，从而实现控制输出电流（图5中标识red1±，blue±，fred±，uv±分别表示红光，蓝光，红外光，紫外光灯珠驱动器），四路输出信号分别控制四路驱动器电路，对应控制红，蓝，红外，紫外四种不同光谱的led灯珠。

3、光电传感器(图6中标识3_3，型号为rs-gz-n01-2，光强读取范围0-20万lux)读取不同光谱的光照强度值，获得的光照度值，由串行通信口2传给控制器（图3中标识3_1），控制器根据光谱的波长和光强度值转换为对应的光谱能量，并与设定值进行对比。控制器再根据与设定值之间的对比偏差，修正输出的pwm控制信号值。以满足用户的设定要求。

4、电源模块(图1中标识1_4)为系统中的灯板（图1中标识1_1）和控制器（图1中标识1_2）提供必要的电源支持，方案中采用电压36v，350w交流转直流电源。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。