一种动态光照LED植物灯系统的制作方法

本发明涉及植物光照系统技术领域，特别涉及一种动态光照led植物灯系统。

背景技术：

植物生长照明系统是智慧大棚和植物工厂等室内种植中的重要单元，光照在植物光形态建成、质体分化和植物生长发育中具有关键作用，不仅是植物光合作用的推动力，更是植物生长的调控信号，通过激发相关基因表达来调节植物的生长发育过程，影响种植物产量和品质形成。植物体内存在一系列光受体，使得植物可以准确和及时地感应光环境的变化。现有研究表明，对植物生长的光环境（光照强度、光质配比、光照周期和光照时间分布）进行全面、精细的调控，制定合理的光照调控方案和光配方，不仅能显著改善植物品质，而且能有效降低光源能耗。

在光照强度方面：植物光合作用的强弱与光照强弱密切相关，随着光照强度增加，光合作用同化co2量与呼吸作用释放co2量相等的节点为光补偿点，光合作用不再随光强增加而增大的节点为光饱和点，在植物的不同生长阶段动态调整光照强度，能够使植物净光合作用最大，光能利用率最高。

在光质方面：植物在进行光合作用时，叶绿素吸收光谱最强的区域在波长为600~700nm的红光波段和420~470nm的蓝光波段，即植物光合作用在蓝光和红光波段的光量子效率最高。除了影响光合作用速率，白光、红光、黄光、蓝光、绿光等不同光质对植物的生长发育有不同的调控作用，影响植物叶绿体形成、光合色素合成、叶片气孔运动、叶片伸展、碳同化和根茎生长，影响可溶性蛋白质和糖类的生物合成，调控植物生理生化、碳水化合物代谢、蛋白质生成、总酚、花青素和抗坏血酸等次生代谢产物合成。动态调节光质，能够促进植物的光形态建成、根系和茎秆发育、调控激素平衡、硝酸盐、维生素c、花青素和可溶性蛋白等物质含量，缓解叶绿素降解、降低硝酸盐含量、提高抗坏血酸、可溶性糖及可溶性蛋白含量等。

在光周期方面：光周期是影响植物生长发育及物质合成代谢的重要环境因子。植物体内物质代谢过程随昼夜交替而呈现周期性变化。不同光照周期通过植物的隐花色素影响生物节律钟，调控种子萌发和幼苗发育，影响光合产物的生成、碳水化合物的积累和营养品质，调控植物开花时间。

在光照时间分布方面：光照的时间分布是指同一种光质、光强的组合在一个光周期时间轴上的分布，主要体现在连续供光、交替供光和间歇供光等模式差异。例如，在24h的昼夜周期中可以采用连续供光（16h光照，8h黑暗）、循环2次间歇供光（每次8h光照，4h黑暗）、循环4次间歇供光（每次4h光照，2h黑暗）等等模式。不同的供光时间分布对植物的株型、干物质、粗纤维、淀粉和可溶性糖含量积累有重要的调控作用。

光配方是促进植物生长或调控品质所采用的光照强度、光质配比、光照周期和光照时间分布参数。植物在不同生长阶段的最优光配方不一样，在发芽、成株、开花和结果等生长阶段可以采用不同的光配方，组合为光照方案，动态调整光照环境，使植物一直生长在相对最优的状态，促进植物的高效培育。例如：在种子萌发阶段采用红光照射促进萌发，在幼苗阶段添加蓝光抑制徒长、添加绿光提高根系活力，在培育阶段采用特定比例的红蓝光质促进植物生长、提高产量，在开花结果阶段利用光周期调节开花结果时间、缩短周期，在采收前采用连续光照调控品质等。

led作为人工光源，具有发热小、光配方精确可控、安装适配模式多样、寿命长、光衰缓慢等优点，已经被广泛认为是植物补光的合适光源。目前应用于植物补光灯的光源光质主要通过将波长660nm的红光和460nm的蓝光单色led芯片进行组合，通过若干单芯片led交替排布组合成灯管或灯板，一些新开发的led光源也会在其中添加少量的紫外和远红光。led荧光植物生长灯通过在低波长的蓝、紫光led芯片表面涂敷组分经过调制的荧光粉，将部分蓝紫光转变成红光或其他光。

led灯珠的发光亮度取决于驱动电流的平均值大小，一般以恒流方式驱动，通过调节驱动电流改变发光亮度。在驱动采用不同灯珠搭配或荧光粉调配光谱的led植物灯时，通常采用的方式是将若干不同光质的灯珠芯片串联为混光支路（例如，将4颗红光灯珠串联1颗蓝光灯珠，构成红蓝比为4:1的混光支路），再将多个混光支路并联组合为led植物灯，最后用单一输出的led驱动电源供电。驱动电源的输出电流固定，以恒流方式驱动led灯，此种方式的光谱固定，光质比和亮度不可调节。另一种方式是先将若干同一光质的灯珠芯片串联，再串联均流电阻后，组成单一光质的led支路，再将不同光质的led灯珠支路并联后，组合为led植物灯。此类植物灯有两种驱动方式：一种是用单一输出的led驱动电源供电，驱动电源的输出电压固定，通过均流电阻调节不同光质led灯珠支路的电流。这种驱动方式在选定灯珠和均流电阻大小后，光质比不可调。另一种驱动方式是将不同光质的led灯珠支路以共阳极的方式并联，在各支路的阴极末端增加调光开关，利用led发光亮度仅取决于平均电流大小的特性，以pwm调光的方式改变不同光质led灯珠支路的驱动电流平均值，实现混光后的光谱调整。这种驱动方式以脉冲电流的方式实现驱动电流平均值恒定，存在频闪问题，即实际led灯珠工作于闪烁状态。pwm频率在80hz以上时的频闪人眼不可见，但是有频闪的光照有别于自然光的连续光照，对植物光合作用有潜在危害。

专利cn206944051u公开了一种通过若干红光、黄光、白光、紫光led灯珠搭配成led整列的光谱可调led生长灯，可以调整光谱。

专利cn202182363u公开了一种通过改变红光和蓝光灯珠数量和开关控制实现光照强度可调的led灯带。

专利cn204670053u公开了一种通过led阵列和不同颜色的透镜实现可调光谱的微型植物工厂。

专利cn209234363u公开了一种通过调整机械结构实现植物灯光谱模块选择的种植大棚。

专利cn209250914u公开了一种通过红外传感器检测植物高度，并通过改变红色、绿色、蓝色发光体数量改变光谱的led植物照明系统。

专利cn207349911u公开了一种放置多种led灯珠，并通过旋钮调节亮度的植物生长灯。

专利cn207635101u公开了一种通过无线通信调节红蓝配比和光照强度的led植物灯。

专利cn110301253a公开了一种植物照明光谱调节的方法，利用单个led芯片配合荧光粉技术，通过调节荧光粉的重量比，满足植物不同生理时期下的光照需求。

专利cn110285359a公开了一种通过支撑杆高度的调节光强的植物照明用led灯。

专利cn110249833a公开了一种在常规led光源的基础上添加低剂量长波紫外光提高植物工厂叶菜产量及品质的方法。

专利cn109964683a公开了一种在光周期中加入低剂量远红光，提高植物工厂叶菜光能利用效率的方法，促使叶菜表现出茎和叶柄伸长、叶角抬高、叶面积增大等阴生植物的特性。

专利cn109751537a公开了一种led灯珠交错间隔设置的植物生长灯，解决区域内波长不够均匀的技术问题。

专利cn104359049a公开了一种调整人工光源强度、距离植物冠层的距离、调焦透镜为植物提供精准的光照范围和强度的方法和设备。

专利cn105828479a公开了一种通过调节滑动变阻器实现不同led灯光源的光质比r/b的连续可调的驱动电源。

目前大多数现有植物灯提供的光照条件受限于灯珠搭配或荧光粉调配，混光后容易产生光斑问题，光照不够均匀，安装后光照强度和光质比不易调整。各发光支路串联的均流电阻影响实际用电效率。

以pwm方式实现亮度和光质调节的植物灯实际工作于闪烁状态，有别于自然光的连续光照，对植物生长存在潜在影响。

在目前的led植物灯驱动方式下实现光照调节时，需要持续的外部通信连接、频繁的人工干预或复杂的调光控制系统，不能实现光照强度、光质比、光周期和光照时间分布的动态自主调节。

现有补光装置的led植物灯采用不同颜色的灯珠（以红光和蓝光灯珠）搭配成led阵列，发光后混合为某一特定光质比，或采用荧光粉调配光谱。装置安装完成后，不同颜色的灯珠配比固定。采用单一输出的led驱动电源驱动时，led阵列混光后的光质比不可调。现有部分技术通过改变机械结构或更换灯珠配比的方式调整光谱，但是需要更换补光装置或频繁的人工干预；

现有led植物灯采用的驱动电源主要为led照明通用驱动电源，此类驱动电源本身只实现恒流驱动的功能。调光控制通过外部通信或人工操作实现，脱机后光照条件固定，不能动态自主调节。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种动态光照led植物灯系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种动态光照led植物灯系统，包括：数字控制模块、与所述数字控制模块通讯连接的计时模块、与所述数字控制模块通讯连接的数据存储模块、与所述数字控制模块通讯连接的通讯模块、与所述数字控制模块电连接的多路直流-直流变换模块、与所述多路直流-直流变换模块电连接的交流-直流变换模块、多条相互独立的不同光质led支路，所述led支路的阳极均与所述交流-直流变换模块的输出端阳极电连接，所述led支路的阴极分别电连接所述多路直流-直流变换模块的一个输出端；

数字控制模块，用于控制各组件工作；

交流-直流变换模块，用于将常用供电网的交流电转换为低压的交流电；

多路直流-直流变换模块，用于将交流-直流变换模块输出的交流电流转换为直流电流；

数据存储模块，用于存储光配方参数，便于数字控制模块读取和存储光配方参数；

计时模块，用于不间断计算时刻，并将时间参数传输给数字控制模块；

通信模块，用于实现数字控制模块和上位机信息交互，将当前光照信息发送至上位机，或接收上位机的指令，添加、修改或删除数据存储模块中的光配方；

上述设计中采用了多路独立控制输出的直流-直流变换模块，以恒流无频闪的方式驱动植物灯不同光质led支路的驱动电流大小和驱动时间长短，采用了数据存储模块存储光配方参数，采用了计时模块计算时刻，能够针对不同植物和不同生长阶段动态调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，实现植物高效培育。

作为本设计的进一步改进，所述多路直流-直流变换模块由多个恒流驱动电路以及mosfet驱动ics组成，所述恒流驱动电路输入端并联，所述恒流驱动电路包括阳极线、阴极线、两端分别连接阴极线和阳极线的输入滤波电容和输出滤波电容、连接在所述阴极线和所述阳极线之间的续流二极管、差分放大电路，所述阴极线上自前向后依次串联有mosfet、输出滤波电感、采样电阻，所述采样电阻连接的两端分别与所述差分放大电路的两个检测端电连接，所述差分放大电路与所述数字控制模电连接，所述mosfet设置在所述输入滤波电容与所述续流二极管之间，所述续流二极管与所述输出滤波电容之间设有所述输出滤波电感，所述阳极线与所述交流-直流变换模块的输出端阳极电连接，所述阴极线与所述交流-直流变换模块的输出端阴极电连接，所述mosfet驱动ics与所述mosfet控制连接，所述mosfet驱动ics与所述数字控制模块控制连接。输出电流的平均值大小可调，为持续电流，可以无频闪的驱动led灯珠。

作为本设计的进一步改进，所述数字控制模块为包括ad采样转换模块的单片机，所述ad采样转换模块与所述差分电路的反馈端电连接。保证能够在驱动共阳极连接的多路led情况下，准确反馈驱动电流大小，精准控制各光质的光强。

作为本设计的进一步改进，所述数据存储模块存储ic为eeprom芯片。断电后数据不丢失，保证数据的安全。

作为本设计的进一步改进，所述计时模块为由干电池供电的低功耗计时ic。能够保证在低压交流输入断电或关机情况下保持计时，以便交流输入重新连接或开机时，能够根据当前时间正确读取光配方参数。

作为本设计的进一步改进，所述通讯模块为无线通信或总线通信中任一种或两个的结合。便于配光参数写入系统。

作为本设计的进一步改进，所述mosfet驱动ics为低边驱动芯片。方便驱动共阳极连接的多路led，同时省去高边驱动所需的自举电路。

作为本设计的进一步改进，所述mosfet驱动ics由多个单独输出的驱动芯片组成且每个驱动芯片连接一个恒流驱动电路上的mosfet。能够独立控制多种光质的led支路，精准配置光谱。

作为本设计的进一步改进，所述系统中包括四条不同光质的led支路，所述恒流驱动电路有四个。

本发明的有益效果是：本发明采用了多路独立控制输出的直流-直流变换模块，以恒流无频闪的方式驱动植物灯不同光质led支路的驱动电流大小和驱动时间长短，采用了数据存储模块存储光配方参数，采用了计时模块计算时刻，能够针对不同植物和不同生长阶段动态调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，实现植物高效培育。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路结构示意图。

在图中1.交流-直流变换模块，2.输出端阳极，3.干电池，4.续流二极管，5.阳极线，6.输入滤波电容，7.mosfet，8.输出滤波电容，9.输出滤波电感，10.采样电阻，11.差分放大电路，12.通讯模块，13.计时模块，14.数字控制模块，15.数据存储模块，16.led支路，17.恒流驱动电路，18.mosfet驱动ics，19.输出端阴极，20.阴极线。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例：一种动态光照led植物灯系统，包括：数字控制模块14、与所述数字控制模块14通讯连接的计时模块13、与所述数字控制模块14通讯连接的数据存储模块15、与所述数字控制模块14通讯连接的通讯模块12、与所述数字控制模块14电连接的多路直流-直流变换模块、与所述多路直流-直流变换模块电连接的交流-直流变换模块1、多条相互独立的不同光质led支路16，所述led支路16的阳极均与所述交流-直流变换模块1的输出端阳极2电连接，所述led支路16的阴极分别电连接所述多路直流-直流变换模块的一个输出端；

数字控制模块14，用于控制各组件工作；

交流-直流变换模块1，用于将常用供电网的交流电转换为低压的交流电；

多路直流-直流变换模块，用于将交流-直流变换模块1输出的交流电流转换为直流电流；

数据存储模块15，用于存储光配方参数，便于数字控制模块14读取和存储光配方参数；

计时模块13，用于不间断计算时刻，并将时间参数传输给数字控制模块14；

通信模块，用于实现数字控制模块14和上位机信息交互，将当前光照信息发送至上位机，或接收上位机的指令，添加、修改或删除数据存储模块15中的光配方。

上述设计中采用了多路独立控制输出的直流-直流变换模块，以恒流无频闪的方式驱动植物灯不同光质led支路16的驱动电流大小和驱动时间长短，采用了数据存储模块15存储光配方参数，采用了计时模块13计算时刻，能够针对不同植物和不同生长阶段动态调整光照强度、光质比、光周期和光照时间分布，实现植物高效培育。

作为本设计的进一步改进，所述多路直流-直流变换模块由多个恒流驱动电路17以及mosfet驱动ics18组成，所述恒流驱动电路17输入端并联，所述恒流驱动电路17包括阳极线5、阴极线20、两端分别连接阴极线20和阳极线5的输入滤波电容6和输出滤波电容8、连接在所述阴极线20和所述阳极线5之间的续流二极管4、差分放大电路11，所述阴极线20上自前向后依次串联有mosfet7、输出滤波电感9、采样电阻10，所述采样电阻10连接的两端分别与所述差分放大电路11的两个检测端电连接，所述差分放大电路11与所述数字控制模电连接，所述mosfet7设置在所述输入滤波电容6与所述续流二极管4之间，所述续流二极管4与所述输出滤波电容8之间设有所述输出滤波电感9，所述阳极线5与所述交流-直流变换模块1的输出端阳极2电连接，所述阴极线20与所述交流-直流变换模块1的输出端阴极19电连接，所述mosfet驱动ics18与所述mosfet7控制连接，所述mosfet驱动ics18与所述数字控制模块14控制连接。输出电流的平均值大小可调，为持续电流，可以无频闪的驱动led灯珠。

作为本设计的进一步改进，所述数字控制模块14为包括ad采样转换模块的单片机，所述ad采样转换模块与所述差分电路的反馈端电连接。保证能够在驱动共阳极连接的多路led情况下，准确反馈驱动电流大小，精准控制各光质的光强。

作为本设计的进一步改进，所述数据存储模块15存储ic为eeprom芯片。断电后数据不丢失，保证数据的安全。

作为本设计的进一步改进，所述计时模块13为由干电池3供电的低功耗计时ic。能够保证在低压交流输入断电或关机情况下保持计时，以便交流输入重新连接或开机时，能够根据当前时间正确读取光配方参数。

作为本设计的进一步改进，所述通讯模块12为无线通信或总线通信中任一种或两个的结合。便于配光参数写入系统。

作为本设计的进一步改进，所述mosfet驱动ics18为低边驱动芯片。方便驱动共阳极连接的多路led，同时省去高边驱动所需的自举电路。

作为本设计的进一步改进，所述mosfet驱动ics18由多个单独输出的驱动芯片组成且每个驱动芯片连接一个恒流驱动电路17上的mosfet7。能够独立控制多种光质的led支路，精准配置光谱。

作为本设计的进一步改进，所述系统中包括四条不同光质的led支路16，所述恒流驱动电路17有四个。

作为本设计的进一步改进，所述恒流驱动电路17为改型buck电路。

本发明实现动态自动调节光照环境的流程说明：

数字控制模块14监听通信模块的数据，上位机可以根据植物生长需求，将设定好的光配方通过通信模块发送给数字控制模块14，数字控制模块14将光配方参数存储在数据存储模块15中。

低功耗计时模块13在干电池3供电下，保持年、月、日、时、分、秒时间信息计算。数字控制模块14以一定时间间隔读取低功耗计时模块13中的时间数据，对照数据存储模块15中的光配方参数，计算当前各光质led支路16所需要的驱动电流大小，作为各路恒流驱动电路17的输出电流基准。

由于光配方存储于装置内部的数据存储模块15，装置与外部通信断开时，即脱机状态下，能够根据预存的光配方和当前时刻自主切换光配方参数。

数字控制模块14中的ad转换器将各光质led支路16的采样电阻10和差分放大模块的采样输出电压转换为数字信号，与各光质led支路16电流基准信号进行对比，输出各光质led支路16的占空比驱动信号，以负反馈形式调整占空比大小，以保证电流闭环控制。

数字控制模块14输出的各光质led支路16占空比驱动信号，经过mosfet驱动ics18转换为驱动电平，驱动多路直流-直流的恒流驱动电路17的mosfet7导通和关断，将输入直流电压转换为直流驱动电流，驱动led植物灯的各光质支路。由于恒流驱动电路17的输出端有滤波电感和滤波电容，输出电流为持续恒流，led灯珠实际工作状态无频闪。

led植物灯各光质led支路16驱动电流的独立调节通过电流采样电阻10、差分放大电路11、数字控制模块14、mosfet驱动ics18实现。各光质led支路16的阴极端串联阻值很小的高精度采样电阻10，有驱动电流流过光质led支路16时，在采样电阻10上产生电压。差分放大电路11将采样电阻10电压放大后，提供给数字控制模块14中的ad采样转换模块。数字控制模块14根据光配方参数设定各led支路16电流基准，对照电流采样值，调整各支路驱动信号。mosfet驱动ics18将数字控制模块14输出的各led支路16驱动信号转换为适合驱动mosfet7开关的电压后，驱动mosfet7导通和关断，实现恒定电流输出和闭环控制。其中，差分放大电路11可采用一般或高精度运算放大ic实现，mosfet驱动ics18可采用四片独立输出的芯片，或采用两片两路集成驱动芯片。在该改型buck电路中，由于mosfet7开关管的漏极与参考地相连，驱动ics不需要采用有高边驱动能力和自举能力的芯片，可以采用低边驱动芯片。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。