一种温室补光系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种温室补光系统及方法，所述系统包括检测模块、光源模块以及控制模块；所述控制模块内置植物需光模型以及补光决策单元；所述补光决策单元结合所述检测模块上传的数据以及所述植物需光模型，以所述光源模块的光照强度不在设定范围内为条件，计算补光量并下发控制信号给所述光源模块；所述光源模块包括光源单元，所述光源单元包括激光光源以及消相干器件，以产生均匀的照明光；所述光源单元的开启个数根据所述补光量的大小确定。本发明的系统及方法，光源的光强可变、光源高度可调，真正实现了自动、精准、按植物实际需求调控温室内光照强度。
【专利说明】一种温室补光系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及温室补光【技术领域】，更具体涉及一种温室补光系统及方法。
【背景技术】
[0002]温室内光强和光质对植物的光合作用、生长发育、物质代谢及结构形态等都具有重要意义。
[0003]温室中光强不够，光质不适合，无法满足植物生长所需光照，进而会影响植物生长发育、影响作物产量、果实口感等，具体表现如下:
[0004]1.不同季节、一天不同时段，温室内透光量不同；冬春两季日照时间短，作物生长缓慢，产量低。
[0005]2.植物对光照时间与强度有一定的要求，如西瓜光照时间少于11小时则幼果全部脱落；对光照强度要求中等的蔬菜如豌豆、菜豆、芹菜、萝卜、葱等，光照强度不够会影响果实的口感。
[0006]3.当光照强度比较低时，植物生长会出现衰弱、徒长等现象；当光照强度低于其补偿点时，植株干质量下降，甚至死亡。
[0007]现阶段我国大部分温室仍依靠白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯等作为光源对植物进行补光。这些补光系统存在着光谱匹配不理想、光能利用率低、未考虑其他环境因素的影响等缺点，同时存在着能耗过高导致难以在实际生产中形成较高投入产出比。基于LED的补光系统中，目前大部分研发方案和产品米用定光强、定光质的补光方式，未考虑不同植物不同阶段需光量的差异，造成补光不足和补光过度并存的现象，仍未能真正意义上实现低能耗精准化补光的问题。
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]本发明要解决的技术问题是如何在温室内实现根据作物的品种、生长阶段按需进行补光，实现低能耗、自动化以及精准补光。
[0010](二)技术方案
[0011]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种温室补光系统，包括检测模块、光源模块以及控制模块；
[0012]所述控制模块内置植物需光模型以及补光决策单元；所述补光决策单元结合所述检测模块上传的数据以及所述植物需光模型，以所述光源模块的光照强度不在设定范围内为条件，即以不满足植物需求为条件，计算补光量并下发控制信号给所述光源模块；
[0013]所述光源模块包括光源单元，所述光源单元包括激光光源以及消相干器件，以产生均匀的照明光；所述光源单元的开启个数根据所述补光量的大小确定。
[0014]优选地，所述激光光源为双光谱激光光源。
[0015]优选地，所述双光谱激光光源为430nm+662nm的双光谱激光光源，或454nm+643nm的双光谱激光光源。
[0016]优选地，所述光源单元还包括扩束器件，其将所述激光光源发射的激光进行扩束操作，然后再由所述消相干器件进行处理。
[0017]优选地，所述系统还包括位置调节模块；所述位置调节模块包括升降架以及滑道；所述光源模块设置于所述升降架上，所述升降架设置于所述滑道上，并沿所述滑道上下运动；
[0018]所述位置调节模块的位置信息由所述检测模块采集并上传给所述控制模块，所述补光决策单元结合所述检测模块采集的位置调节模块的位置信息以及所述植物需光模型，以所述位置调节模块的位置不在设定范围内为条件，计算得到所述位置调节模块的位置更新信息，并下发控制信号给所述位置调节模块。
[0019]优选地，所述位置调节模块还包括步进电机以及行程开关；所述步进电机接收所述补光决策单元的控制信号，控制所述升降架的上升和下降；所述行程开关设置于所述升降架的两端，以限制所述升降架的运动行程。所述行程开关的触点动作之后，发送信号给所述步进电机，由所述步进电机控制所述升降架运动。
[0020]优选地，所述检测模块包括温度传感器、光照传感器以及位置传感器，并通过无线的方式将监测数据传送给所述控制模块。
[0021]优选地，所述系统还包括交互模块；所述交互模块包括键盘和显示器；
[0022]所述键盘用于设定温度初值、所述光源模块的光照强度初值以及所述位置调节模块的位置初值，并传送给所述控制模块；所述键盘还用于设置所述系统的启动状态、所述系统的停止状态，并发送控制信号给所述控制模块；所述显示器用于显示所述检测模块检测到的数据信息。
[0023]本发明还公开了一种温室补光方法，所述方法包括以下步骤:
[0024]S1、采集温室数据信息；
[0025]S2、结合所述温室数据信息以及植物需光模型，以光照强度不在设定范围内为条件，即以不满足植物需求为条件，计算补光量并下发补光量控制信号；
[0026]S3、根据所述补光量控制信号，调整光源补光量。
[0027]优选地，所述方法还包括以下步骤:
[0028]S4、采集光源的位置信息；
[0029]S5、结合所述光源的位置信息以及所述植物需光模型，以所述光源的位置不在设定范围内为条件，计算得到光源的位置更新信息，并下发位置控制信号；
[0030]S6、根据所述位置控制信号调节所述光源模块的高度和水平位置。
[0031](三)有益效果
[0032]本发明提供了一种温室补光系统及方法，本发明通过采用激光光源以及消相干器件得到了均匀的照明光，并可以通过改变光源单元的开启数目改变光源的光照强度，同时控制模块根据植物需光模型，结合检测模块上传的采集数据，经过计算得到补光量，实现了实时、自动、精准、按植物实际需求调控温室内光照强度；
[0033]在本发明的优选方案中，通过调节激光光源可实现不同光谱的激光光源匹配，满足了不同植物、不同季节对光质的要求；另外本发明可通过调节位置调节模块的位置，改变光源模块的位置，满足了不同植物对照射高度的不同要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]图1为本发明的一种温室补光系统的结构示意图；
[0036]图2为本发明的一种温室补光方法流程图；
[0037]图3为本发明的一个较佳实施例的一种温室补光方法流程图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0039]图1为本发明的一种温室补光系统的结构示意图；所述一种温室补光系统，包括检测模块5、光源模块4以及控制模块8 ;所述光源模块4包括光源单元，所述光源单元包括激光光源以及消相干器件，以产生均匀的照明光；所述控制模块8内置植物需光模型以及补光决策单元；所述所述补光决策单元结合所述检测模块5上传的数据以及所述植物需光模型，以所述光源模块4的光照强度不在设定范围内为条件，计算补光量并下发控制信号给所述光源模块，具体为若所述光源模块4的光照强度在设定范围内，若是则不对所述光源模块4的光照强度进行调节；否则由所述补光决策单元计算补光量，并下发控制信号给所述光源模块4。
[0040]优选地，所述光源单元至少I个，并且使用双光谱激光光源。所述双光谱激光光源为430nm+662nm双光谱激光光源，或454nm+643nm双光谱激光光源。所述光源单元还包括扩束器件，其将所述激光光源发射的激光进行扩束操作，然后再由所述消相干器件进行处理，主要是为了消除照明区域内由于光干涉引起的照明不均匀。所述扩束器件可采用双镜片扩束，半导体激光管阵列/扩束透镜阵列，或光纤等。光源模块可由若干标准光源单元组成，每个所述光源单元用于产生一个标准单位面积的均匀照明光。所述光源单元的开启个数根据所述补光量的大小确定，以适应不同温室要求。
[0041]所述光源模块可以根据温室的面积，合理选择所述光源单元的个数。根据控制器的控制信号来调整所述光源单元的工作状态，从而实现光强的按需、精准控制。所述光源模块由激光可调电源进行供电。
[0042]优选地，所述系统还包括位置调节模块；所述位置调节模块包括升降架3、滑道I以及轨道；所述轨道位于温室的顶部，所述光源模块位于所述升降架的下方，所述升降架安装在所述滑道上，所述滑道安装于所述轨道上。通过所述轨道改变所述光源模块的水平位置，通过所述滑道和升降架改变所述光源模块的竖直高度；所述位置调节模块包括还包括步进电机2以及行程开关7 ;所述行程开关安置于所述升降架的两端，以限制所述升降架的运动行程；所述步进电机5、所述控制模块均位于所述升降架的底部，并由所述步进电机控制所述升降架的上升和下降。所述行程开关的触点动作之后，发送信号给所述步进电机，由所述步进电机控制所述升降架运动。
[0043]所述位置调节模块用于调节光源模块的位置。所述升降架不仅可以调整所述光源模块地面的高度，还可以任意调整其在温室的水平位置，其位置通过步进电机和行程开关来调整其位置。所述位置调节单元有自动和手动两种方式调节所述光源模块的位置以满足植物不同生长阶段对光源位置变化的需求。
[0044]所述位置调节模块的位置信息由所述检测模块采集并上传给所述控制模块，所述补光决策单元结合所述检测模块采集的位置调节模块的位置信息以及所述植物需光模型，以所述位置调节模块的位置不在设定范围内为条件，计算得到所述位置调节模块的位置更新信息，并下发控制信号给所述位置调节模块。具体为所述补光决策单元计算得到位置调节模块的位置更新信息，判断现在位置调节模块的位置是否在设定范围内，若是则不对所述位置调节模块的位置进行调节，否则下发控制信号给所述位置调节模块。
[0045]优选地，所述检测模块包括温度传感器、光照传感器以及位置传感器，并通过无线的方式将监测数据传送给所述控制模块。所述检测模块的传感器根据温室特点，放置于温室恰当位置；所述检测模块用于检测温室内的现有光照强度、温度和光源模块的位置信息为所述控制模块提供基础数据。
[0046]优选地，所述系统还包括交互模块6 ;所述交互模块包括键盘和显示器；所述键盘用于设定温度初值、所述光源模块的光照强度初值以及所述位置调节模块的位置初值，并传送给所述控制模块；所述键盘还用于设置所述系统的启动状态、所述系统的停止状态，并发送控制信号给所述控制模块；所述显示器用于显示所述检测模块检测到的数据信息，即当前温室内光照强度、温度、位置调节模块的位置等信息。所述交互模块还包括信号灯和蜂鸣器，用于预警。
[0047]所述交互模块用于用户与系统间的交互；所述键盘还用于对系统设置暂停等控制信号。所述交互模块安置于温室合适位置，其与控制模块通过无线网络进行数据交换。
[0048]本发明的系统还包括电源模块9，所述电源模块采用太阳能供电，其为所述控制模块、步进电机和光源模块提供能源支持。
[0049]本发明的一个较佳实施例的系统工作时，首先由交互模块给出启动信号，并设置光照强度初值、温度初值、位置调节模块初值，将信号通过无线网络传递给控制模块，由控制模块接收检测模块的检测数据，并根据内置的算法给出补光方案，并给出相应控制信号，使得步进电机工作，控制升降架的高度和水平位置；根据控制信号，调整光源模块工作的光源单元个数，从而实现按需自动精准补光。该系统光强可变、高度可调，可以按照植物特点、生长阶段对光照的需求调节光强、高度。
[0050]本发明还公开了一种温室补光方法，所述方法包括以下步骤:
[0051]S1、采集温室数据信息；
[0052]S2、结合所述温室数据信息以及植物需光模型，以光照强度不在设定范围内为条件，计算补光量并下发补光量控制信号；
[0053]S3、根据所述补光量控制信号，调整光源补光量。
[0054]优选地，所述方法还包括以下步骤:
[0055]S4、采集光源的位置信息；
[0056]S5、结合所述光源的位置信息以及所述植物需光模型，以所述光源的位置不在设定范围内为条件，计算得到光源的位置更新信息，并下发位置控制信号；
[0057]S6、根据所述位置控制信号调节所述光源模块的高度和水平位置。
[0058]所述步骤SI具体为:由检测模块采集温室数据信息，并上传给控制模块；
[0059]所述步骤S2具体为:所述控制模块的补光决策单元,所述补光决策单元结合所述检测模块上传的数据以及植物需光模型，以所述光源模块的光照强度不在设定范围内为条件，计算补光量并下发控制信号给所述光源模块；
[0060]所述步骤S3具体为:由所述光源模块根据所述控制信号，调整补光量。
[0061]优选地，所述方法还包括以下步骤:
[0062]所述步骤S4具体为:由所述检测模块采集所述位置调节模块的位置信息，上传给所述控制模块；
[0063]所述步骤S5具体为:所述补光决策单元结合所述检测模块采集的位置调节模块的位置信息以及所述植物需光模型，以所述位置调节模块的位置不在设定范围内为条件，计算得到所述位置调节模块的位置更新信息，并下发控制信号给所述位置调节模块；
[0064]所述步骤S6具体为:由所述位置调节模块调节所述光源模块的高度和水平位置。
[0065]所述步骤SI进行之前，首先由交互模块的键盘设置所述系统的启动状态，之后设定温度初值、所述光源模块的光照强度初值以及所述位置调节模块的位置初值，并传送给所述控制模块；所述键盘还可以设置所述系统的停止状态，并发送控制信号给所述控制模块。所述步骤Si中，检测模块采集的数据信息由交互模块的显示器进行显示。
[0066]所述步骤S3中，所述光源模块的补光量的大小由所述光源模块中启动的光源单元的个数和位置决定；所述光源单元采用双浦激光光源。
[0067]所述步骤S6中，位置调节模块通过其轨道控制所述光源模块水平方向的位置，通过升降架和滑道控制所述光源模块竖直方向的高度。
[0068]本发明的方法可按照作物需要补光，实现智能补光，实现一个补光系统可对应多种不同温室、不同作物，提高了光照补偿效率，节约了成本，采用激光光源，具有光谱集中，效率高，能耗低等特点，有效节省能源。
[0069]以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种温室补光系统,包括检测模块；其特征在于，还包括光源模块以及控制模块； 所述控制模块内置植物需光模型以及补光决策单元；所述补光决策单元结合所述检测模块上传的数据以及所述植物需光模型，以所述光源模块的光照强度不在设定范围内为条件，计算补光量并下发控制信号给所述光源模块； 所述光源模块包括光源单元，所述光源单元包括激光光源以及消相干器件，以产生均匀的照明光；所述光源单元的开启个数根据所述补光量的大小确定。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光光源为双光谱激光光源。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述双光谱激光光源为430nm+662nm的双光谱激光光源，或454nm+643nm的双光谱激光光源。
4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述光源单元还包括扩束器件，其将所述激光光源发射的激光进行扩束操作，然后再由所述消相干器件进行处理。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括位置调节模块；所述位置调节模块包括升降架以及滑道；所述光源模块设置于所述升降架上，所述升降架设置于所述滑道上，并沿所述滑道上下运动； 所述位置调节模块的位置信息由所述检测模块采集并上传给所述控制模块，所述补光决策单元结合所述检测模块采集的位置调节模块的位置信息以及所述植物需光模型，以所述位置调节模块的位置不在设定范围内为条件，计算得到所述位置调节模块的位置更新信息，并下发控制信号给所述位置调节模块。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述位置调节模块还包括步进电机以及行程开关；所述步进电机接收所述补光决策单元的控制信号，控制所述升降架的上升和下降；所述行程开关设置于所述升降架的两端，以限制所述升降架的运动行程。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述检测模块包括温度传感器、光照传感器以及位置传感器，并通过无线的方式将监测数据传送给所述控制模块。
8.根据权利要求5至7任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括交互模块；所述交互模块包括键盘和显示器； 所述键盘用于设定温度初值、所述光源模块的光照强度初值以及所述位置调节模块的位置初值，并传送给所述控制模块；所述键盘还用于设置所述系统的启动状态、所述系统的停止状态，并发送控制信号给所述控制模块；所述显示器用于显示所述检测模块检测到的数据信息。
9.一种温室补光方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 51、采集温室数据信息； 52、结合所述温室数据信息以及植物需光模型，以光照强度不在设定范围内为条件，计算补光量并下发补光量控制信号； 53、根据所述补光量控制信号，调整光源补光量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤: . 54、采集光源的位置信息；. 55、结合所述光源的位置信息以及所述植物需光模型，以所述光源的位置不在设定范围内为条件，计算得到光源的位置更新信息，并下发位置控制信号； . 56、根据所述位置控制信号调节所述光源模块的高度和水平位置。
【文档编号】G05D25/02GK104407647SQ201410602205
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】冀荣华, 郑立华, 高万林, 祁力钧, 任延昭 申请人:中国农业大学