一种植物补光装置及其补光方法

专利名称：一种植物补光装置及其补光方法
技术领域：
本发明涉及LED在农业的非日光育苗应用领域，尤其涉及一种为植物补光装置。
背景技术：
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在可见光光谱(380 760nm)范围内所吸收的光能约占其生理辐射光能的60% -65%，其中主要以波长610 720nm(波峰为660nm)的红、橙光(约占生理辐射的55%左右)以及波长400 510nm(波峰为450nm)的蓝、紫光(约占生理辐射的8%左右)为吸收峰值区域。520 610nm(绿色)的光线，被植物色素吸收的比率很低。远红光(710nm 740nm)LED对植物形态建成、调节植物高度生长具有很大的影响。因此，开发出红蓝波峰两个波段为主体，辅助远红的补光模块将会提高光源的光能利用效率。太阳光的白色是复合颜色，光的三基色是红、蓝、绿。加绿光是为了使补光设施彩色环境中偏白色，使操作人员长时间工作舒适，不致晕眩。不同的植物因长期的环境适应性，对光照的需求具有特异性，即不同植物在不同生长时期所需的光质、光量及光周期存在较大差异。根据对光照强度需要的不同，可把植物分为阳生植物与阴生植物。而阳生与阴生植物的叶绿体相比基粒数目相差较大，所以它们在不同光谱吸收带宽窄不同，导致对某种波长光量子流密度需求不同。即使对同一种植物，它的萌芽期与营养生长期所需的光照强度也不同。当前LED应用在植物生长大多是适合于某种植物的光需求特性的LED单灯，其光色被固定化，不能符合另外一种植物的光照需求。因此，根据不同植物叶绿素a/b的构成比例，将LED以进行系统设计，以不同的电路控制LED实现多种复合光色，并以组态化对光源系统进行控制，以符合不同植物以及不同生长阶段对光的不同需求。610-720nm的红光和710_740nm的远红外光两者光通量之比即R/FR比对植株高度调节具有重要影响。610-720nm的红光能降低植物体内赤霉素的含量，从而减小节间长度和植株高度；而710-740nm远红外光的作用恰恰相反，能提高植物体内赤霉素的含量,从而增加节间长度和植株高度。R/FR比已成为控制植株高度的一个重要评价参数。CN100587326公开了一中红蓝光比例均匀的发光二极管组合方法及其模块，但是没有远红光LED参与搭配，不能解决红光与远红光LED光通量之比(R/FR)的均匀分布问题；CN201475731公布了一种LED植物照明灯，以绿色LED和蓝色LED 二种单色光为烛光，以红、黄、绿、蓝、紫光为辅助光合作用光源，且也没有远红外光LED的参与，主光和辅光重叠，在植物育苗的具体应用阶段不明晰。

发明内容
(一 )要解决的技术问题:本发明要解决的技术问题是设计出一种兼顾R/B(红/蓝)与R/FR(红/远红)的比值与绿光照射量的四色光LED组合补光灯，既能满足植物补光的需求，同时尽可能的使人眼舒适。( 二 )技术方案:为了解决上述技术问题，达到上述目的，本发明提供了一种的四色光LED组合补光装置，包括:红光LED阵列、蓝光LED阵列、远红光LED阵列、绿光LED阵列、基板5和控制电路； 其中所述红光LED阵列、蓝光LED阵列、远红光LED阵列和绿光LED阵列依次顺序排列固定在基板5上；所述控制电路用于控制红光LED、蓝光LED、远红光LED、绿光LED进行补光。其中，所述控制电路包括控制模块、检测模块和补光模块；所述检测模块用于检测所述植物补光灯所处环境的光照度，并将光照度检测结果传输给控制模块，所述控制模块根据所述光照度检测结果确定是否需要补光，如果需要则通知所述补光模块，由补光模块执行相应色光的补光。本发明还公开了一种利用上述LED四色植物补光装置进行补光的方法，其包括:步骤1、控制模块通知检测模块进行环境温度的检测；步骤2、控制模块判断所述检测模块检测到的环境温度是否在阈值范围内，如果是，则控制模块通知检测模块分别检测四色光的光照度；步骤3、控制模块如果判断出所述四色光的光照度均在各自阈值范围内，则计算四色光的补光量，并通知补光模块根据所述补光量进行补光；步骤4、如果控制模块判断所述检测模块检测到的环境温度不在阈值范围内或者至少一种光的光照度不在阈值范围内，则通知补光模块关断所有LED灯。(三)有益效果本发明的有效效果是选择了特定规格的四色光LED，既考虑到尽可能集中多种对植物光合作用有特定效果的多个波长的色光，还兼顾经济实用，同时考虑到对人眼的舒适，从而选择常见的红、蓝、远红、绿四色光LED，在选择色光的同时，按照选择的各色LED的功率，通过控制电路得到合理的R/B、R/FR、R/G比值，符合植物光合作用和人眼舒适的要求，更符合需要人参与的植物定向培育需求。


图1是本发明的植物补光装置中四色光LED排列形式的结构示意图；图2是本发明的植物补光装置中控制装置的电路图示意；图3是本发明中所述控制装置的控制流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明公开了一种植物补光灯，具体为一种LED四色植物补光灯。所述LED四色植物补光灯包括:红光LED阵列1、蓝光LED阵列2、远红光LED阵列
3、绿光LED阵列4、一矩形的基板5、连接导线和控制电路；其中所述红光LED阵列1、蓝光LED阵列2、远红光LED阵列3和绿光LED阵列4依次顺序排列并固定在基板5上。
基板5上红光LEDl、蓝光LED2、远红光LED3和绿光LED4的排列情况如下:若蓝光LED和远红光LED的数量为η个，则绿光LED的数量为2η，则红光LED的数量为8η个。绿光LED分布在基板中央，绿光LED旁分布单行的蓝光LED和远红光LED，红光LED分布在基板外侧。图1示出一种优选排列方式，即基板5上的LED阵列的排列为行与列间隔，每行排列相同颜色的LED，红光LEDl阵列排列在上边缘和下边缘，上边缘连续四行排列红光LED，下边缘连续四行排列红光LED，从上边缘起第五行排列蓝光LED，第六行和第七行排列远红光LED,第八行排列绿光LED, 整齐排列。红光LED在基板上的分布密度为1200-2000个/m2，蓝光LED在基板上分布密度为150-250个/m2，远红外光LED在基板上分布密度为150-250个/m2，绿光LED在基板上分布密度为300-500个/m2。各LED之间均匀间隔，中心距为1_1.2cm。本发明从多数植物对光照强度要求的实际情况出发，及综合考虑R/B、R/FR合适比例和适当绿光照射强度，确定选择的四色LED规格为:红色LED:波长 620-670nm，线宽 20nm，单颗功率 0.2-1W ；蓝色LED:波长 420-470nm，线宽 20nm，单颗功率 0.2-1W ；远红色LED:波长720-735nm，线宽20nm，单颗功率0.2-1W ；绿色LED:波长 520-540nm，线宽 30nm，单颗功率 0.2-1W。图2给出了所述控制电路的电路原理图。所述控制电路包括控制模块、电源模块、检测模块、补光模块、预警模块和用户交互模块。其中，检测模块、补光模块、预警模块和用户交互模块分别通过数据线与控制模块连接。控制模块负责控制和协调检测模块、电源模块、预警模块、补光模块和用户交互模块实现补光亮度的预设，以及实现对灯具内部参数的访问，图3给出了控制模块的具体控制流程图；用户交互模块为用户通过文字、声音和图像的形式显示植物补光灯的相关信息，根据不同植物、同种植物不同生长阶段的补光需求，用户可以通过用户交互模块中的按键阵列或触摸屏输入控制参数，所述控制参数用于控制补光模块进行LED灯的关断、打开或亮度调节；检测模块实时检测环境温度和四色光光照度，将检测信号进行处理后传入控制模块，实现温度、光照度的数据采集，所述检测模块可以用热敏电阻(温度检测)和半导体探测器(光照度检测)等来实现；预警模块包括蜂鸣器和指示灯，其监测LED补光灯的工作状态，判断灯组是否正常工作，例如过压、过流、过亮等状态，并通过所述蜂鸣器和指示灯发出警告信息；补光模块根据控制模块的指示利用LED驱动常用的脉宽调制控制技术，分别控制四色LED补光灯的亮度。电源模块为电路中其他模块提供电源支持，其为控制模块、预警模块、用户交互模块和检测模块中的温度检测电路提供5V电压的电源支持，为检测模块中除温度检测电路的其他部分提供3V电压的电源支持，为补光模块提供220V电压的电源支持。图3为所述控制模块实现控制的具体流程图。控制模块开启后首先询问系统是否需要初始化，如需要初始化则提示进行温度和光照度阈值的设置。如系统不需要初始化则进入采集环境温度程序，控制模块控制检测模块的温度检测电路进行温度采集，温度采集后判断温度是否在预设的阈值范围之内，如温度检测电路检测出温度已不在阈值之内，控制模块将控制补光模块进行灯组关断，即关断所有LED灯，关断时间维持N分钟左右，N分钟以后，N最佳取值为2 ;控制模块打开补光模块的补光灯组，继续进入采集环境温度和判断温度是否在阈值之内环节，如果温度仍然超出阈值，则维持关断循环次数加1，程序中相应全局变量加1，当相应全局变量大于等于3即维持关断循环次数大于等于3时，控制模块驱动预警模块利用声音、图像和文字等形式显示错误状态信息；控制模块在判断温度是否在阈值之内环节时如通过温度检测电路判断温度是在阈值之内，则控制模块将进入四色光光照度检测环节，控制模块从检测模块的红光、蓝光、绿光和远红光检测电路中得到光照度信息，分别判断红光、蓝光、绿光和远红光的光照度是否在阈值之内，如果有一种颜色的光照度不在阈值之内，则控制模块将如同温度不在阈值之内的情况，进入补光模块的灯组关断和维持关断循环次数环节，根据维持关断循环次数驱动预警模块显示错误状态信息。如果红光、蓝光、绿光和远红光的光照度均在阈值之内，控制模块将分别计算红光、蓝光、绿光和远红光的补光量并驱动补光模块进行补光执行，所述补光量根据不同植物不同生长阶段的补光需求来计算。补光执行完成后控制模块再循环至采集环境温度环节，继续进行温度和光照度的采集和判断。控制模块程序驱动补光模块关断后，工作人员检测引起环境温度超出阈值的因素和补光模块的故障后可以重新开启控制模块程序。所述控制模块的上述流程可以通过计算机程序或硬件编程来实现。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种LED四色植物补光装置，包括:红光LED阵列、蓝光LED阵列、远红光LED阵列、绿光LED阵列、基板5和控制电路； 其中所述红光LED阵列、蓝光LED阵列、远红光LED阵列和绿光LED阵列依次顺序排列固定在基板5上；所述控制电路用于控制红光LED、蓝光LED、远红光LED、绿光LED进行补光。
2.如权利要求1所述的植物补光装置，其特征在于，所述红光LED阵列、蓝光LED阵列、远红光LED阵列和绿光LED阵列在所述基板上以行列间隔的方式排列，其中若蓝光LED和远红光LED的数量为η个，则绿光LED的数量为2η，则红光LED的数量为8η个；绿光LED分布在基板中央，绿光LED旁分布单行的蓝光LED和远红光LED，红光LED分布在基板外侧。
3.如权利要求1所述的植物补光装置，其特征在于，所述红光LED在基板上的分布密度为1200-2000个/m2，蓝光LED在基板上分布密度为150-250个/m2，远红外光LED在基板上分布密度为150-250个/m2，绿光LED在基板上分布密度为300-500个/m2 ;各LED之间均匀间隔，个LED的中心间距为1-1.2cm。
4.如权利要求1所述的植物补光装置，其特征在于，所述红光LED是波长为620nm-670nm、线宽为20nm、单颗功率为0.2-1W的圆形红光LED，蓝光LED是波长为420nm-470nm、线宽为20nm、单颗功率为0.2-1W的圆形蓝光LED，远红外LED是波长为为720-735nm、线宽为20nm、单颗功率为0.2-1W的圆形远红外光LED，绿光LED是波长为520-540nm、线宽30nm、单颗功率为0.2-1W的圆形绿光LED。
5.如权利要求1所述的植物补光装置，其特征在于，所述控制电路包括控制模块、检测模块和补光模块；所述检测模块用于检测所述植物补光灯所处环境的光照度，并将光照度检测结果传输给控制模块，所述控制模块根据所述光照度检测结果确定是否需要补光，如果需要则通知所述补光模块，由补光模块执行相应色光的补光。
6.如权利要求5所述的植`物补光装置，其特征在于，所述检测模块还用于检测所述植物补光灯所处环境的温度，并将所述温度检测结果传输给控制模块，控制模块根据所述温度检测模块判断所述温度是否在阈值范围内容，如果不是则通知所述补光模块关断所有LED 灯。
7.如权利要求5所述的植物补光装置，其特征在于，所述光照度检测结果分别包括红光、蓝光远红外光和绿光四种光照度检测结果，所述控制模块通过判断所述四种光照度检测是否分别在阈值范围内，如果不在阈值范围内，则计算相应光的补光量，并通知补光模块进行相应色光的补光。
8.如权利要求5所述的植物补光装置，其特征在于，所述控制模块还包括用户交互模块，所述用户交互模块包括显示器和键盘，其通过所述键盘接收用户输入的控制参数，并在显示器上显示所述植物补光装置的相关信息。
9.如权利要求5所述的植物补光装置，其特征在于，所述控制模块还包括电源模块和预警模块，所述电源模块用于向所述植物补光装置提供电源，所述预警模块用于检测所述各色LED灯的工作状态，并在发生异常时发出预警信号。
10.一种利用权利要求5所述的LED四色植物补光装置进行补光的方法，其包括: 步骤1、控制模块通知检测模块进行环境温度的检测； 步骤2、控制模块判断所述检测模块检测到的环境温度是否在阈值范围内，如果是，则控制模块通知检测模块分别检测四色光的光照度； 步骤3、控制模块如果判断出所述四色光的光照度均在各自阈值范围内，则计算四色光的补光量，并通知补光模块根据所述补光量进行补光； 步骤4、如果控制模块判断所述检测模块检测到的环境温度不在阈值范围内或者至少一种光的光照度不在阈值范围内， 则通知补光模块关断所有LED灯。
全文摘要
本发明公开了一种LED四色植物补光装置，包括红光LED阵列、蓝光LED阵列、远红光LED阵列、绿光LED阵列、基板5和控制电路；其中所述红光LED阵列、蓝光LED阵列、远红光LED阵列和绿光LED阵列依次顺序排列固定在基板5上；所述控制电路用于控制红光LED、蓝光LED、远红光LED、绿光LED进行补光。本发明选择了特定规格的四色光LED，既考虑到尽可能集中多种对植物光合作用有特定效果的多个波长的色光，还兼顾经济实用，同时考虑到对人眼的舒适，从而选择常见的红、蓝、远红、绿四色光LED，在选择色光的同时，按照选择的各色LED的功率，通过控制电路得到合理的R/B、R/FR、R/G比值，符合植物光合作用和人眼舒适的要求，更符合需要人参与的植物定向培育需求。
文档编号F21V23/04GK103104839SQ20131001838
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者宋昌斌, 王军喜, 杨华, 段靖远 申请人:中国科学院半导体研究所