一种用于植物生长和发育的光照系统的制作方法

本发明涉及植物生长培育
技术领域：
，具体为一种基于云计算的植物生长因素对其生长发育进行影响的光照系统。
背景技术：
：光在植物生长和发育中发挥重要作用，例如光合作用和光形态建成。在园艺方面，存在许多应用，诸如实验室、温室、城市农场/多层农场工厂，这些应用繁殖植物幼苗、组织培养物、蔬菜、花卉或具有特定健康益处的植物。植物组织培养物广泛地用于通过被称为微繁殖的方法生产克隆植物。在该过程中，植物细胞、组织或器官在已知组成的营养培养基上以无菌条件生长。组织培养的阶段可包括但不限于接种、顶端嫩芽、繁殖、加速、生根、硬化。组织培养需要包含用以发育的养分的生长培养基，以及用以支持植物过程(例如，光合作用)的光。如图1所示，为香蕉组织培养过程的示例性实例。其它微繁殖方法包括幼苗的使用，其中幼小植物将从种子发育出植物胚芽。幼苗的阶段可包括但不限于发芽、生根、拉伸/伸长、叶片方向和形状、分枝和侧嫩芽。如图2所示，为幼苗过程的示示例性实例。早期阶段为植物形态建成过程的一部分。得自组织培养物或幼苗的这些植物可用于园艺中，该园艺已定义为植物农业，主要针对食物、材料、舒适性和美观性。当种植者使植物组织培养物生长时，组织培养发育的某些方面可为优选的，例如，繁殖系数、根茎数量、叶片数量、分生组织厚度和生物质。这些品质确定生长过程的效率、植物的品质、和现场或温室的最终产出。植物需要光、co2、h2o和一些养分以支持使植物得以生长的光合作用过程。如图3所示，为自然界中光合作用过程的示例性实例。在白天，植物利用自然光、co2、h2o和土壤的养分来制造支持生长的糖分。光的量以微摩尔(μmol/s)来表达。然而，光谱以纳米(nm)来表达。经测量，植物所需要的光谱通常在400nm至700nm或350nm至800nm的范围内。在一些情况下，纳米分组成波段，诸如401nm至500nm、501nm至600nm等。其它方面描述了颜色类型，诸如蓝色、绿色、黄色、橙色、红色。可添加形容词，诸如用以指示较深蓝色的品蓝、或深红色和远红色，以与普通的蓝色和红色相区别。传统上，可利用接近自然日光的人工光作为补充光以提高产出。其它使用实例包括光周期光照以调节开花或培植的时间而无需城市农场和组织培养实验室的采光。后者通常应用在室内和完全气候受控环境。当前应用包括具有固定光谱的固定装置。通常为蓝色、红色、远红色或白色。通常，多个光源安装于植物上方、其间或其周围，使得有足够的光能照到所述植物。如专利申请201710757927.3公开了一种植物生长的光照控制系统及方法，一种植物生长的光照控制系统，包括：第一检测组件，主控制器，以及与主控制器连接的第一植物补光灯；所述第一检测组件包括第一光照传感器，与第一光照传感器连接的第一微控制器；所述第一微控制器与主控制器连接。采用光照传感器检测待测点的光线强度，并将光线强度数据发送至微控制器，微控制器将该光线强度数据发送至主控制器，通过主控制器控制植物补光灯调节光线强度，从而控制待测点的光线强度，以保证光合作用达到最快的速率，又避免浪费。然而，该专利申请虽然能够实现对光照的控制，但是仅仅局限于对光照的控制，功能单一，而且控制电路由两级控制器构成，颇为复杂，不实用；更重要的是不能实现对植物生长的智能控制，不能满足植物生长的促进需求。技术实现要素：发明人发现，组织培养过程可通过不同量和品质的整个光敏感光谱的光进行改善。例如，某些光组成可有助于提高组织培养中的繁殖、生根、硬化和其它过程。因此，本发明的目标是能够以光来管理组织培养的生长和发育过程。为此，本发明首先提供一种用于植物生长和发育的光照系统，该光照系统包括至少一个光源，以用于在植物的生长和发育过程期间根据光照算法对植物组织培养物进行光照，而长时间控制光照装置的光的品质和量，以使组织培养生长和发育在特定阶段受影响。本发明再一个目的是提供一种用于植物生长和发育的光照系统，该光照系统采用多个led芯片、连接的光照装置和传感器的新型组合，其可用作智能光照系统以形成植物的最佳发育和生长环境。本发明的另一个目的在于提供一种用于植物生长和发育的光照系统，该光照系统能够对植物提供合适的光照以支持所述植物生长和发育过程的多个阶段期间的植物生长和发育，从而有针对性地对植物的生长发育进行光照控制和引导。为实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种用于植物生长和发育的光照系统，所述系统包括有用户端、云服务器端、网关和植物生长环境中的感知单元、致动器，其中：所述用户端与云服务器端通过网络进行通讯；所述云服务器端通过网关获取感知单元的捕获数据，同时也通过网关将控制信息传输给制动器，制动器控制进行光照；所述致动器至少包括有光照单元，用以对植物进行光照。所述感知单元可以采用若干类型的设备来或者环境数据、系统数据等信息，包括但不限于压力传感器、co2传感器、叶绿素传感器、彩色相机、电磁传感器(em)、gps、湿度传感器、红外透射(irt)、ir相机(ir)、激光反射/荧光器、光谱传感器、温度传感器、x射线荧光(xrf)、x射线透射(xrt)。进一步，所述致动器还包括但不限于hvac系统、养分供给器、co2、氧气发生器、风机、风扇等设备。所述光照单元，包括有串联或并联，或者串并联在一起的若干个光照单元。通常情况下，一个驱动器和至少一个光源构成一个光照单元，也就是说，一个光照单元包含有一个驱动器和若干个光源，以能够多角度照明，从而实现对植物的均匀光照。光源可以采用串联或者并联的方式进行连接。所述光照单元，包括有若干组的驱动器和与之对应的光源，一个驱动器和一个光源构成一组，若干组驱动器和光源之间有串联和并联两种连接方式。若干组驱动器和光源之间串联连接，可以提高光亮强度，若干组驱动器和光源之间并联连接，可以实现单独控制，以能够实现对光谱的自由控制和调整。进一步，所述光照单元具体实现为驱动器和光源，所述光源包括但不局限于碳弧灯、白炽灯、低压钠灯、高压钠灯、led灯。更进一步，所述驱动器为led芯片，所述光源为led灯或led灯组合。更进一步，每个光源包括多个led部段，所述多个led部段包括350nm至850nm区域之间的植物敏感光，诸如红色、绿色、蓝色、白色、橙色、远红色、紫外线。与传统光照相比，紫外线led或远红色的使用扩大了光谱范围。更进一步，所述光源具体实现为多个led部段连接所形成的led线性装置，所述多个led部段的led线性装置为平直形状，所述平直形状具有一定的挠性，即可在一定条件下进行弯曲的变得柔性。更进一步，所述led线性装置为条带的形状，所述条带的led线性装置中，可以是单行的led串接来形成，但还可包括在两行、三行或多行中彼此相邻的多个led部段串接形成。另外一种实现方式中，光源包括多个led部段，且所述多个led部段形成圆形或椭圆形形状，所述圆形或椭圆形形状具有一定的挠性，即还可为可弯曲的和柔性的。这种圆形或椭圆形光源中，led的排列可以依据实际应用设计成单层环状，或者是多层环形的构造方式，所述多层包括两层、三层或三层以上的彼此相邻的结构方式。进一步，所述光源至少局部包覆有外壳，以对光源进行保护；所述外壳可为合成树脂或其它局部半透明材料。所述光源可配置成从外壳的单侧、两侧、三侧或360度发射光。例如，其可用作向下光照、向上光照、侧向光照、内部光照，或它们的组合。进一步，所述光源可包括光学件，所述光学件在单侧或多侧发射下述光束形状：小光束、中光束、宽光束、极宽光束、椭圆光束、极大光束、宽蝠翼、蝠翼、非对称、区域、漫射非对称、单侧非对称光照元器件之一或任意的组合，等等，但不限于此。基于该光照系统延伸出一种光照方法，所述方法设置有led光算法，通过led光算法来调整led的强度，使得这些led一起产生特定波长，从而对植物的生长和发音起到辅助作用。例如，为触发开花，光谱图形可重新建模，使得其模拟负责植物形态的植物色素pfr。为支持植物的生长和密度，光照可重新建模，使得其支持有助于形成紧凑生长的叶绿素a和b。因此，所述方法利用led光算法来控制组织培养物繁殖、生根、生芽、形态的方法，该led光算法以根据植物在生长过程中的目标和生长阶段的限定模式及时动态地改变。同样，本发明可用于通过利用led光照算法来促进或抑制长日和短日植物两者的花卉开花，该led光算法可触发开花或延迟开花直至植物的特定物理外观得以实现、或直至一年中期望的时间，或根据由种植者所设定的另一组优选项触发开花或延迟开花。本发明还适用于结果，然而光照算法可支持提前结果、延迟结果，或可影响果实的品质。进一步，所述方法通过led光算法可连续地调整，使得某些纳米波长的光符合各种生长过程的光算法。如果通过其它系统提供了输入，或者由终端用户经由用户界面或控制器提供了输入，则该系统能够经常地对光谱数值进行建模和重新建模。更进一步，所述led光算法中的其它参数可包括但不限于光强度、限定时间表内的光照/黑暗周期、随时间变化的光总和、接通和断开的时刻、纳米波长波段的比率、光在植物或组织培养上的分布。进一步，所述led光算法控制光照系统整体或分段地实现的在一段时间内的光强度变化，使得光照能够在每一时间和生长阶段精确地提供植物所需。更进一步，所述led光算法控制led输出的光谱可限定成单个纳米波段至数以百计的波段，所述光谱中包括一个至若干个波段的组合。基于上述控制方式，该比率可动态地调整至目标值。光照系统可利用传感器和致动器的输入来测量最佳开花时间的植物高度；一旦植物达到特定高度，则夜晚的光照将接通以诱导或延迟开花周期。光照算法的产出可包括但不限于更佳生长，该更佳生长可表示为：根茎的数量、根茎长度、鲜重(g)、干重(g)、叶绿素含量(mg/g)、高度(cm)、叶片颜色、含糖量(mg/g)、生物质，等等。受影响的其它可能因素为果实(秋季)的较低败育、存活率、恢复速率、味道、作物均匀性、生根的较低疾病压力、每克水的较少蒸发、营养价值、耐冷性、耐热性，等等。这些影响因素将有助于生长物全年以更有效方式生长更多、更佳、更健康。本发明所实现的用于植物生长和发育的光照系统及方法，能够对植物在组织培养过程中，通过不同量和品质的整个光敏感光谱的光进行改善，能够以光来管理组织培养的生长和发育过程，以使组织培养生长和发育在特定阶段受影响。。而且该光照系统采用多个led芯片、连接的光照装置和传感器的新型组合，其可用作智能光照系统以形成植物的最佳发育和生长环境，组织和设置简单、方便，有利于各种情况的光照系统布置；同时能够对组织培养物、植物幼苗、园艺、绿墙或城市农场提供合适的光照以支持所述植物生长和发育过程的多个阶段期间的植物生长和发育，并能够基于生长光照算法不断提高优化，从而有针对性地对植物的生长发育进行光照控制和引导。附图说明图1是现有技术中香蕉组织培养过程的示意图。图2是现有技术中幼苗成长培养过程的示意图。图3是自然界中光合作用过程的示意图。图4是本发明所实施的硬件架构示意图。图5是本发明所实施的光照系统的示意图。图6是本发明所实施光照系统应用于无线控制的示意图。图7是本发明所实施光照系统的有线控制示意图。图8是本发明所实施光照系统五个不同光敏感性的近似单色led和一个全光谱led的示意图。图9是植物敏感反应的曲线图。图10是本发明所实施基于终端用户或其它系统可限定的较小纳米波段的光谱强度图。图11是本发明所实施光照系统再现的示例性自然光谱图。图12是本发明所实施光照系统中光强度随时间变化的示意图。图13是本发明所实施光照系统的光照计划表。图14是本发明所实施光照系统应用于短日植物至长日植物的光周期控制的示意图。图15是本发明所实施光照系统利用光的开花时间管理的示意图。图16是本发明所实施光照系统中led控制电路图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明首要目标是设计一种用于植物生长和发育的光照系统，所述系统包括有用户端、云服务器端、网关和植物生长环境中的感知单元、致动器，其中：所述用户端与云服务器端通过网络进行通讯；所述云服务器端通过网关获取感知单元的捕获数据，同时也通过网关将控制信息传输给制动器，制动器控制进行光照；所述致动器至少包括有光照单元，用以对植物进行光照。如图4所示，为本发明所实现的硬件架构，主要包括有用户端(直接体现的是用户界面)、云服务器端(简称云)、网关和植物生长环境中的感知单元、致动器。其中，感知单元可以采用若干类型的设备来或者环境数据、系统数据等信息。具体如下表所示：设备类型：用途：压力传感器大气压力co2传感器二氧化碳叶绿素传感器叶绿素含量彩色相机(彩色)颜色性质电磁传感器(em)电磁性质，诸如(例如在生长培养基和根茎中的)电导率和磁导率gps位置坐标湿度传感器相对湿度红外透射(irt)密度和形状性质ir相机(ir)导热性、散热激光反射/荧光结构、元素和生物性质光谱传感器光的光子通量、光谱性质温度传感器环境温度x射线荧光(xrf)元素组成x射线透射(xrt)元素组成感知单元并不局限于上表中所罗列的设备。致动器则包括但不限于光照系统、hvac系统、养分供给器、co2、氧气发生器、风机等设备。应用时具体控制的光照系统如图5所示。用户通过ui装置链接到云服务器，云服务器再通过网关对致动器进行控制，在该光照系统下，致动器具体实现为驱动器和光源，光源包括但不局限于碳弧灯、白炽灯、低压钠灯、高压钠灯、led灯。通常情况下，一个驱动器和至少一个光源构成一个致动器，也就是说，一个致动器包含有一个驱动器和若干个光源，以能够多角度照明，从而实现对植物的均匀光照。光源可以采用串联或者并联的方式进行连接。图6所示，为本发明一个具体的应用场景示意图，在该实现方式中，采用无线传输作为控制指令的传输手段，在具体应用端，植物2被培育在温室1中，通过光源3对植物进行光照，光源3则由驱动器4进行渠道，控制指令则通过本地wifi5接收，传输给驱动器4，ui界面7通过网关6向驱动器4发送控制指令。图7所示，为本发明另一个具体的应用场景示意图，在该实现方式中，采用有线传输作为控制指令的传输手段，若干个光源3串并联在一起，通过驱动器4进行控制，ui界面7通过有线网络直接向驱动器4发出控制指令。总之，无论是有线方式，还是无线方式，都可以实现对光照系统的控制。对于光源3，光照系统可利用安装于一个固定装置上的不同led或不同尺寸的led形成。每个固定装置可包括按部段分组或未分组的不同led。每个光源包括多个led部段，所述多个led部段包括350nm至850nm区域之间的植物敏感光，诸如红色、绿色、蓝色、白色、橙色、远红色、紫外线。与传统光照相比，紫外线led(例如，380nm至400nm)或远红色(660nm至800nm)的使用扩大了光谱范围。所述光谱可匹配任何自然光谱图形并且扩大了高能量光和低能量光的光谱。所述led能够基于所述植物光受体的相对敏感性进行重新校准。所述光照系统包括用以允许所述led部段的强度调整的控制手段和方法来通过无穷数量的步骤和变量将光谱从关闭调整至全开，使得每个led部段以根据预定或增大光照模式的强度和颜色发射光，所述光照模式影响pfd。所述光照系统可在24h循环或间歇光照期间产生连续光照周期的不同光周期，包括每毫秒1次闪烁的短闪光。所述光照系统可再现380nm至780nm之间的多个光照比率，其中这些比率可分组成单个纳米或最高可达距其最近的整百纳米的纳米波段，诸如380至400、401至500、501至600、601至700、701至800。所述光照系统可调整所述光照。由此，本发明所实现的光照系统可利用多种单色或全光谱led以及电磁波长以产生新光谱图形，该新光谱图形支持植物生长和发育中的特定产出。led功能上可为单色光谱或宽光谱。如图8所示，是五个不同光敏感性的近似单色led和一个全光谱led的示意图，光照系统可利用多种单色或全光谱led以及电磁波长以产生新光谱图形，该新光谱图形支持植物生长和发育中的特定产出。且，所述光源具体实现为多个led部段连接所形成的led线性装置，所述多个led部段的led线性装置为平直形状，所述平直形状具有一定的挠性，即可在一定条件下进行弯曲的变得柔性；所述led线性装置为条带的形状，所述条带的led线性装置中，可以是单行的led串接来形成，但还可包括在两行、三行或多行中彼此相邻的多个led部段串接形成。如图9所示，该系统可以利用一种方法来调整单个led的强度，使得这些led一起产生特定波长。例如，为触发开花，光谱图形可重新建模，使得其模拟负责植物形态的植物色素pfr。为支持植物的生长和密度，光照可重新建模，使得其支持有助于形成紧凑生长的叶绿素a和b。同时，还可以利用led光算法来控制组织培养物繁殖、生根、生芽、形态的方法，该led光算法以根据植物在生长过程中的目标和生长阶段的限定模式及时动态地改变。同样，本发明可用于通过利用光照算法来促进或抑制长日和短日植物两者的花卉开花，该光照算法可触发开花或延迟开花直至植物的特定物理外观得以实现、或直至一年中期望的时间，或根据由种植者所设定的另一组优选项触发开花或延迟开花。本发明还适用于结果，然而光照算法可支持提前结果、延迟结果，或可影响果实的品质。led光照算法可连续地调整，使得某些纳米波长的光符合各种生长过程的光算法。如果通过其它系统提供了输入，或者由终端用户经由用户界面或控制器提供了输入，则该系统能够经常地对光谱数值进行建模和重新建模。如图10所示。该系统可基于终端用户或api的输入而再现自然光谱，如图11所示。例如，为可通过光照系统再现的示例性自然光谱，由此证明该系统可模仿某些植物在其内以可能的最佳方式开花或结果的区域的最优自然光照条件。光算法中的其它参数可包括但不限于光强度、限定时间表内的光照/黑暗周期、随时间变化的光总和、接通和断开的时刻、纳米波长波段的比率、光在植物或组织培养上的分布。如图12所示，所述光照系统可以整体或分段地实现的在一段时间内的光强度过渡。这使得光照能够在每一时间和生长阶段精确地提供植物所需。光照系统每秒每像素可处理至少40条命令。每个光照系统包括至少1个至无限数量的像素。光谱波段的比率可控制为电磁光谱内的无穷多种可能性。本发明中光谱可限定成单个纳米波段至数以百计的波段。例如，300nm至400nm为10％，401nm至500nm为90％，等等。基于控制输入，该比率可动态地调整至目标值，比率的调整方式多种多样，依据用户的需求和植物培育需要来实现。基于计划表或基于算法和/或与日光和实际植物品质的传感器的协作，光照系统可连续地或以规定间隔操作以重新调整光照并支持植物的生长和发育。如图13所示，为光照计划表和间隙光照的示意图，图中深色部分为光照时间。光照系统和方法有某种方式可影响植物的时钟调节，从而影响植物的生长以及开花或结果。结合图14所示，为短日植物至长日植物的光周期控制的示例性实例，显然，光照对于短日植物和长日植物针对开花诱导的效果是不一样的。光照系统可利用传感器和致动器的输入来测量最佳开花时间的植物高度；一旦植物达到特定高度，则夜晚的光照将接通以诱导或延迟开花周期。实例如图15所示，可以利用光的开花时间管理。光照算法在某些边界条件下可为有效的，包括但不限于温度、co2、水品质、生长培养基、养分、植物激素，等等。光照系统可适用于但不限于特定种类/品种、特定生长阶段和生长方法。光照算法的产出可包括但不限于更佳生长，该更佳生长可表示为：根茎的数量、根茎长度、鲜重(g)、干重(g)、叶绿素含量(mg/g)、高度(cm)、叶片颜色、含糖量(mg/g)、生物质，等等。受影响的其它可能因素为果实(秋季)的较低败育、存活率、恢复速率、味道、作物均匀性、生根的较低疾病压力、每克水的较少蒸发、营养价值、耐冷性、耐热性，等等。这些影响因素将有助于生长物全年以更有效方式生长更多、更佳、更健康。光照设备可采用固定装置安装于距预期应用适当距离处，使得光可到达预期植物或组织培养物。例如，对于番茄植物，可使用顶部光照和内部光照的组合。对于绿墙，可使用向上光照和向下光照的组合以形成洗墙或擦墙的效果。对于组织培养搁架，可安装或嵌入光照装置以提供顶部光照。固定装置或单个光源或光源组可包括以特定角度和强度投射光的透镜或光学件。例如小光束、大光束、宽光束、极宽光束、椭圆光束、极大光束、宽蝠翼、蝠翼、非对称、区域、漫射非对称、单侧非对称等等，但不限于此。然而，这些光束形状的效应得到水平和/或竖直μmol，以满足光照的需要。光照系统利用以8位、16位或32位方式控制光照的方法来控制光照，使得其对于植物有效。该光照系统可利用多个光源，多个光源可为大体线性的、圆形的或任何其它形状或外形尺寸的任意组合。光照系统的led控制电路图如图16所示。总之，本发明的效果在于：本发明所实现的人工智能生长光照方法和光照系统，设计用于对组织培养物、植物幼苗、园艺、绿墙或城市农场提供光照，提供了植物人工发育的生长光照模型，为基于种植者需求和目标或者植物生长的需要而向所述植物在正确时间和正确位置提供正确的光。该方法及光照系统能够支持所述植物生长和发育过程的多个阶段期间的植物生长和发育，使得所述过程的至少一些生长阶段中的所述生长光照算法包括光波长不同于其它生长阶段的能量，并能够基于生长光照算法不断提高优化，从而保证植物生长发育中的良好培育。以上列举了本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12