本發(fā)明涉及LED燈具在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及到一種作用于溫室植物生長的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光、溫、水、肥、氣，是植物生長發(fā)育所需的主要環(huán)境因子，每個(gè)因子都是植物生長發(fā)育過程中所必須的。這個(gè)五個(gè)因子中，光居首位，其主要通過三方面影響植物生長，即光普分布、光強(qiáng)和光周期。光質(zhì)即光輻射的波長，對植物的生長、光合作用、形態(tài)建成、物質(zhì)代謝等諸多方面均有調(diào)控作用。近些年來，隨著大氣環(huán)境污染的日益加劇，北方霧霾天氣的增多，致使地球表面接受到的太陽福射日趨減少，嚴(yán)重影響到了作物的生長。

溫室植物培養(yǎng)技術(shù)為現(xiàn)代植物栽種提供了一種科學(xué)、穩(wěn)定、可靠的種作技術(shù)，給人們?nèi)找嬖黾拥哪芰啃枨筇峁┝艘环N合適的途徑。相關(guān)研究表明，當(dāng)溫室日光照量小于100W/m²，或日照時(shí)間小于4.5h/天時(shí)，要進(jìn)行人工補(bǔ)光。將人工光源代替太陽光，用于植物生長照明補(bǔ)光技術(shù)的發(fā)展，使得溫室種植有了更為廣闊的發(fā)展前景。而在利用人工光源補(bǔ)光的同時(shí)，能夠充分利用太陽光照，兩者結(jié)合達(dá)到穩(wěn)定有效的照明狀態(tài)，將是節(jié)能、高效的植物補(bǔ)光方案。

植物生長依賴于在葉綠體中的光合作用合成有機(jī)物。而研究表明，葉綠體中參與到光合作用中至關(guān)重要的葉綠素a和葉綠素b，其吸收光譜為單色光譜，吸收光譜的峰值波長分別為660nm和450nm，這與LED光源屬于單色光源不謀而合。其中紅橙光被植物吸收用于光合作用的比例最大，藍(lán)紫光同化效率僅為紅橙光的1/8左右。紅橙光對葉綠素的形成及碳水化合物的合成，加速長日照植物的生長發(fā)育，延遲短日照植物的發(fā)育，促進(jìn)種子萌發(fā)等方面起到重要作用；藍(lán)紫對蛋白質(zhì)合成，加速短日照植物的發(fā)育，延遲長日照植物的發(fā)育有重要作用，同時(shí)紫外線有利于維生素C的合成。因此，考慮將吻合葉綠素a和葉綠素b吸收光譜的LED光源，用作溫室植物照明補(bǔ)光，是一種節(jié)能、高效的可行性辦法。

根據(jù)M.Johkan.etal的研究表明：對于葉片類植物或蔬菜，對紅、藍(lán)光的需求比例應(yīng)滿足，紅：藍(lán)＜6.8:1，以促進(jìn)葉片的生長；而對于花卉、果實(shí)類植物，對紅、藍(lán)光的需求比例應(yīng)滿足，紅：藍(lán)＞6.8:1，以促進(jìn)花朵和果實(shí)的孕育。不匹配植物生長需求的紅藍(lán)光比例，不能達(dá)到最佳的促進(jìn)植物生長的狀態(tài)，甚至可能抑制植物的生長。因此，若能做到植物補(bǔ)光光源的紅、藍(lán)光比例可調(diào)，則可應(yīng)對不同光照需求的植物，拓寬了溫室照明補(bǔ)光的適用范圍。

現(xiàn)代信息化社會為溫室照明技術(shù)提供了一種新思路：智能傳感和智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)植物生長的精細(xì)化管理，乃是溫室種植發(fā)展方向的趨勢所在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種節(jié)能高效、用LED進(jìn)行植物照明補(bǔ)光、輔以光質(zhì)、溫濕度、二氧化碳含量、養(yǎng)料等狀態(tài)的智能采集傳感及調(diào)控、保證溫室種植植物處于最佳生長環(huán)境的控制系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：包括PLC控制器、分別與PLC控制器連接的環(huán)境傳感系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲單元以及用于人機(jī)交互和系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)觀測的HMI用戶界面。

進(jìn)一步地，環(huán)境傳感系統(tǒng)包括測試溫室外界溫度的溫度傳感器、測試土壤溫度和濕度的第一溫濕度傳感器、測試溫室環(huán)境中溫度和濕度的第二溫濕度傳感器、測試外界進(jìn)入溫室環(huán)境中光線強(qiáng)度的第一光敏二極管、測試外界進(jìn)入溫室環(huán)境中光線強(qiáng)度和用于植物照明LED補(bǔ)光強(qiáng)度總和的第二光敏二極管以及測試溫室環(huán)境中二氧化碳含量水平的二氧化碳傳感器。

進(jìn)一步地，環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)包括LED照明補(bǔ)光單元、通風(fēng)設(shè)備單元、植物生長營養(yǎng)單元、滴灌系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)以及熱交換系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，LED照明補(bǔ)光單元包括PWM電流驅(qū)動單元和LED照明陣列單元，兩者之間通過光電耦合器進(jìn)行連接；其中，所述LED照明陣列單元包括紅光光源模塊、藍(lán)光光源模塊、綠光光源模塊，各模塊之間并聯(lián)。

進(jìn)一步地，紅光光源模塊、藍(lán)光光源模塊、綠光光源模塊波長分別為650nm～670nm、440nm～460nm、510nm～530nm。

進(jìn)一步地，LED照明陣列單元安裝在植物上方1m～2m，其最大輻射照度為160W/m²，綠光光源模塊輻射照度應(yīng)為紅、藍(lán)光光源模塊輻射照度總和的20％；紅、藍(lán)相對光譜分布比例為4:1～9:1。

進(jìn)一步地，LED照明單元LED照明陣列單元通過PWM驅(qū)動，紅、藍(lán)、綠光源模塊頻率均設(shè)置為1kHz-5kHz，三者相位差為0°，占空比均為20％-50％。

進(jìn)一步地，通風(fēng)設(shè)備單元置于溫室一側(cè)的上方；滴灌系統(tǒng)包括水箱和水管，霧化系統(tǒng)與該水箱連接，將水箱中的液態(tài)水進(jìn)行霧化，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫室環(huán)境中的濕度；熱交換系統(tǒng)包括加熱器和熱交換器，加熱器根據(jù)需求指令加熱水箱中的水，被加熱的水進(jìn)入熱交換器，將熱量傳遞給溫室。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

1)可根據(jù)植物屬性不同，對光照的需求不同，合理調(diào)控紅、藍(lán)光相對光譜的分布比。

2)溫、濕度，光線，二氧化碳含量水平等智能采集傳感及調(diào)控一體化，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

3)滴灌系統(tǒng)以及LED各光源相對光譜分布的可調(diào)性，既節(jié)能又環(huán)保。

4)采取環(huán)境光線傳感器對溫室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測，既利用溫室外環(huán)境光，又監(jiān)測溫室外環(huán)境光，使溫室內(nèi)環(huán)境光的管理更精細(xì)化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)的功能模塊示意圖；

圖2為本發(fā)明的LED照明補(bǔ)光單元的驅(qū)動調(diào)控示意圖；

圖3為本發(fā)明用于LED照明補(bǔ)光單元的一種PWM脈寬調(diào)光示意圖；

圖4為本發(fā)明光控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明基于控制算法的系統(tǒng)響應(yīng)示意圖；

圖6為本發(fā)明基于控制系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率示意圖；

圖7為本發(fā)明采用智能光控系統(tǒng)與對照組的能耗對比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

參見附圖1至4所示，本實(shí)施例所述的一種作用于溫室植物生長的控制系統(tǒng)，包括PLC控制器3、環(huán)境傳感系統(tǒng)1、環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)存儲單元4以及HMI用戶界面5。

其中，PLC控制器3作為系統(tǒng)的核心，連接其他四個(gè)構(gòu)成部分，實(shí)現(xiàn)信息處理和信號調(diào)控。數(shù)據(jù)存儲單元4用于存儲系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)信息。HMI用戶界面5用于人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)觀測和人工干預(yù)。

環(huán)境傳感系統(tǒng)1用于環(huán)境狀態(tài)因素信息采集和傳感，包括測試溫室外界溫度的溫度傳感器1-1、測試土壤溫度和濕度的第一溫濕度傳感器1-2、測試溫室環(huán)境中溫度和濕度的第二溫濕度傳感器1-3、測試溫室環(huán)境中二氧化碳含量水平的二氧化碳傳感器1-6、測試外界進(jìn)入溫室環(huán)境中光線強(qiáng)度A的第一光敏二極管1-4以及測試外界進(jìn)入溫室環(huán)境中光線強(qiáng)度和用于植物照明LED補(bǔ)光強(qiáng)度總和L(t)的第二光敏二極管1-5；根據(jù)數(shù)值L(t)實(shí)時(shí)監(jiān)測的大小，判定是否達(dá)到LED補(bǔ)光條件以及需要補(bǔ)光時(shí)的補(bǔ)光強(qiáng)度L(t)-A大小，照明補(bǔ)光調(diào)節(jié)的參考依據(jù)是植物接受到的平均光量子通量密度不小于20μmolm^-2s^-1。

環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)2包括LED照明補(bǔ)光單元2-1、通風(fēng)設(shè)備單元2-2、植物生長營養(yǎng)單元2-3、滴灌系統(tǒng)2-4、霧化系統(tǒng)2-5以及熱交換系統(tǒng)2-6。

LED照明補(bǔ)光單元2-1包括PWM電流驅(qū)動單元2-1-1和LED照明陣列單元2-1-2，兩者之間通過光電耦合器進(jìn)行連接。

LED照明陣列單元2-1-2包括波長介于650nm～670nm的紅光光源模塊2-1-3、波長介于440nm～460nm的藍(lán)光光源模塊2-1-4、波長介于510nm～530nm的綠光光源模塊2-1-5，各模塊之間并聯(lián)連接。

LED照明陣列單元2-1-2安裝在植物上方1m～2m，其最大輻射照度為160W/m²。對于紅、藍(lán)光光源模塊，兩者的光源輻射強(qiáng)度設(shè)置相同。可通過開關(guān)和功率調(diào)控模式，將紅、藍(lán)相對光譜分布比例區(qū)間設(shè)置在4:1～9:1，從而滿足不同植物的光照需求。對于綠光光源模塊的輻射照度，應(yīng)滿足紅、藍(lán)光光源模塊輻射照度總和的20％。

LED照明補(bǔ)光單元2-1通過PWM電流驅(qū)動，PWM電流驅(qū)動單元2-1-1受PLC控制器3控制。驅(qū)動單元實(shí)現(xiàn)的脈寬調(diào)變波滿足，紅、藍(lán)、綠光源頻率均設(shè)置為1KHz-5kHz，三者相位差為0°，占空比在20％-50％之間可調(diào)。

如此，室內(nèi)LED照明光源部分的調(diào)控根據(jù)外界光線環(huán)境變化而變化，從而使得植物所接受到的光量子流密度為穩(wěn)定值。再者，溫室外環(huán)境光可作為植物生長光利用的一部分，而室內(nèi)LED照明補(bǔ)光作為補(bǔ)充調(diào)節(jié)，兩者結(jié)合，充分利用能源，更加節(jié)能高效。另外，從系統(tǒng)程序設(shè)置上，要求照射時(shí)長為16h/天，一天的日照時(shí)長不能滿足于此設(shè)定，因此LED照明補(bǔ)光顯得至關(guān)重要。

通風(fēng)設(shè)備單元2-2置于溫室一側(cè)的上方，根據(jù)室內(nèi)空氣含量指標(biāo)，完成必要的室內(nèi)外氣體交換；植物生長營養(yǎng)單元2-3可供給植物生長所需的肥料，肥料是經(jīng)過液體化的狀態(tài)，因此可以流體化控制肥料使用量；滴灌系統(tǒng)2-4包括水箱和水管，水箱為貯水裝置，用水管進(jìn)行常規(guī)植物滴灌；植物生長營養(yǎng)單元2-3和滴灌系統(tǒng)2-4之間通過計(jì)量單元連接；在植物生長過程中，需要追肥之時(shí)，可以控制肥料的進(jìn)量，通過滴灌系統(tǒng)2-4的水管實(shí)現(xiàn)滴灌追肥，也可以通過控制兩者的計(jì)量比例，進(jìn)而以合適的肥料與水配比進(jìn)行植物滴灌；霧化系統(tǒng)2-5與水箱連接，將水箱中的液態(tài)水進(jìn)行霧化，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫室環(huán)境中的濕度；熱交換系統(tǒng)2-6包括加熱器和熱交換器，加熱器根據(jù)需求指令加熱水箱中的水，被加熱的水進(jìn)入熱交換器，將熱量傳遞給溫室。

對于植物在生長階段的各數(shù)據(jù)情況采集，從生物領(lǐng)域衡量參數(shù)入手。可根據(jù)單位面積葉片氣孔數(shù)和表皮細(xì)胞數(shù)，氣孔的尺寸：長度和寬度，葉綠體數(shù)量，植株的生長高度以及開花、結(jié)果的數(shù)量情況，來作為判斷植物長勢是否良好的依據(jù)，進(jìn)而階段性調(diào)控溫室環(huán)境控制因素，以促成最利于植物生長的環(huán)境狀態(tài)。

下面主要闡述系統(tǒng)控光的實(shí)施例子。

用戶輸入的部分包括：目標(biāo)光強(qiáng)I，存儲在數(shù)據(jù)存儲單元4；增益K，值為正整數(shù)；光強(qiáng)誤差允許范圍E；采樣周期T。相對于PLC控制器3的時(shí)鐘頻率CLK而言，采樣周期要設(shè)定足夠大以滿足數(shù)據(jù)采集。不需要用戶輸入的是：占用傳感器的用戶狀態(tài)M(t)，是屬于邏輯高電平還是邏輯低電平狀態(tài)；環(huán)境光線傳感器，即第一光敏二極管測試外界進(jìn)入溫室環(huán)境中的光線強(qiáng)度，大小為A；第二光敏二極管測試的外界進(jìn)入溫室環(huán)境中的光線強(qiáng)度和用于植物照明LED補(bǔ)光強(qiáng)度的總和，大小為L(t)；根據(jù)L(t)與目標(biāo)光強(qiáng)的關(guān)系，來調(diào)整B＝L(t)-A的大小，也即LED植物照明補(bǔ)光的強(qiáng)度。

關(guān)于控制算法方面：規(guī)定，實(shí)際光強(qiáng)誤差e(t)＝目標(biāo)光強(qiáng)I-實(shí)測光強(qiáng)L(t)。由此比較實(shí)際光強(qiáng)誤差e(t)大小與設(shè)定的光強(qiáng)誤差允許范圍E的大小，判斷溫室中植物所接受到的整體光強(qiáng)是否在合理范圍，以此為依據(jù)調(diào)控PWM脈沖寬度的大小，來達(dá)到調(diào)光的目的。具體控制算法為：

若e(t)≥E，則占空比D(t)＝M(t)[D(t)+K]；

若e(t)≤-E，則占空比D(t)＝M(t)[D(t)-K]；

因此，占用傳感器的用戶狀態(tài)M(t)對系統(tǒng)信號有較大的的影響。而系統(tǒng)對該算法的響應(yīng)情況，如圖5所示。

關(guān)于控制優(yōu)化方面：采用的方法是，通過調(diào)試需要用戶輸入的參數(shù)，來探究系統(tǒng)優(yōu)化的最佳結(jié)果。主要涉及對增益K，光強(qiáng)誤差允許范圍E，采樣周期T，三個(gè)變量參數(shù)設(shè)置的調(diào)制。通過控制變量法，探求系統(tǒng)穩(wěn)定情況的條件。

針對增益K，設(shè)置K＝1，K＝2，K＝5，K＝10四組對比試驗(yàn)。隨著增益值設(shè)置增大，系統(tǒng)越快達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。但與此同時(shí)，增益值過大，易導(dǎo)致過沖信號。特別是當(dāng)光強(qiáng)誤差允許范圍設(shè)置較小而增益很大，系統(tǒng)會為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)而減小占空比，容易出現(xiàn)人眼可見的閃頻現(xiàn)象。

針對光強(qiáng)誤差允許范圍E，令E＝目標(biāo)光強(qiáng)I/a，其中a設(shè)置為2,5,10,20四個(gè)組。光強(qiáng)誤差允許范圍E設(shè)置過小，在低頻狀態(tài)下容易導(dǎo)致閃頻；光強(qiáng)誤差允許范圍E設(shè)置過大，則誤差就大，容易導(dǎo)致控制器穩(wěn)定狀態(tài)結(jié)果的不精確性。

針對采樣周期T，設(shè)置T＝200μs，T＝500μs，T＝1ms，T＝100ms四個(gè)對比實(shí)驗(yàn)。采樣周期增大，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間能相應(yīng)縮短，系統(tǒng)反應(yīng)速度提高。較小的采樣周期，系統(tǒng)更容易受環(huán)境狀態(tài)波動的干擾而導(dǎo)致閃頻現(xiàn)象，控制器的處理負(fù)荷也會增加。

基于上述綜合分析，設(shè)定增益K＝2，光強(qiáng)誤差允許范圍E＝目標(biāo)光強(qiáng)I/20，采樣周期設(shè)置為T＝500μs，能保證較穩(wěn)定的系統(tǒng)表現(xiàn)和準(zhǔn)確的輸出水平。

如圖6所示，為采用PWM脈寬調(diào)變技術(shù)，占空比的大小對電光轉(zhuǎn)化效率的影響。由圖可見，平均電光轉(zhuǎn)化效率接近常數(shù)變化，約為90.58％。

如圖7所示，為一周時(shí)間內(nèi)，普通LED持續(xù)補(bǔ)光照明和采用LED進(jìn)行植物照明補(bǔ)光控制系統(tǒng)的功耗對比圖。有對比圖可知，通過對環(huán)境光強(qiáng)的監(jiān)測，實(shí)時(shí)調(diào)整LED補(bǔ)光強(qiáng)度的大小，達(dá)到植物受光的穩(wěn)定狀態(tài)，能有效控制能耗，達(dá)到可觀的節(jié)能效果。

以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。