温室大棚光谱在线分析及智能补光系统及补光方法

摘要

本发明公开的温室大棚光谱在线分析及智能补光系统及补光方法，可以在线对农作物周围的光谱进行采集和分析，能根据农作物生长所需要的最佳光谱信息在线补偿农作物所需要的光谱强度，使得农作物生长在最佳光照条件下，实现智能补光措施。本发明由于使用了高精度数字化开关电源恒流控制LED光源，使得光谱调节精度更高，补偿效果更好。本发明使得农作物的实际光照光谱能很好跟踪专家给出的最佳光谱信息，并能设计好运行程序，进行无人工干预的智能精确补光，大大提高了农业的智能化控制，并能大幅度提高农作物的质量。

说明书

技术领域

本发明属于温室大棚智能控制技术领域，具体涉及一种温室大棚 光谱在线分析及智能补光系统，本发明还涉及采用上述系统进行补光 的方法。

背景技术

光照是影响植物生长的重要因子，传统的温室大棚补光设备具有 盲目性，不能实现对温室大棚内部光照光谱的在线分析，也不能通过 对比农作物生长所需要的最佳光谱信息库对大棚内部光照实行在线 补偿。温室大棚光谱在线分析及智能补光系统能够为农业科学化、精 细化提供支撑，以达到最小的成本获取最大的生产效益的目的。

开关电源技术在近几年得到了很快的发展，其在LED控制方面 也开始应用。利用开关电源技术可以对温室大棚内部的LED补光控 制模块进行精确控制，进而控制LED补光阵列的光照强度和光照频 谱，给农作物生长提供最佳环境，是一个发展方向。开关电源的耗电 量小、控制精度高，能够对光谱起到很好的调节作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种温室大棚光谱在线分析及智能补光系 统，解决了现有技术中不能根据农作物生长最佳光谱进行光照在线补 偿的问题。

本发明的另一目的是提供采用上述系统进行补光的方法。

本发明采用的技术方案是，温室大棚光谱在线分析及智能补光系 统，包括依次连接的光照强度采集装置、光照采集及补光控制器及可 控LED补光设备，光照采集及补光控制器通过无线通信设备与管理 员及温室大棚智能补光系统控制平台通信连接，光照采集及补光控制 器上还连接有液晶屏；

可控LED补光设备，包括前级整流滤波电路，前级整流滤波电 路上连接有四路高频逆变电路，每路高频逆变电路依次与高频变压 器、同步整流电路及LED阵列相连接，LED阵列包括LED红灯阵列、 LED绿灯阵列、LED蓝灯阵列、LED紫灯阵列，高频逆变电路及同 步整流电路还分别与光照采集及补光控制器相连接。

本发明所采用的另一技术方案是，温室大棚光谱在线分析及智能 补光系统的补光方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：通过液晶屏设置光谱信息，设置要补光农作物信息并无 线传输到温室大棚智能补光系统控制平台，通过控制平台的专家库查 询该农作物的光照频谱信息，并把其转化为各色补光电流值无线传输 给光照采集及补光控制器；

步骤3：光照强度采集装置采集农作物的实际光照频谱信息到光 照采集及补光控制器，该信息转化为各色补光电流值与专家库给出的 各色补光电流值相减，给可控LED补光设备一个补偿控制指令，当 光照强度采集装置采集的光照信息超过专家给出的该农作物补光限 值时，光照采集及补光控制器通过无线通信设备给管理员发送报警信 息；

步骤4：可控LED补光设备根据补偿控制指令控制四路开关电 源，进而控制红、绿、蓝、紫四种LED阵列的光照强度，从而控制 农作物的实际光照频谱；

步骤5：由可控LED补光设备、光照强度采集装置、光照采集 及补光控制器形成一个反馈控制器，根据温室大棚智能补光系统控制 平台给出的专家建议补偿信息智能控制。

本发明的有益效果是，本发明方法和现有使用方法相比优点在 于，LED补光模块采用开关电源技术，能够精确的控制LED阵列的 电流，进而控制LED阵列的光照强度和光谱分布。LED补光控制模 块由市电进行供电，该模块包括前级整流滤波模块、高频逆变模块、 高频变压器、同步整流模块。中央智能控制模块使LED补光阵列发 出的光谱信息能够自动跟踪农作物生长所需要的最佳光谱曲线，最终 实现光谱定量智能化补充。LED补光阵列只有对农作物生长其关键 作用的红、绿、蓝、紫四种LED灯，中央智能控制模块通过对比已 知农作物生长所需要的最佳光谱信息库，在线控制其光谱。

附图说明

图1是温室大棚光谱在线分析及智能补光系统结构框图；

图2是可控LED补光设备的内部结构框图。

图中，1.光照采集及补光控制器，2.光照强度采集装置，3.可控 LED补光设备，4.无线通信设备，5.管理员，6.温室大棚智能补光系 统控制平台，7.前级整流滤波电路，8.高频逆变电路，9.高频变压器， 10.同步整流电路，11.LED阵列，12.液晶屏。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明温室大棚光谱在线分析及智能补光系统的结构如图1所 示，包括依次连接的光照强度采集装置2、光照采集及补光控制器1 及可控LED补光设备3，光照采集及补光控制器1通过无线通信设 备4与管理员5及温室大棚智能补光系统控制平台6通信连接。

光照采集及补光控制器1和无线通信设备4之间通过串口连接， 无线通信设备4与管理员5、温室大棚智能补光系统控制平台6之间 通过3G网络无线通信。光照采集及补光控制器1通过控制线发送模 拟控制信号给可控LED补光设备3，光照强度采集装置2采集光照 信息有线传输给光照采集及补光控制器1。

光照强度采集装置2，利用光照强度采集仪采集温室大棚内部光 照信息，并把采集的模拟信号传输给光照采集及补光控制器1；光照 采集及补光控制器1，该补光控制器的控制芯片采用16位单片机， 采集到的光照强度与给定光照强度相减，给出补光差值，转化为控制 指令传送给可控LED补光设备3。其中给定光照强度是由温室大棚 智能补光系统控制平台6的专家库查询后经无线通信设备4无线传输 得到。温室大棚智能补光系统控制平台6，该平台由工业控制计算机 搭建，系统内嵌每种农作物生长所需要的光照曲线，该曲线给出某种 农作物生长过程中所需的随生长周期变化的光照强度，当用于补光某 种农作物的智能补光系统无线连接到该平台时，需要预先检索该装置 补光的农作物在智能专家库中的补光强度信息。然后该信息会无线传 输给光照采集及反馈补光控制器作为该系统的给定补光强度。这里的 管理员5，主要指版本为Android4.2的手机平台，支持3G无线传输。 由光照采集及补光控制器1采集到的光照信息超过某种农作物所能 承受的最大光照强度值后，光照采集及补光控制器1就会通过无线通 信设备4无线传输给管理员5一个报警信息，信息包含现在光照值、 光照强度限制等信息。可控LED补光设备3，该设备由四路恒流开 关电源组成，分别控制红、绿、蓝、紫四种LED补光阵列的关照强 度，从而改变光照频谱。

可控LED补光设备3的内部结构框图如图2所示，该设备包括 前级整流滤波电路7，前级整流滤波电路7上连接有四路高频逆变电 路8，每路高频逆变电路8依次与高频变压器9、同步整流电路10及 LED阵列11相连接，LED阵列11包括LED红灯阵列、LED绿灯阵 列、LED蓝灯阵列、LED紫灯阵列。高频逆变电路8及同步整流电 路10分别与光照采集及补光控制器1相连接。光照采集及补光控制 器1上还连接有液晶屏12。

前级整流滤波电路7，该电路由220V/50Hz市电供电，把交流电 转化为直流电供四路开关电源以直流方式取电，该电路采用单相桥式 不控整流电路和电感滤波电路组成。电感滤波电路用于平整电压波 形，采用电感滤波延长了整流管的导电角，从而避免了过大的冲击电 流。高频逆变电路8，该电路采用全桥逆变拓扑，开关管采用驱动频 率较高的MOSFET管，开关驱动电路采用电流驱动方式。高频变压 器9，该高频变压器采用原边线绕，副边铜皮面绕结构，这种结构绕 制的变压器漏感较小，变压器磁芯取超微晶材质，该材质的导磁率高， 磁通密度大，所以绕制的变压器体积较小，使得整体电源体积变小。 同步整流电路10，该电路采用通态电阻非常小的MOSFET管代替一 般的二极管，有效的降低了通态压降，适合用于恒流控制的LED电 源后级整流场合。LED红灯阵列，该LED阵列由8个相同的红色LED 串联而成，给系统提供红光。LED绿灯阵列，该LED阵列由8个相 同的绿色LED串联而成，给系统提供绿光。LED蓝灯阵列，该LED 阵列由8个相同的LED串联而成，给系统提供蓝光。一个LED紫灯 阵列，该LED阵列由8个相同的LED串联而成，给系统提供紫光。 可移除触控式液晶屏12，该液晶屏用于设置光谱信息，设置要补光 农作物信息并无线传输到温室大棚智能补光系统控制平台，供查询该 农作物所需的专家推荐补光光谱信息。

本发明温室大棚光谱在线分析及智能补光系统的补光方法，具体 按照以下步骤实施：

步骤1：通过液晶屏12设置光谱信息，设置要补光农作物信息 并无线传输到温室大棚智能补光系统控制平台6，通过控制平台的专 家库查询该农作物的光照频谱信息，并把其转化为各色补光电流值无 线传输给光照采集及补光控制器1。

步骤3：光照强度采集装置2采集农作物的实际光照频谱信息到 光照采集及补光控制器1，该信息转化为各色补光电流值与专家库给 出的各色补光电流值相减，给可控LED补光设备3一个补偿控制指 令。当光照强度采集装置2采集的光照信息超过专家给出的该农作物 补光限值时，光照采集及补光控制器1就会通过无线通信设备4给管 理员5发送报警信息。

步骤4：可控LED补光设备3根据补偿控制指令控制四路开关 电源，进而控制红、绿、蓝、紫四种LED阵列10的光照强度，从而 控制农作物的实际光照频谱。

步骤5：由可控LED补光设备3、光照强度采集装置2、光照采 集及补光控制器1形成一个反馈控制器，根据温室大棚智能补光系统 控制平台6给出的专家建议补偿信息智能控制。

本发明方法的实现关键在于三点：一是可以在线对农作物周围的 光谱进行采集和分析；二是能根据农作物生长所需要的最佳光谱信息 在线补偿农作物所需要的光谱，使得农作物生长在最佳光照条件下， 实现智能补光措施；三是由于使用了高精度数字化开关电源恒流控制 LED光源，使得光谱调节精度更高，光谱控制效果更好。本发明使 得农作物的实际光照光谱能很好跟踪专家给出的最佳光谱信息，并能 设计好运行程序，进行无人工干预的智能精确补光，大大提高了农业 的智能化控制，并能大幅度提高农作物的质量。