基于太阳能光伏发电的温室自动补光浇水系统的制作方法
【专利摘要】一种基于太阳能光伏发电的温室自动补光浇水系统包括远程控制中心、控制中心、太阳能模块、LED补光模块、供电模块、浇水模块，太阳能模块、控制中心和LED补光模块依次双向连接，浇水模块与控制中心连接，供电模块连接控制中心、太阳能模块、LED补光模块，供电模块与浇水模块连接，控制中心通过无线传输连接远程控制中心，太阳能模块、LED补光模块、浇水模块、供电模块安装于温室上。能够根据温室内的湿度和光照强度适时的进行浇水和补光，可使作物在无人看护的情况下，更好地生长。
【专利说明】基于太阳能光伏发电的温室自动补光浇水系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种浇水系统，尤其涉及一种基于太阳能光伏发电的温室自动补光浇水系统。
【背景技术】
[0002]随着人们生活水平的提高，人们逐渐追求高要求的生活标准，而且温室种植已非常的普遍。人们常在温室大量种植作物，但是，当人们较忙不在看护时，作物可能因为不能及时补充水分而枯萎，或者光照度不合适的影响也会使作物枯萎甚至死亡。现有的温室系统往往不能满足同时具有补光和浇水的功能。因此，很有必要在现有技术的基础之上设计一种结构设计更加合理，使用方便能够及时对温室进行补光和浇水的系统。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明特提供一种能够根据温室内的情况，适时地进行浇水和补光的系统。
[0004]本发明采用的技术方案是:如图1所示，一种基于太阳能光伏发电的温室自动补光浇水系统包括，远程控制中心、控制中心、太阳能模块、LED补光模块、供电模块、浇水模块，太阳能模块、控制中心和LED补光模块依次双向连接，浇水模块与控制中心连接，供电模块与浇水模块连接，供电模块连接控制中心、太阳能模块、LED补光模块，控制中心通过无线传输连接远程控制中心，太阳能模块、LED补光模块、浇水模块、供电模块安装于温室上。
[0005]LED补光模块包括调光控制器、LED补光灯、光学透镜、散热器、温度传感器、红光照度传感器和蓝光照度传感器、通信单元，调光控制器、LED补光灯、温度传感器、红光照度传感器和蓝光照度传感器、通信单元连接到调光控制器上，LED补光灯和光学透镜、散热器连接。
[0006]浇水模块包括湿度传感器、浇水装置、通信单元和浇水控制器，湿度传感器、通信单元、浇水控制器和浇水装置依次连接。
[0007]为了防止玻璃的发射损失，在灯具设计时不使用玻璃，通过采用内表面配光学透镜，形成光学透镜一体化并且外表面光滑平整，便于组合成模块内表面配光模块，针对所要照射的面积形状，设计了内表面配光的透镜，形成矩形光斑，从而保证LED植物生长补光照明系统的光均匀性，相对于原先采用分立的透镜的灯具光学效率提高10%左右。在散热器的设计过程中，本发明具体分析了 LED的热传递方式和途径，选择鳍片型散热器，同时结合本发明的功率大小及尺寸，我们选择了合适的鳍片长度与鳍片间距。
[0008]植物对于光的吸收主要通过叶绿体来实现，叶绿素是光合作用的主体。太阳光的波长范围绝大部分在300nm-2600nm，而影响光合作用的主要在380nm_720nm光谱范围内，称之为光合有效福射，大于SOOnm以上的光不能被植物直接利用，只能起到调节环境温度的作用。不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的，植物光合作用需要的光线，波长在400-700nm左右。400_500nm (蓝色)的光线以及610_720nm (红色)对于光合作用贡献最大。蓝色(470nm)和红色^30nm)的LED，刚好可以提供植物所需的光线，因此，LED植物灯，比较理想的选择就是使用这两种颜色组合。在视觉效果上，红蓝组合的植物灯呈现粉红色。蓝色光能促进绿叶生长；红色光有助于开花结果和延长花期。4.LED植物灯的红蓝LED比例一般在4:1—9:1之间为宜，用植物灯给植物补光时，一般距离叶片的高度为0.5米左右，每天持续照射12-16小时可完全替代阳光。在波长640nm-660nm的红光区部分，叶绿素a有一个吸收峰值；在波长430nm-450nm的蓝光区部分，叶绿素b有一个吸收峰值根据植物对光需求的原理，结合LED光源本身的特性，本发明选取了 630nm的红光与470nm的蓝光两个植物光能利用率最高的LED作为LED植物生长补光模块的器件。
[0009]在LED补光模块中加入了 0-100%连续可调光的调光控制器，实现各个模块的单独调光控制，可调节红蓝光质比以及总的光照强度，便于设置不同的光质比及光照强度进行对比试验。调光控制器接收控制中心的植物补光数据，根据自定义数据传输代码的意义，设计可编程逻辑功能模块，使得不同地址LED植物灯的红、蓝两基色分别按照预定的亮度变化速率达到数据传输协议所预设的光强二进制值，并输出相应的PWM占空比，从而满足植物按需补光的要求，并能根据要求返回植物补光灯具的状态，以使其能提出更合适的控制方案。
[0010]控制中心和LED补光模块之间通过ZIGBEE方式进行通信.控制器预存有若干补光模式，可以对接入的LED补光模块进行预存补光模式的任意组合.LED补光模块内部均包括温度传感器、红蓝亮度传感器，可以方便地将检测到的植物外界环境信息传递给控制器.控制器可以访问灯头内部状态参数，根据灯头外括的温度和照度由传感器综合调度接入灯头的红蓝亮度信息等参数，以满足植物在不同阶段不同环境下的需光量。
[0011]为了实现系统对植物按需补光的要求，方便控制盒与智能驱动器之间的数据传输，采用27位表示植物补光数据的传输代码，其中，0-7位表示8位红光亮度预置信号，8-15位表示8位蓝光亮度 预置信号，16-17位表示温度预设信号，将8位温度数字信号的输出值划分为4个等级；18位表示读写信号，该位为I时进行读操作，为O时进行写操作；19-26表示灯具地址，即每个控制盒可调控256盏LED植物灯。在实际应用中，可依据植物在不同生长阶段的光合作用的有效温度范围设置补光温度值，在光补偿点和饱和点之间选择固定值作为红蓝光目标光照度参数，相关传输协议的预设值可参考不同作物生理的相关研究成果进行设置。
[0012]通信模块，主要接收植物补光数据和发送LED植物灯的当前状态，还有接收室内湿度数据和发送当前室内湿度进而控制浇水模块自动浇水。
[0013]鉴于本发明植物灯内部智能驱动的功能要求和控制方法，将系统分为6个模块:通信模块(接收、发送模块)、温度处理模块、红蓝光比较模块、地址处理模块、执行模块以及PWM产生模块。系统的工作过程为:接收模块接收控制盒的数据，传递给地址预处理模块.预处理模块首先根据地址信息判断信号是否发给指定的LED补光灯，即判断地址信号是否相符.若不符则终止操作，若符合则继续判断是进行读操作还是进行写操作.若是读操作，程序则转入发送模块，将植物灯当前状态返回到用户交互模块；若是写操作，程序则将亮度变化的级别信号传递给执行模块进行处理.同时温度处理模块、红蓝二基色比较模块分别将检测到的数据信号与传输协议的预设值进行比较，将比较结果输送到执行模块.执行模块根据亮度变化速率、红蓝二基色亮度值比较的结果、传输预设照度值等信息，得到对应二基色的PWM控制信号，再由各自的PWM发送模块产生不同占空比的PWM信号来控制LED补光灯，从而实现在外界条件不满足预设值的情况下对植物按需补光的要求。
[0014]太阳能模块包括光伏控制器、充放电电路、采样电路、工作状态显示单元、直流负载和PWM(Pulse Width Modulation，简称脉宽调制)输出端口，光伏控制器和充放电电路、采样电路、工作状态显示单元、能量存储单元、直流负载连接，充放电路连接于光伏电池板、能量储存装置、直流负载、PWM输出端口相连，采样电路连接于光伏电池板和能量储存装置。
[0015]太阳能模块的光伏控制器包括微处理器、红外感应系统、检测电路、驱动电路、显示装置、保护电路和电力场效应管；所述的太阳能光伏板、能量存储单元和LED补光灯通过检测电路与微处理器相连，其中太阳能光伏板经电力场效应管与能量存储单元相连，能量存储单元经红外感应系统与LED补光灯相连；所述的保护电路和指示电路与微处理器相连，所述的电力场效应管通过驱动电路与微处理器相连。储存装置是指蓄电池，光伏电池板将光能转化为电能，经采样电路对蓄电池的端电压和光伏电池板的端电压采样分析，判断蓄电池是处在充满状态、欠压状态和过放状态三种状态中的哪一种状态；当蓄电池不是处在充满状态就开启充电电路将转化的电能存储在蓄电池中，当蓄电池处在临界充满状态时，通过PWM端口输出不同百分比的PWM，给蓄电池进行涓涓细流的浮充充电，这样做的目的就是对蓄电池的充电加以科学的管理，改善充电效果和保护蓄电池。工作状态显示装置是指IXD液晶，检测电路对光伏电池板，蓄电池和负载的工作情况进行检测，将检测数据分析处理后送给指示电路，经指示电路再处理后，在工作状态显示装置中进行显示，给用户及时的提供光伏电池板，蓄电池和负载的工作情况。自然界中的任何物体只要它的温度高于热力学温度OK时，它就会向周围的空间不间断的辐射一种人眼难以看得见的红外线，利用人体辐射的红外线对照明灯进行全自动的开关控制，红外传感系统由继电器开关控制电路、放大电路、延时电路、红外传感电路组成,红外传感电路与放大电路相连,放大电路与继电器开关控制电路相连，继电器开关控制电路与延时电路相连。微处理器是指单片机或DSP,电力场效应管为MOSFET即金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管，微处理器通过检测电路对光伏电池和蓄电池的状态进行判断，当光伏电池的电压高于蓄电池的电压，蓄电池没有处在充满保护的状态时，微处理器就发出信号驱动电力场效应管导通，接通光伏电池与蓄电池，光伏电池将光能转化为电能并存储在蓄电池中。蓄电池与红外传感系统相连，红外传感系统与照明灯相连，当有人走近照明灯需要照明，红外传感电路中的红外光敏元件检测到人体发出的红外线，将该信号转化为能够识别的电信号，经放大电路的处理，送给继电器开关控制电路作为控制信号点亮照明灯，延迟一会熄灭，此时红外光敏元件将检测不到人体发出的红外线。照明灯与检测电路相连，检测电路与微处理器相连，当微处理器检测到负载过载、过流、短路异常时，保护电路开启对整个控制系统进行保护，关闭输出，等异常清除后恢复正常工作。显示装置是指液晶屏，通过液晶屏可以清楚的知道光伏电池的端电压、蓄电池的端电压和照明灯的工作状态。
[0016]本发明的有益效果是，能够根据温室内的湿度和光照强度适时的进行浇水和补光，可使作物在无人看护的情况下，更好地生长。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的结构原理框图。[0018]图2为本发明LED补光模块结构原理框图。
[0019]图3为本发明太阳能模块结构原理框图。
[0020]图4为本发明光伏控制器模块结构原理框图。
[0021]图5为本发明补光模块控制流程框图。
【具体实施方式】
[0022]如图1所示，基于太阳能光伏发电的温室自动补光浇水系统包括远程控制中心、控制中心、太阳能模块、LED补光模块、浇水模块和供电模块，太阳能模块、LED补光模块分别和控制中心双向连接，供电模块连接控制中心、太阳能模块、LED补光模块和浇水模块，浇水模块与控制中心连接，控制中心通过无线传输连接远程控制中心。太阳能模块、LED补光模块、浇水模块、供电模块安装于温室上。
[0023]如图2所不，LED补光模块包括调光控制器、LED补光灯、光学透镜、散热器、温度传感器、红光照度传感器和蓝光照度传感器、通信单元，调光控制器、LED补光灯、温度传感器、红光照度传感器和蓝光照度传感器、通信单元连接到调光控制器上，LED补光灯和光学透镜、散热器连接。图中用红蓝光照度传感器表示红光照度传感器和蓝光照度传感器。
[0024]为了防止玻璃的发射损失，在灯具设计时不使用玻璃，通过采用内表面配光学透镜，形成光学透镜一体化并且外表面光滑平整，便于组合成模块内表面配光模块，针对所要照射的面积形状，设计了内表面配光的透镜，形成矩形光斑，从而保证LED植物生长补光照明系统的光均匀性，相对于原先采用分立的透镜的灯具光学效率提高10%左右。在散热器的设计过程中，本发明具 体分析了 LED的热传递方式和途径，选择鳍片型散热器，同时结合本发明的功率大小及尺寸，我们选择了合适的鳍片长度与鳍片间距。
[0025]植物对于光的吸收主要通过叶绿体来实现，叶绿素是光合作用的主体。太阳光的波长范围绝大部分在300nm-2600nm，而影响光合作用的主要在380nm_720nm光谱范围内，称之为光合有效福射，大于SOOnm以上的光不能被植物直接利用，只能起到调节环境温度的作用。不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的，植物光合作用需要的光线，波长在400-700nm左右。400_500nm (蓝色)的光线以及610_720nm (红色)对于光合作用贡献最大。蓝色(470nm)和红色^30nm)的LED，刚好可以提供植物所需的光线，因此，LED植物灯，比较理想的选择就是使用这两种颜色组合。在视觉效果上，红蓝组合的植物灯呈现粉红色。蓝色光能促进绿叶生长；红色光有助于开花结果和延长花期。4.LED植物灯的红蓝LED比例一般在4:1—9:1之间为宜，用植物灯给植物补光时，一般距离叶片的高度为0.5米左右，每天持续照射12-16小时可完全替代阳光。在波长640nm-660nm的红光区部分，叶绿素a有一个吸收峰值；在波长430nm-450nm的蓝光区部分，叶绿素b有一个吸收峰值根据植物对光需求的原理，结合LED光源本身的特性，本发明选取了 630nm的红光与470nm的蓝光两个植物光能利用率最高的LED作为LED植物生长补光模块的器件。
[0026]在LED补光模块中加入了 0-100%连续可调光的调光控制器，实现各个模块的单独调光控制，可调节红蓝光质比以及总的光照强度，便于设置不同的光质比及光照强度进行对比试验。调光控制器接收控制中心的植物补光数据，根据自定义数据传输代码的意义，设计可编程逻辑功能模块，使得不同地址LED植物灯的红、蓝两基色分别按照预定的亮度变化速率达到数据传输协议所预设的光强二进制值，并输出相应的PWM占空比，从而满足植物按需补光的要求，并能根据要求返回植物补光灯具的状态，以使其能提出更合适的控制方案。
[0027]控制中心和LED补光模块之间通过ZIGBEE方式进行通信.控制器预存有若干补光模式，可以对接入的LED补光模块进行预存补光模式的任意组合.LED补光模块内部均包括温度传感器、红蓝亮度传感器，可以方便地将检测到的植物外界环境信息传递给控制器.控制器可以访问灯头内部状态参数，根据灯头外括的温度和照度由传感器综合调度接入灯头的红蓝亮度信息等参数，以满足植物在不同阶段不同环境下的需光量。
[0028]为了实现系统对植物按需补光的要求，方便控制盒与智能驱动器之间的数据传输，采用27位表示植物补光数据的传输代码，其中，0-7位表示8位红光亮度预置信号，8-15位表示8位蓝光亮度预置信号，16-17位表示温度预设信号，将8位温度数字信号的输出值划分为4个等级；18位表示读写信号，该位为I时进行读操作，为O时进行写操作；19-26表示灯具地址，即每个控制盒可调控256盏LED植物灯。在实际应用中，可依据植物在不同生长阶段的光合作用的有效温度范围设置补光温度值，在光补偿点和饱和点之间选择固定值作为红蓝光目标光照度参数，相关传输协议的预设值可参考不同作物生理的相关研究成果进行设置。
[0029]通信模块，主要接收植物补光数据和发送LED植物灯的当前状态，还有接收室内湿度数据和发送当前室内湿度进而控制浇水模块自动浇水。
[0030]鉴于本发明植物灯内部智能驱动的功能要求和控制方法，将系统分为6个模块:通信模块(接收、发送模块)、温度处理模块、红蓝光比较模块、地址处理模块、执行模块以及PWM产生模块。系统的工作过程为:接收模块接收控制盒的数据，传递给地址预处理模块.预处理模块首先根据地址信息判断信号是否发给指定的LED补光灯，即判断地址信号是否相符.若不符则终止操作，若符合则继续判断是进行读操作还是进行写操作.若是读操作，程序则转入发送模块，将植物灯当前状态返回到用户交互模块；若是写操作，程序则将亮度变化的级别信号传递给执行模块进行处理.同时温度处理模块、红蓝二基色比较模块分别将检测到的数据信号与传输协议的预设值进行比较，将比较结果输送到执行模块.执行模块根据亮度变化速率、红蓝二基色亮度值比较的结果、传输预设照度值等信息，得到对应二基色的PWM控制信号，再由各自的PWM发送模块产生不同占空比的PWM信号来控制LED补光灯，从而实现在外界条件不满足预设值的情况下对植物按需补光的要求。
[0031]如图3所示，太阳能模块包括工作状态显示单元、光伏控制器、能量存储单元、采样电路、充放电电路、太阳能光伏板、直流负载和PWM(Pulse Width Modulation，简称脉宽调制)输出端口，工作状态显示电路与光伏控制器连接，光伏控制器和充放电电路、采样电路、工作状态显示单元、能量存储单元、直流负载连接，充放电路连接于光伏电池板、能量储存装置、直流负载、PWM输出端口相连，采样电路连接于光伏电池板和能量储存单元。
[0032]光伏控制器包括微处理器、红外感应系统、检测电路、驱动电路、显示装置、保护电路和电力场效应管；所述的太阳能光伏板、能量存储单元和LED补光灯通过检测电路与微处理器相连，其中太阳能光伏板经电力场效应管与能量存储单元相连，能量存储单元经红外感应系统与LED补光灯相连；所述的保护电路和指示电路与微处理器相连，所述的电力场效应管通过驱动电路与微处理器相连。储存装置是指蓄电池，光伏电池板将光能转化为电能，经采样电路对蓄电池的端电压和光伏电池板的端电压采样分析，判断蓄电池是处在充满状态、欠压状态和过放状态三种状态中的哪一种状态；当蓄电池不是处在充满状态就开启充电电路将转化的电能存储在蓄电池中，当蓄电池处在临界充满状态时，通过PWM端口输出不同百分比的PWM，给蓄电池进行涓涓细流的浮充充电，这样做的目的就是对蓄电池的充电加以科学的管理，改善充电效果和保护蓄电池。工作状态显示装置是指LCD液晶，检测电路对光伏电池板，蓄电池和负载的工作情况进行检测，将检测数据分析处理后送给指示电路，经指示电路再处理后，在工作状态显示装置中进行显示，给用户及时的提供光伏电池板，蓄电池和负载的工作情况。自然界中的任何物体只要它的温度高于热力学温度OK时，它就会向周围的空间不间断的辐射一种人眼难以看得见的红外线，利用人体辐射的红夕卜线对照明灯进行全自动的开关控制，红外传感系统由继电器开关控制电路、放大电路、延时电路、红外传感电路组成,红外传感电路与放大电路相连,放大电路与继电器开关控制电路相连，继电器开关控制电路与延时电路相连。微处理器是指单片机或DSP，电力场效应管为MOSFET即金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管，微处理器通过检测电路对光伏电池和蓄电池的状态进行判断，当光伏电池的电压高于蓄电池的电压，蓄电池没有处在充满保护的状态时，微处理器就发出信号驱动电力场效应管导通，接通光伏电池与蓄电池，光伏电池将光能转化为电能并存储在蓄电池中。蓄电池与红外传感系统相连，红外传感系统与照明灯相连，当有人走近照明灯需要照明，红外传感电路中的红外光敏元件检测到人体发出的红外线，将该信号转化为能够识别的电信号，经放大电路的处理，送给继电器开关控制电路作为控制信号点亮照明灯，延迟一会熄灭，此时红外光敏元件将检测不到人体发出的红外线。照明灯与检测电路相连，检测电路与微处理器相连，当微处理器检测到负载过载、过流、短路异常时，保护电路开启对整个控制系统进行保护，关闭输出，等异常清除后恢复正常工作。显示装置是指液晶屏，通过液晶屏可以清楚的知道光伏电池的端电压、蓄电池的端电压和照明灯的工作状态。
【权利要求】
1.一种基于太阳能光伏发电的温室自动补光烧水系统，其特征在于:该系统包括远程控制中心、控制中心、太阳能模块、LED补光模块、浇水模块和供电模块，太阳能模块、LED补光模块分别和控制中心双向连接，供电模块连接控制中心、太阳能模块、LED补光模块和浇水模块，浇水模块与控制中心连接，控制中心通过无线传输连接远程控制中心。
2.根据权利要求1所述的温室自动补光浇水系统，其特征在于:所述的LED补光模块包括调光控制器、LED补光灯、光学透镜、散热器、温度传感器、红光照度传感器和蓝光照度传感器和通信单元，LED补光灯、温度传感器、红光照度传感器和蓝光照度传感器和通信单元连接到调光控制器上，LED补光灯和光学透镜、散热器连接。
3.根据权利要求2所述的温室自动补光浇水系统，其特征在于:所述的LED补光灯包括红基色LED补光灯和蓝基色LED补光灯。
4.根据权利要求1所述的温室自动补光浇水系统，其特征在于:所述的太阳能模块包括光伏电池板、光伏控制器、充放电电路、采样电路、工作状态显示单元、直流负载、能量存储单元和PWM输出端口，光伏控制器和充放电电路、采样电路、工作状态显示单元、能量存储单元、直流负载连接，充放电路连接于光伏电池板、能量储存装置、直流负载、PWM输出端口，采样电路连接于光伏电池板和能量储存装置。
5.根据权利要求4所述的温室自动补光浇水系统，其特征在于:所述的光伏控制器包括微处理器、红外感应系统、检测电路、驱动电路、显示装置、保护电路和电力场效应管；所述的太阳能光伏板、能量存储单元和LED补光灯通过检测电路与微处理器相连，其中太阳能光伏板经电力场效应管与能量存储单元相连，能量存储单元经红外感应系统与LED补光灯相连；所述的保护电路和指示电路与微处理器相连，所述的电力场效应管通过驱动电路与微处理器相连。
6.根据权利要求5所述的温室自动补光浇水系统，其特征在于:所述的红外感应系统包括继电器开关控制电路、放大电路、延时电路和红外传感电路,红外传感电路与放大电路相连，放大电路与继电器开关控制电路相连，继电器开关控制电路与延时电路相连。
7.根据权利要求5所述的温室自动补光浇水系统，其特征在于:所述的电力场效应管是指 MOSFET。
8.根据权利要求1所述的温室自动补光浇水系统，其特征在于:所述的控制中心包括通信单元、微处理单元、报警单元，通信单元连接微处理单元，微处理单元连接报警单元。
【文档编号】A01G9/24GK203492473SQ201320641036
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】柏受军, 慕孟丽 申请人:安徽工程大学