植物人工光栽培智能精準照明節能方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種植物人工光栽培智能精準照明節能方法，包括如下步驟：A調整人工光源強度；B調節人工光源距離植物冠層的距離；C對人工光源上設置的調焦透鏡進行調焦，以控制人工光源透過調焦透鏡后的投射到植物冠層的光斑大小；通過C與A和\或B的協同運作，將強度盡量低的人工光源置于植物冠層上方適合距離處，使透過調焦透鏡射出的光以能滿足植物生長所需的光強投射到植物冠層，形成的光斑大小在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙。本發明還提供用于所述精準照明節能方法的裝置，主要由光源架、升降機構、光源-透鏡單元和電源構成。本發明的方法為植物提供精準的光照范圍和強度，大大避免了栽培過程中光能的浪費。
【專利說明】植物人工光栽培智能精準照明節能方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及設施栽培領域，具體涉及一種植物人工光栽培智能精準照明節能方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]已有研究表明適當地補充光照可以使植物生長速度加快，品質提升，同時具有調節其光形態建成，調節花期等效果。隨著植物工廠技術的發展與人們對高品質蔬菜、花卉的追求，完全使用人工光進行蔬菜、花卉栽培的植物工廠也越來越多的被建設并投入運營。
[0003]植物不管是利用基質栽培技術、水耕栽培技術還是氣霧栽培技術進行種植，也不管是小苗定植時、植物生長前期定植時、植物生長后期定植時，均需在各棵植物周邊留出足夠的間隙，以使植物繼續得以伸展長大，避免相互擁擠造成徒長、黃化，甚至不透氣、溫度過高以致植物腐爛等。
[0004]當使用人工補光或者完全人工光進行栽培時，在整個植物生長期間很大一部分光落到了植物以外的間隙上，造成很大的能源浪費。如圖1所示，S為植物冠層投影面積，t為生長時間，圖中曲線為植物冠層投影面積隨生長時間變化曲線。陰影部分為現有照射方式下投在植物以外的光的面積，即可被節約的部分。
【發明內容】
[0005]針對植物生長期間很大一部分光落到了植物以外的間隙上，造成很大能源浪費的問題，本發明旨在提供一種植物人工光栽培智能精準照明節能方法及其裝置。
[0006]本發明的植物人工光栽培智能精準照明節能方法，包括如下步驟:
[0007]A調整人工光源強度；
[0008]B調節人工光源距離植物冠層的距離；
[0009]C對人工光源上設置的調焦透鏡進行調焦，以控制人工光源透過調焦透鏡后的投射到植物冠層的光斑大小；
[0010]通過C與A和\或B的協同運作，將強度盡量低的人工光源置于植物冠層上方適合距離處，使透過調焦透鏡射出的光以能滿足植物生長所需的光強投射到植物冠層，形成的光斑大小在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙。
[0011]所述能滿足植物生長所需的光強，針對不同植物標準不同，一般在50-150 μ mo I.m 2.s 1 范圍內。
[0012]在C與八和\或B的協同運作時，在能達到所需效果(以能滿足植物生長所需的光強投射到植物冠層，形成的光斑大小在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙)的前提下，人工光源的強度越小越好。
[0013]其中，所述C與A和\或8的協同運作，通過以下方式實現:
[0014]I人工手動調節；
[0015]或II機械智能調節。
[0016]其中，所述II機械智能調節，為以攝像頭檢測植物冠層的面積和形狀，將檢測結果反饋給控制系統，以控制系統調控C與A和\或B的協同運作。
[0017]本發明還提供用于所述植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置，主要由光源架、升降機構、η個光源-透鏡單元和電源構成；所述光源-透鏡單元分若干排安裝在光源架上，光源-透鏡單元由人工光源和設置在其上的一組調焦透鏡構成:通過升降機構調整光源架的高度，電源為光源-透鏡單元中的人工光源提供電能并調節其光強；η為自然數。
[0018]當需為光源架下種植的η棵植物提供人工光時，就在光源架上安裝η個光源-透鏡單元，對植物一對一的提供人工光照射。
[0019]本裝置使用時，調節電源達到A調整人工光源強度的作用；調節升降機構達到B調節人工光源距離植物冠層的距離的作用；調節調焦透鏡距離人工光源的距離達到C對人工光源上設置的調焦透鏡進行調焦，以控制人工光源透過調焦透鏡后的投射到植物冠層的光斑大小的作用。
[0020]其中，所述一組調焦透鏡為至少一個的調焦透鏡，所述調焦透鏡為凸透鏡和/或菲涅爾透鏡。
[0021]其中，所述人工光源為植物栽培中常用的人工光源，優選紅色LED光源和藍色LED光源。
[0022]其中，所述調節其光強為調節紅色LED光源的光強和調節藍色LED光源的光強。
[0023]其中，用于所述植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置，還包括攝像頭和控制系統:以攝像頭檢測植物冠層面積和形狀，將檢測結果反饋給控制系統，以控制系統對電源、升降機構和調焦透鏡進行調節來調控C與A和\或B的協同運作。
[0024]其中，所述攝像頭安裝在光源架上，優選可以沿光源架前后左右移動，以確保能檢測到光源架下所有植物冠層的面積和形狀。
[0025]本發明還提供所述裝置的使用方法，具體步驟如下:
[0026]I)在植物冠層面積較小時，調節電源使人工光源的光強較小，調節升降機構使光源架距離植物冠層較短，調節調焦透鏡距離人工光源的距離，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，再次調節電源，使到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強；
[0027]2)隨著植物逐漸長大，逐漸調節升降機構使光源架距離植物冠層稍遠，調節調焦透鏡距離人工光源的距離，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小在全覆蓋長大的植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，調節電源，使到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強。
[0028]所述裝置的使用方法，優選具體步驟如下:
[0029]以攝像頭檢測植物冠層面積和形狀，將檢測結果反饋給控制系統，以控制系統控制進行步驟I)、步驟2)。
[0030]本發明還提供所述植物人工光栽培智能精準照明節能方法在植物栽培中的應用。
[0031]本發明還提供用于所述植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置在植物栽培中的應用。
[0032]本發明植物人工光栽培智能精準照明節能方法的優點如下:
[0033]1、在確保提供植物所需光的前提下，通過精準照明節提供精準的光照范圍，最大可能地減少了人工光投射到植物之間的間隙造成的浪費。
[0034]2、通過距離和光強的調節，在精準控制照明強度，滿足各個時期植物所需光強的前提下，盡可能降低人工光源的能耗，最大幅度地節能。
[0035]3、以機械智能調節電源、升降機構和調焦透鏡，在達到及時調整、精準調整的同時，大大節約了人力勞動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1為【背景技術】中整個植物生長期間植物冠層投影面積隨時間的變化曲線。
[0037]圖2為本發明實施例1用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置結構示意圖。
[0038]圖3為本發明實施例1使用一塊調焦透鏡的光源-透鏡單元結構示意圖。
[0039]圖4為本發明實施例1使用一塊調焦透鏡的光源-透鏡單元的照片，a為投射的光斑較小時的照片，b是投射的光斑較大時的照片。
[0040]圖5為本發明實施例2用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置的結構示意圖。
[0041]圖6為本發明實施例2使用兩塊調焦透鏡的光源-透鏡單元結構示意圖。
[0042]圖7為本發明實施例2使用兩塊調焦透鏡的光源-透鏡單元的照片，a為投射的光斑較小時的照片，b是投射的光斑較大時的照片。
[0043]其中，S為植物冠層投影面積，t為生長時間，I為光源架，2為升降機構，3為光源-透鏡單元,4為電源,5為攝像頭,6為控制系統,7為人工光源,8為調焦透鏡。
【具體實施方式】
[0044]以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0045]實施例1本發明用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置I
[0046]本實施例的用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置的結構示意圖見圖2，由光源架1、升降機構2、24個光源-透鏡單元3和電源4構成；所述光源-透鏡單元3分成4排安裝在光源架上，每排6個。光源-透鏡單元3的結構示意圖見圖3，由人工光7和設置在其上的一組調焦透鏡8構成:通過升降機構2調整光源架I的高度，電源4為光源-透鏡單元3中的人工光源7提供電能并調節其光強。
[0047]本實施例光源-透鏡單元3所用的一組調焦透鏡8含有一塊調焦透鏡(見圖3)，所用調焦透鏡為150_的菲涅爾透鏡，可以規格相應的凸透鏡替換。
[0048]本實施使用一塊調焦透鏡的光源-透鏡單元的照片見圖4。4a為投射的光斑較小時的照片，此時人工光源距離光斑(照片中為映射在白紙的光斑，表示植物冠層所在位置，下同)的的高度為30cm，調焦透鏡距離人工光源的距離是10cm，光斑大小為直徑5cm ；4b是投射的光斑較大時的照片，此時人工光源距離光斑的的高度為30cm，調焦透鏡距離人工光源的距離是Icm,光斑大小為直徑26cm。
[0049]本發明所用人工光源為紅色LED光源和藍色LED光源，4排光源-透鏡單元3每個均為紅-藍雙芯片LED。人工光源的種類(除了 LED光源，還可以選用植物栽培中常用的其他人工光源)和排列方式可依據植物的具體需要而進行調整。
[0050]實施例2本發明用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置2
[0051]本實施例的用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置的結構示意圖見圖5，由光源架1、升降機構2、30個光源-透鏡單元3、電源4、攝像頭5和控制系統6構成；所述光源-透鏡單元3分成5排安裝在光源架上，每排6個。光源-透鏡單元3的結構示意圖見圖6，由人工光7和設置在其上的一組調焦透鏡8構成:通過升降機構2調整光源架I的高度，電源4為光源-透鏡單元3中的人工光源7提供電能并調節其光強，所述攝像頭5安裝在光源架I上，可以沿光源架I前后左右移動，以攝像5檢測光源架I下植物冠層的面積和形狀，將檢測結果反饋給控制系統6，以控制系統6對電源4、升降機構2和光源-透鏡單元3中的調焦透鏡8進行調節。
[0052]本實施例光源-透鏡單元3所用的一組調焦透鏡8含有兩塊調焦透鏡(見圖6)，所用調焦透鏡為一塊25_的凸透鏡和一塊150_的菲涅爾透鏡，規格相應的凸透鏡和菲涅爾透鏡可以相互替換。使用時距離人工光源較近的凸透鏡的位置一般不變，調整距離人工光源較遠的菲涅爾透鏡的位置。
[0053]本實施使用兩塊調焦透鏡的光源-透鏡單元的照片見圖7，其中人工光源和25mm的凸透鏡距離非常近，僅0.5cm，照片中的人工光源被凸透鏡和將凸透鏡安裝在人工光源上的支架所遮擋。a為投射的光斑較小時的照片，此時人工光源距離光斑的的高度為30cm，凸透鏡距離人工光源的距離是0.5cm，菲涅爾透鏡距離人工光源的距離是10cm，光斑大小為直徑5cm ；b是投射的光斑較大時的照片，此時人工光源距離光斑的的高度為30cm，凸透鏡距離人工光源的距離是0.5cm，菲涅爾透鏡距離人工光源的距離是1cm，光斑大小為直徑20cmo
[0054]本發明所用人工光源為紅色LED光源和藍色LED光源，5排光源-透鏡單元3每個均為紅-藍雙芯片LED。人工光源的種類(除了 LED光源和/或藍色LED光源，還可以選用植物栽培中常用的其他人工光源)和排列方式可依據植物的具體需要而進行調整。
[0055]實施例3使用用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置I
[0056]本實施例所用的的用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置參見實施例I。
[0057]在光源架下按照6X4種植4排共24棵小油菜，位置和光源架上按照的光源-透鏡單兀3形成一對一的關系。
[0058]人工手動調節，具體步驟如下:
[0059]I)在小油菜植物冠層面積較小時，調節電源使人工光源的光強較小，調節升降機構使光源架距離植物冠層較短(10cm)，調節調焦透鏡距離人工光源的距離(5cm)，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小(直徑4cm)在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，再次調節電源使人工光源的功率為0.5ff(不加透鏡需功率為1.5W)，到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強100 μ mol.πΓ2.s—1 ；
[0060]2)隨著小油菜逐漸長大，逐漸調節升降機構使光源架距離植物冠層稍遠，調節調焦透鏡距離人工光源的距離，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小在全覆蓋長大的植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，調節電源，使到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強。當小油菜長成時，光源架距離植物冠層15cm，調焦透鏡距離人工光源的距離1cm，植物冠層形成的光斑大小直徑20cm，人工光源的功率為2W(不加透鏡需功率為3W)，本階段植物生長所需的光強150 μ mol.m_2.s'
[0061]按照本實施的方法，以全人工光照的方式種植一茬24棵小油菜所用的電能為8KW,比常規全人工光照的方式節省電能68%。
[0062]本實施例在確保提供植物所需光的前提下，通過精準照明節最大可能地減少了人工光投射到植物之間的間隙造成的浪費；同時本實施通過距離和光強的調節，在滿足各個時期植物所需光強的前提下，盡可能使人工光源的能耗較小，最大幅度地節能。
[0063]實施例4使用用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置2
[0064]本實施例所用的的用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置參見實施例2。
[0065]在光源架下按照6X4種植4排共24棵生菜，位置和光源架上按照的光源-透鏡單兀3形成一對一的關系。
[0066]機械智能調節，具體步驟如下:以攝像頭檢測植物冠層面積和形狀，將檢測結果反饋給控制系統，以控制系統控制進行如下操作:
[0067]I)在生菜植物冠層面積較小時，調節電源使人工光源的光強較小，調節升降機構使光源架距離植物冠層較短(10cm)，調節調焦透鏡距離人工光源的距離(5cm)，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小(直徑4cm)在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，再次調節電源使人工光源的功率為0.5ff(不加透鏡需功率為1.5W)，到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強100 μ mol.m_2.s—1 ；
[0068]2)隨著生菜逐漸長大，逐漸調節升降機構使光源架距離植物冠層稍遠，調節調焦透鏡距離人工光源的距離，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小在全覆蓋長大的植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，調節電源，使到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強。當生菜長成時，光源架距離植物冠層15cm，調焦透鏡距離人工光源的距離lcm，植物冠層形成的光斑直徑20cm，人工光源的功率為2W(不加透鏡需功率為3W)，本階段植物生長所需的光強150 μ mol.m_2.s'
[0069]按照本實施的方法，以全人工光照的方式種植一茬24棵生菜所用的電能為8KW，比常規全人工光照的方式節省電能68%。
[0070]本實施例在確保提供植物所需光的前提下，通過精準照明節最大可能地減少了人工光投射到植物之間的間隙造成的浪費；同時本實施通過距離和光強的調節，在滿足各個時期植物所需光強的前提下，盡可能使人工光源的功率較小，最大幅度地節能；而且本實施例以機械智能調節電源、升降機構和調焦透鏡，在達到及時調整、精準調整的同時，大大節約了人力勞動。
[0071]以上所述僅是本發明的優選實施方式，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種植物人工光栽培智能精準照明節能方法，其特征在于，包括如下步驟: 八調整人工光源強度； 8調節人工光源距離植物冠層的距離； 0對人工光源上設置的調焦透鏡進行調焦，以控制人工光源透過調焦透鏡后的投射到植物冠層的光斑大小； 通過與八和\或8的協同運作，將強度盡量低的人工光源置于植物冠層上方適合距離處，使透過調焦透鏡射出的光以能滿足植物生長所需的光強投射到植物冠層，形成的光斑大小在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙。
2.如權利要求1所述的植物人工光栽培智能精準照明節能方法，其特征在于，所述與八和\或8的協同運作，通過以下方式實現: I人工手動調節； 或II機械智能調節。
3.如權利要求2所述的植物人工光栽培智能精準照明節能方法，其特征在于，所述II機械智能調節，為以攝像頭檢測植物冠層的面積和形狀，將檢測結果反饋給控制系統，以控制系統調控與八和\或8的協同運作。
4.用于權利要求1-3任一項所述植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置，其特征在于，主要由光源架、升降機構、II個光源-透鏡單元和電源構成；所述光源-透鏡單元分若干排安裝在光源架上，光源-透鏡單元由人工光源和設置在其上的一組調焦透鏡構成:通過升降機構調整光源架的高度，電源為光源-透鏡單元中的人工光源提供電能并調節其光強；II為自然數。
5.如權利要求4所述的用于權利要求1-3任一項植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置，其特征在于，所述一組調焦透鏡為至少一個的調焦透鏡，所述調焦透鏡為凸透鏡和丨或菲涅爾透鏡。
6.如權利要求4所述的用于權利要求1-3任一項植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置，其特征在于，還包括攝像頭和控制系統:以攝像頭檢測植物冠層面積和形狀，將檢測結果反饋給控制系統，以控制系統對電源、升降機構和調焦透鏡進行調節來調控與八和\或8的協同運作。
7.使用權利要求4-6任一項所述裝置的方法，其特征在于，具體步驟如下: 1)在植物冠層面積較小時，調節電源使人工光源的光強較小，調節升降機構使光源架距離植物冠層較短，調節調焦透鏡距離人工光源的距離，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，再次調節電源，使到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強； 2)隨著植物逐漸長大，逐漸調節升降機構使光源架距離植物冠層稍遠，調節調焦透鏡距離人工光源的距離，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小在全覆蓋長大的植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，調節電源，使到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強。
8.使用權利要求6所述裝置的方法，其特征在于，具體步驟如下:以攝像頭檢測植物冠層面積和形狀，將檢測結果反饋給控制系統，以控制系統控制進行操作: 1)在植物冠層面積較小時，調節電源使人工光源的光強較小，調節升降機構使光源架距離植物冠層較短，調節調焦透鏡距離人工光源的距離，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小在全覆蓋植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，再次調節電源，使到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強； 2)隨著植物逐漸長大，逐漸調節升降機構使光源架距離植物冠層稍遠，調節調焦透鏡距離人工光源的距離，使得透過調焦透鏡射出的光在植物冠層形成的光斑大小在全覆蓋長大的植物冠層的前提下盡量少地投射到植物之間的間隙，調節電源，使到達植物冠層的光強為能滿足本階段植物生長所需的光強。
9.權利要求1-3任一項所述植物人工光栽培智能精準照明節能方法在植物栽培中的應用。
10.權利要求4-6任一項所述用于植物人工光栽培智能精準照明節能方法的裝置在植物栽培中的應用。
【文檔編號】F21V5/04GK104359049SQ201410609775
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】李琨, 楊其長, 魏強, 巫國棟, 劉文科, 程瑞鋒, 仝宇欣, 張義, 方慧, 肖平 申請人:中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所