一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统

1.本发明涉及现代植物栽培、植物生理及自动化控制技术领域，特别涉及一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统。


背景技术：

2.随着智慧农业的发展以及人们对粮食的需求提高，占用空间较小且保证植物生长环境适宜的植物工厂得到了快速发展。在植物工厂中，植物灯是一种常用的光源，植物灯可以促进植物的生长，主要应用植物组织培育、家庭蔬菜、花卉种植以及实验室研究。led植物灯在近几年也得到了快速的发展，led技术目前可以基于不同的发光材料制作出不同波长的led，白光led还可以通过不同荧光粉及配比实现不同的色温，由于光谱可调光源的重要性，采用不同色温或不同波长的led光源的光谱匹配应用的空间巨大，而且led光源具有高光效、寿命长、易于运输保存、体积较小和高可靠性的特点，更加适合占用空间较小的植物工厂使用。
3.目前采用led光源模拟太阳光光谱的研究还在不断深入，并有一部分的产品开始应用在我们的生活，但是还没有广泛使用于植物工厂。而且植物工厂中模拟太阳光的灯具也仅仅是固定在植物上方，不能完全模拟太阳升落的规律，因此不能完全模拟自然环境，长期固定照射可能会导致植物进入光饱和状态，就会造成能源的浪费。植物生长的不同阶段，要需要不同的光照强度和不同的光谱波段，目前比较常用的红蓝光混合照明，这种大多数是人工控制，不能准确知道光照的信息。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中用于植物照射的灯具不能完全模拟自然环境，长期采用固定的位置和光照强度对植物照射导致植物进入光饱和状态的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统，包括：光调控单元，其包括灯珠板、两个灯珠板支架、灯珠驱动器和多个led植物灯珠；两个所述灯珠板支架相对设置，每个所述灯珠板支架设置有模拟太阳活动轨迹的导轨，所述灯珠板的两端分别可移动地连接于两个所述灯珠板支架的所述导轨；多个所述led植物灯珠集成于所述灯珠板上，所述灯珠驱动器与多个所述led植物灯珠电连接；
6.外部设备，其包括与所述灯珠板电连接的电机，所述电机用于驱动所述灯珠板移动；
7.供电单元，其用于为所述光调控单元和所述外部设备供电；
8.主控单元，其分别与所述光调控单元和所述外部设备通信连接，并由所述供电单元供电；所述主控单元通过调控所述灯珠驱动器驱动各个所述led植物灯珠组合得到不同光照强度和不同色温的光源，并通过控制所述电机驱动所述灯珠板沿所述导轨移动。
9.可选地，所述灯珠板的两端通过连接件与所述灯珠板支架连接，所述连接件带动所述灯珠板相对所述导轨移动，所述灯珠板可相对所述连接件转动。
10.可选地，所述外部设备还包括与所述主控单元通信连接的角度传感器和舵机，所述角度传感器用于检测所述led植物灯珠光照面与植物之间的角度，所述舵机用于根据所述角度传感器检测的角度调整所述灯珠板的角度以使得所述led植物灯珠的光照面朝向植物。
11.可选地，还包括与所述控制单元通信连接的人机交互单元，所述人机交互单元包括tft显示屏幕，用于视觉地显示提示信息或功能选择信息。
12.可选地，所述人机交互单元还包括视觉显示于所述tft显示屏幕的光源角度模块、光调控模块、温度信息模块和特定场景调控模块。
13.可选地，所述灯珠板上设置有光敏感应装置，用于感应led植物灯珠产生的光照信息，光照信息通过所述控制单元输出显示于所述tft显示屏幕。
14.可选地，所述灯珠板支架上设置有散热片，用于对所述led植物灯珠产生的热量进行散热。
15.可选地，所述灯珠板上设置有热敏感应装置，用于感应所述led植物灯珠产生的热量。
16.可选地，多个所述led植物灯珠按一字形或圆形或阵列排列集成于所述灯珠板上。
17.可选地，所述led植物灯珠包括红色led植物灯珠、绿色led植物灯珠、蓝色led植物灯珠、暖白色led植物灯珠、冷白色led植物灯珠和深紫外led植物灯珠。
18.由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：
19.本发明提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统中，包括光调控单元、外部设备、供电单元以及主控单元。其中光调控单元包括相对设置的两个灯珠板支架，每个灯珠板支架设置有模拟太阳活动轨迹的导轨，灯珠板的两端分别可以移动地连接于两个灯珠板支架的导轨，多个led植物灯珠集成于灯珠板上，并与灯珠驱动器电连接；供电单元为光调控单元、外部设备及主控单元供电，主控单元通过调控灯珠驱动器驱动各个led植物灯珠组合得到不同光照强度和不同色温的光源，主控单元通过外部设备中的电机驱动灯珠板沿导轨移动，如此，则实现了对植物生长模拟自然环境的动态光照模式，以使得植物在不同的生长阶段获得不同的光照，提升对植物的照射的光利用率，提高植物的生长速度。
附图说明
20.图1是本技术提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统的一实施例中的光调控单元的结构示意图。
21.图2是本技术提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统的一实施例的正视图。
22.图3是本技术提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统的一实施例的侧视图。
23.图4是本技术提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统的一实施例的俯视图。
24.图5为本技术提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统的一实施例中控制单元与灯珠驱动器控制连接的结构框图。
25.图6为本技术提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统的一实施例中控
制单元与外部设备控制连接的结构框图。
26.图7为本技术提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统的一实施例中控制单元与人机交互单元控制控制连接的结构框图。
27.附图标记说明如下：
28.100、光调控单元；10、灯珠板；20、灯珠板支架；21、导轨；30、连接件；31、齿轮。
具体实施方式
29.体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
30.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
32.本技术提供一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统，应用于现代植物栽培，通过模拟太阳光的强度及生落轨迹，提升对植物的照射的光利用率，提高植物的生长速度。在对本技术进行说明之前，先介绍一下光照对植物生长的影响。
33.植物的生长速度并非取决于光源数量，而在于植物表面吸收光辐射能的量，即光照强度。不同光谱范围对植物生理影响不同，波长80～315nm时，对植物的形态与生理过程影响较小；波长315～420nm时，叶绿素吸收少，影响光照效应，阻止茎生长；波长315～420nm时，叶绿素与胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大；波长500～620nm时，色素吸收率低；波长620～750nm时，叶绿素吸收率高，对光合作用于光周期效应有显著影响；波长750～1000nm时，吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽。现在的植物照明工厂中的照明装置基本采用的是静态的照明方式，也就是在一个固定的位置和固定的角度长期照射植物，没有实现动态的照射，容易形成植物光饱和状态，从而浪费能源。因此需要一个可实时调控光照强度并且模拟太阳一天升落轨迹的装置，以在不同角度对植物进行照射，提高光利用率，提高植物的生长速率，有利于植物储存更多的营养物质。
34.为此，本技术提供了一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统，其包括光调控单元100、外部设备、供电单元及主控单元。供电单元为光调控单元100、外部设备以及主控单元供电，主控单元与光调控单元100、外部设备以及供电单元通信连接。
35.光调控单元100包括灯珠板10、两个灯珠板支架20、灯珠驱动器(图中未示出)和多个led植物灯珠(图中未示出)；两个灯珠板支架20相对设置，每个灯珠板支架20设置有模拟太阳活动轨迹的导轨21，灯珠板10的两端分别可移动地连接于两个灯珠板支架20的导轨
21，多个led植物灯珠集成于灯珠板10上，且光照面朝向植物；灯珠驱动器与多个led植物灯珠电连接。通过灯珠板10沿导轨21移动使得灯珠板10上集成的led植物灯珠可以模拟太阳活动的轨迹对植物进行照射。
36.具体地在本实施例中，灯珠板10为一方形长板，灯珠板10长度方向的两端设置有齿轮31，灯珠板支架10的导轨21为齿条，通过齿轮31与齿条啮合使得灯珠板10可沿导轨21移动；多个led植物灯珠按一字形或圆形或阵列排列集成于灯珠板10上，led植物灯珠包括红色led植物灯珠(波长为625nm)、绿色led植物灯珠(波长为525nm)、蓝色led植物灯珠(波长为465nm)、暖白色led植物灯珠(色温范围是3000-3200k)、冷白色led植物灯珠(色温为8000k)和深紫外led植物灯珠(波长为400nm)；led植物灯珠与灯珠驱动器电连接，灯珠驱动器包含pwm调控芯片，能够驱动各个led植物灯珠进行组合，实现目前常用的植物照明光照组合，根据不同植物的生长阶段切换得到不同光照强度和不同色温的光源。
37.通过将多个led植物灯珠集成的灯珠板10通过导轨21移动模拟太阳光的轨迹，动态的光照不但使得植物能获得一定时间内需要的光照强度，还能避免对植物从固定的位置和固定的角度进行长期照射；将多个可利用的led植物灯珠集成于一块灯珠板10上，由于植物生长的不同阶段采用不同的补光方式，通过灯珠驱动器调控可以随意改变光谱分布，不但可以节省在植物不同的生长阶段调节光谱需要更换led植物灯珠的人力和物力，还采用了led植物灯珠模拟太阳光技术，使光谱分布均匀，对植物的生长更有利。
38.可以理解地是，灯珠板10的形状还可以设置为其他的形状，led灯珠的类型和数量液可以根据实际应用场景进行不同的设置。
39.进一步地，灯珠板10的两端通过连接件30与导轨21连接，灯珠板10可相对连接件30转动，齿轮31设置在连接件30上，连接件30带动灯珠板10相对导轨21移动。当连接件30带动灯珠板10沿着导轨21移动时，由于灯珠板10可以相对连接件30转动，在灯珠板10移动到不同位置时，通过调节灯珠板10的角度使得led植物灯珠的光照面都能够照射到植物，从而使得植物能够获得最优的光照角度。可以理解地是，灯珠板10的两端与导轨的连接方式也可以其他连接方式，只要其能实现灯珠板10可相对导轨21移动即可，在此不作限制。
40.灯珠板10上设置有用于感应光照信息的光敏感应装置，光敏感应装置感将即时感应到的光照信息传输至主控单元，具体地在本实施例中，光敏感应装置为光敏电阻(图中未示出)，可以理解地是，光敏感应装置还可以为光敏传感器。
41.灯珠板支架20上还设置有用于对led植物灯珠产生的热量进行散热处理的散热片(图中未示出)，通过在灯珠板10加入散热片，可以达到较快的散热效果，且不会对植物上方的温度造成影响。
42.为了进一步避免led植物灯珠长时间照射产生的热量对植物造成不良影响，灯珠板10上还设置有用于感应所述led植物灯珠产生的热量的热敏感应装置。在led植物灯珠长时间工作后产生较大的热量，通过散热片散去一部分，但植物上方的温度仍超过预设的温度值时，热敏感应装置将温度信息传输至主控单元以使主控单元降低led植物灯珠的功率从而减低发热量。具体地在本实施例中，热敏感应装置为热敏电阻，主控单元通过热敏电阻的阻值变化获得温度变化信息，可以理解地是，热敏感应装置还可以热敏传感器。
43.外部设备包括与灯珠板10电连接的电机，电机用于驱动灯珠板10移动。具体地在本实施例中，外部设置还包括角度传感器和舵机，角度传感器用于检测led植物灯珠光照面
与植物之间的角度，舵机用于根据角度传感器检测的角度调整灯珠板的角度以使得led植物灯珠的光照面朝向植物。优选地，外部设备用于自动调节保护电路的继电器。
44.供电单元与外部12v直流电源连接，经过电源芯片稳压滤波后，分别输出5v和3.3v直流电压，为光调控单元100、外部设备以及主控单元提供直流电源。
45.主控单元包括单片机、与单片机连接的晶振电路、与单片机连接的复位电路。具体在本实施例中，单片机的型号为stm32f103rbt6，其包括flash、ram、定时器、看门狗、rtc、adc、dac、gpio、i2c、usart和便于在线升级的在线调试接口。通过利用单片机的内部资源，可以有效降低成本，并且更具稳定性。
46.主控单元分别通信连接于光调控单元100、外部设备以及供电单元。主控单元通过调控光调控单元100中的灯珠驱动器驱动各个led植物灯珠组合得到不同光照强度和不同色温的光源；通过控制外部设备中的电机驱动灯珠板沿导轨移动；通过控制外部设备中的舵机根据角度传感器检测的角度调整灯珠板的角度；根据灯珠板上设置光敏传感装置和热敏传感装置的监测信息变化控制led植物灯珠的功率以进一步控制led植物灯珠对植物的光照强度、色温以及热量。
47.该植物照明控制系统包括与控制单元通信连接的人机交互单元，人机交互单元包括tft显示屏幕，以用于视觉地显示提示信息或功能选择信息。通过设置人机交互单元，可以了解led植物灯珠的光照强度、对植物的照射角度和照射时间，可以根据不同的生长阶段，实时调节光照信息，更好的对植物进行补光操作。
48.具体地在本实施例中，tft显示屏幕视觉地显示光敏电阻和热敏电阻的提示信息，即光敏电阻感应的光照值以及热敏电阻感应的热量变化，都通过其各自的阻值变化经控制单元输出至tft显示屏幕。
49.人机交互单元还包括视觉显示于tft显示屏幕的光源角度模块、光调控模块、温度模块和特定场景调控模块。角度传感器通过主控单元将灯珠板10实时的角度信息反馈于tft显示屏幕，在光源角度模块中可以对灯珠板10的角度进行查看以及调整；在光调控模块中对led植物灯珠的光照强度和色温进行调整；在温度模块中可以设定对植物上方监测的最大温度值和最小温度值，当超过预设温度时，主控模块可通过调控led植物灯珠的功率来进行降温或者增温；在特定场景调控模块，可以根据实际需要，设置灯珠板10移动地时间、移动的距离等信息，例如设置灯珠板沿灯珠板支架20的90度运动的时间，控制单元获得信息后开始控制电机驱动灯珠板10按设置的时间沿灯珠板支架20的90度往复移动。
50.本实施例的工作原理如下：
51.根据不同植物的不同生长阶段，在tft显示屏幕上选择对应的模块后，主控单元获取信息控制灯珠驱动器驱动led植物灯珠组合得到合适的光照强度和色温，同时控制电机驱动灯珠板10沿导轨21移动，角度传感器实时反馈led植物灯与植物之间的角度信息至tft显示屏幕，通过tft显示屏幕的上的光源角度模块输入需要调整的角度，控制单元获取信息后驱动舵机调整灯珠板10的角度以使得led植物灯珠的光照面朝向植物所能获得的光照最优方向；在对植物照射的过程中，led植物灯珠照射产生的光照值，由光敏电阻感应后经主控单元输出至tft显示屏幕，根据光敏电阻的阻止变化显示于tft显示屏幕上的提示信息，对光调控模块进行设置，主控单元按照设置的信息对led植物灯珠进行调控；led植物灯珠对植物照射过程中产生的热量，通过散热片散去，此外，当植物上方的温度超出设定的检测
温度值，仅靠散热片无法及时散热，热敏电阻将感应的热量变化通过其阻值变化的方式经主控单元输出至tft显示屏幕，对温度模块进行设置，主控单元通过降低led植物灯珠的功率减低热热量，当温度下降到一定程度主控单元自动恢复原有的光照强度。整个工作过程需要的电源由供电单元提供。
52.本发明提供的一种可模拟太阳光周期的植物照明控制系统中，包括光调控单元100、外部设备、供电单元以及主控单元。其中光调控单元100包括相对设置的两个灯珠板支架20，每个灯珠板支架20设置有模拟太阳活动轨迹的导轨21，灯珠板10的两端分别可以移动地连接于两个灯珠板支架20的导轨21，多个led植物灯珠集成于灯珠板10上，并与灯珠驱动器电连接；供电单元为光调控单元100、外部设备及主控单元供电，主控单元通过调控灯珠驱动器驱动各个led植物灯珠组合得到不同光照强度和不同色温的光源，主控单元通过外部设备中的电机驱动灯珠板10沿导轨21移动，如此，则实现了对植物生长模拟自然环境的动态光照模式，以使得植物在不同的生长阶段获得不同的光照，提升对植物的照射的光利用率，提高植物的生长速度。
53.虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。