基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法

本发明涉及植物工厂，尤其涉及基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法。

背景技术：

1、光合作用是地球上最重要的化学反应，植物通过光合作用将光转化为可为人类直接利用的稳定的化学能形式，并提供了人类生存所需的氧气和食物。然而就植物对太阳光能的利用效率而言，从整个生长季来计算，田间作物所能够利用的光能低于整个生长季作物接受的地球表面太阳光能量的1％。现有植物工厂中常通过led照明设备进行植物光照的补充。例如，采用led灯与扩散板的集合均匀散射led光，而使得植物工厂内的植物受其光照。从led照明设备照射出的led光会影响到植物的生长时间、结果时间等等，并且对于所需光照时长较少的植物来说，需要对每天的日照时间进行调控。现有植物工厂中通过优化控制环境条件，例如温湿度、光照、二氧化碳浓度等，在不受天气条件影响下种植植物。然而上述优化控制的各智能设施需要消耗大量的能源，是需要进行维护管理的高能耗设施。因此，如何基于植物的类型和生长阶段对植物的光照进行光照强度以及光谱分布的调节，同时降低照明的能源成本，是现有技术急需解决的问题。

2、cn110996427b公开一种植物工厂的照明调节方法及装置，所述方法用于照明系统中，包括：确定峰谷电价时段；根据所述植物工厂内目标植物的类别确定与所述类别相对应的照明装置的亮度范围和所述目标植物的需求光照强度；根据所述峰谷电价时段、所述需求光照强度和所述亮度范围确定预设周期内的所述照明装置的第一资源消耗区间和与所述第一资源对应的时间长度；根据所述第一资源消耗区间和所述时间长度确定所述照明装置预设周期内每个时间点的亮度值，以使得所述照明装置为所述目标植物提供与所述亮度值对应的光照强度。使光源在谷值时段和峰值时段不同的亮度值，这样在不影响植物生长的前提下，降低了峰值时段的用电资源，优化了为植物工厂的电力系统。该专利对于照明装置能耗降低的解决方法局限于通过光源在谷值时段和峰值时段不同的亮度值进行调控，从而基于峰谷电价降低植物工厂内照明所需的成本。但是该方法未从根本上解决照明成本过高的问题，其资源的消耗降低较少。

3、中国专利cn100553443c公开了一种密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂，包括围护结构、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、co2供给系统、光源供给系统，还包括基于嵌入式网络技术的控制系统和自动计电系统；该专利是密闭隔热不透光的，并且完全采用人工光源；通过控制系统，对系统内的温度、湿度、co2浓度、光照、风向、风速等环境因子进行网络化监测和控制，将空气洁净与环境控制相结合，为植物生产提供清洁的、最适的生长环境。该专利具有低成本、低能耗的优点，可直接应用于无农药、高品质和高附加值的植物遗传资源和低成本化的大量快繁和大规模种苗生产，实现规格化和标准化的栽培管理和计划生产。该专利完全利用人工光实现对植物环境的控制，虽对于植物的加速培育具有良好效果，但是缺乏照明成本的控制，不利于工业化形成植物工厂。

4、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于植物光能吸收率的光源调节系统，至少包括：光控制组件，用于将不同波长的光分别照射至植物；控制单元，用于调节所述光控制组件的光，所述光控制组件包括：光照射单元，用于提供太阳光；照明单元，用于提供植物所需波长的人造光；其中，所述控制单元基于植物类型和生长阶段选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。本发明从多个角度调控光照射单元和照明单元，在节省植物工厂光照成本的基础上，促进植物生长。响应于每种植物生长阶段所需的光照强度和光谱，控制单元驱动光照射单元和照明单元进行调节，并且结合天气因素通过照明单元进行光源补充。

2、根据一种优选的实施方式，所述控制单元配置为按照如下方式进行所述光照射单元和/或照明单元的选择性驱动：按照时间序列获取所述光照射单元发射的太阳光的第一光束光谱信息；获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段；基于植物类型和生长阶段从数据库中获取预定最佳光谱信息；基于所述第一光束光谱信息和预定最佳光谱信息计算植物所需补充的照明单元的第二光束光谱信息。本发明获取植物图像，并且对植物图像进行处理分析，排除不同光照对图像的干扰后，判断植物的类型和生长阶段，由此获取预定最佳光谱信息。通过光照射单元和照明单元的双重调节使得植物的光照条件维持在最佳状态，并且还能够根据植物的叶片温度或光导单元的温度调节光收集单元的光学焦点，以降低植物的蒸腾作用以及防止因聚集太阳光可能造成的火灾。

3、根据一种优选的实施方式，所述第一光束光谱信息是指通过所述光控制组件发出的太阳光光束的光谱信息；所述第二光束光谱信息是指所述照明单元发出的人造光光束的光谱信息。

4、根据一种优选的实施方式，所述控制单元基于所述第二光束光谱信息调节所述照明单元上led件的光束的波长。

5、根据一种优选的实施方式，所述光控制组件还包括：光收集单元，用于收集太阳光；光导单元，用于透射由所述光收集单元收集的太阳光至所述光照射单元。在按照时间序列获取所述光收集单元收集的太阳光的所述第一光束光谱信息之前，所述控制单元还配置为；基于所述光导单元的温度调节所述光收集单元的光学焦点位置以改变所述光照射单元的太阳光光量。本发明引入了太阳光作为主要光源，节省植物工厂内所需的大量光照能耗，并且设置照明单元作为补充光源，用于提供植物所需的特殊波长的光束。

6、根据一种优选的实施方式，所述系统还包括用于采集所述植物图像的图像采集单元。所述控制单元从所述植物图像中获取植物的叶绿素荧光或红外区域的光能吸收率变化以判断植物类型和生长阶段。本发明通过上述图像处理和分析实时直观确定植物的生长状态，并且由此建立预定最优光谱信息。控制单元基于图像获取的预定最优光谱信息调节光照射单元和照明单元。例如在植物生长的初始阶段，通过照明单元照射含有大量红光的光束，而在成熟阶段将光转换为含有较少红光的光由此缩减植物的生长周期。再例如，在植物生长过程中，叶片颜色从绿色变为红色的情况下，减小光照射单元和照明单元中的红光入射量。

7、根据一种优选的实施方式，在所述控制单元获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段之前，所述控制单元还被配置为：基于所述太阳光和/或人造光与波长区域的强度比来校正所采集的所述植物图像。本发明通过植物图像来掌握植物的类型、生长阶段和环境胁迫情况，由此改变光照射单元和/或照明单元的光照需要通过植物当前所受到光照的光束光谱信息来校准植物图像，从而获取预定最佳光谱信息。

8、根据一种优选的实施方式，在所述第一光束光谱信息和第二光束光谱信息符合所述预定光谱信息的情况下，所述图像采集单元和控制单元持续进行植物图像获取和植物类型与生长阶段的判断；当植物叶片温度升高时，或当由于植物生长阶段发生改变时，所述控制单元控制所述光照射单元和/或照明单元的光量以保持所述第一光束光谱信息和第二光束光谱信息与预定光谱信息的匹配。本发明反射单元和图像采集单元的设置能够准确测量待测波长区域内的光的强度，通过反射单元限定所获取蓝光和/或红光的波长范围，准确判断植物所需预定最佳光谱信息。

9、根据一种优选的实施方式，所述控制单元基于获取的植物类型和生长阶段去判断植物的至少一种生长需要；所述控制单元基于植物的至少一种所述生长需要，并基于所述光照射单元和照明单元的对于植物生长的光调节去促进或抑制植物的与至少一种所述生长需要相关的生长特征。

10、本发明还涉及一种基于植物光能吸收率的光源调节方法，所述方法包括：提供太阳光；提供植物所需波长的人造光；选择性驱动太阳光和/或人造光来照射植物。

11、根据一种优选的实施方式，所述方法还包括：按照时间序列获取发射的太阳光的第一光束光谱信息；获取由植物图像中所判断的植物类型和生长阶段；基于植物类型和生长阶段从数据库中获取预定最佳光谱信息；基于所述第一光束光谱信息和预定最佳光谱信息计算植物所需补充的第二光束光谱信息。