本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)調(diào)光技術(shù)，具體涉及到一種基于太陽能的農(nóng)業(yè)溫室調(diào)光技術(shù)。

背景技術(shù)：

光合作用是植物賴以生存的生命活動(dòng)，植物通過利用光能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物。光照與作物的生長(zhǎng)有密切的關(guān)系，最大限度的捕捉光能，充分發(fā)揮植物光合作用的潛力，將直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益。近年來由于市場(chǎng)需求的推動(dòng)，普遍采用溫室大棚生產(chǎn)反季節(jié)花卉、瓜果、蔬菜等，由于冬春兩季日照時(shí)間短，作物生長(zhǎng)緩慢，產(chǎn)量低，因此急需進(jìn)行調(diào)光。采用電光源調(diào)光是溫室設(shè)施現(xiàn)代栽培的最新發(fā)展方向，以物理方法和工程技術(shù)營(yíng)造植物所需的適宜生長(zhǎng)環(huán)境條件，可減少化學(xué)藥品的使用，促進(jìn)溫室栽培植物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量、品質(zhì)和安全性。

現(xiàn)有的調(diào)光措施通常采用垂直調(diào)光方式，在溫室上方安裝調(diào)光燈，通過控制調(diào)光燈光照的時(shí)間對(duì)植物進(jìn)行調(diào)光。以該方法調(diào)光，光照自上而下，光照不均勻，角落的植物則無法得到足夠的光照。另外，對(duì)植物實(shí)施定點(diǎn)持續(xù)調(diào)光，并不是最高效的調(diào)光手段?，F(xiàn)有研究表明，對(duì)植物采用可變調(diào)光，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，花芽分化，并提高了光合作用效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于太陽能的農(nóng)業(yè)溫室調(diào)光技術(shù)，該系統(tǒng)能夠提供均勻的光照，而且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)光照。本發(fā)明的技術(shù)方案是：

該技術(shù)包括遠(yuǎn)程控制中心、控制中心、太陽能光伏裝置、LED調(diào)光裝置和供電裝置，太陽能光伏裝置、LED調(diào)光裝置和控制中心雙向連接，供電裝置連接控制中心、太陽能光伏裝置和LED調(diào)光裝置，控制中心通過無線傳輸連接遠(yuǎn)程控制中心。

上述的LED調(diào)光裝置包括調(diào)光控制器、LED調(diào)光燈、光學(xué)透鏡、散熱器、溫度傳感器、紅藍(lán)光照度傳感器、通信單元，LED調(diào)光燈、溫度傳感器、紅藍(lán)光照度傳感器、通信單元連接到調(diào)光控制器上，LED調(diào)光燈和光學(xué)透鏡、散熱器連接。

上述的LED調(diào)光燈還包括紅基色LED調(diào)光燈和藍(lán)基色LED調(diào)光燈。

上述的太陽能光伏模塊包括太陽能光伏板、光伏控制器、充放電電路、采樣電路、工作狀態(tài)顯示單元、直流負(fù)載、能量存儲(chǔ)單元和PWM輸出端口，光伏控制器和充放電電路、采樣電路、工作狀態(tài)顯示單元、能量存儲(chǔ)單元、直流負(fù)載連接，充放電路連接于太陽能光伏板、能量?jī)?chǔ)存單元、直流負(fù)載、PWM輸出端口相連，采樣電路連接于太陽能光伏板和能量?jī)?chǔ)存單元。

上述的光伏控制器包括微處理器、紅外感應(yīng)系統(tǒng)、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示裝置、保護(hù)電路和電力場(chǎng)效應(yīng)管；所述的太陽能光伏板、能量存儲(chǔ)單元和LED調(diào)光燈通過檢測(cè)電路與微處理器相連，其中太陽能光伏板經(jīng)電力場(chǎng)效應(yīng)管與能量存儲(chǔ)單元相連，能量存儲(chǔ)單元經(jīng)紅外感應(yīng)系統(tǒng)與LED調(diào)光燈相連；所述的保護(hù)電路和指示電路與微處理器相連，所述的電力場(chǎng)效應(yīng)管通過驅(qū)動(dòng)電路與微處理器相連。

上述的紅外感應(yīng)系統(tǒng)包括繼電器開關(guān)控制電路、放大電路、延時(shí)電路和紅外傳感電路，紅外傳感電路與放大電路相連，放大電路與繼電器開關(guān)控制電路相連，繼電器開關(guān)控制電路與延時(shí)電路相連。

上述的的電力場(chǎng)效應(yīng)管是指MOSFET。

上述的的控制中心包括通信單元、微處理單元、報(bào)警單元，通信單元連接微處理單元，微處理單元連接報(bào)警單元。

本發(fā)明使用了LED調(diào)光裝置，通過LED調(diào)光燈、光學(xué)透鏡、散熱器的綜合智能使用，可以使關(guān)照更加均勻，光能利用率提高的同時(shí)生長(zhǎng)速度也提高了，而且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)光照；本發(fā)明使用了光伏控制器，自動(dòng)合理安排使用能量，各種電路地結(jié)合使用保證了系統(tǒng)地智能化，自動(dòng)控制開關(guān)，自動(dòng)發(fā)送信息給遠(yuǎn)程控制中心，節(jié)約了大量的人力物力資源；本發(fā)明使用了能量存儲(chǔ)單元，可以存儲(chǔ)多余的太陽能，最大程度地節(jié)約利用了能源。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明的LED調(diào)光裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明的太陽能光伏裝置；

圖4是本發(fā)明的光伏控制器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5是本發(fā)明的LED調(diào)光裝置的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明：

如圖1所示，一種基于太陽能的農(nóng)業(yè)溫室調(diào)光技術(shù)包括遠(yuǎn)程控制中心、控制中心、太陽能光伏裝置、LED調(diào)光裝置、供電裝置，太陽能光伏裝置、LED調(diào)光裝置和控制中心雙向連接，供電裝置連接控制中心、太陽能光伏裝置、LED調(diào)光裝置，控制中心通過無線傳輸連接遠(yuǎn)程控制中心，太陽能光伏裝置、LED調(diào)光裝置、供電裝置，太陽能光伏裝置安裝于溫室上。該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件控制技術(shù)能夠智能地發(fā)出控制信號(hào)控制系統(tǒng)的運(yùn)作。保證系統(tǒng)提供均勻的光照，而且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)光照，提高了作物產(chǎn)量，解決了如今技術(shù)中光照不 均勻?qū)е碌纳L(zhǎng)不一致的問題。

如圖2所示，LED調(diào)光裝置包括調(diào)光控制器、LED調(diào)光燈、光學(xué)透鏡、散熱器、溫度傳感器、紅藍(lán)光照度傳感器、通信單元，LED調(diào)光燈、溫度傳感器、紅藍(lán)光照度傳感器、通信單元連接到調(diào)光控制器上，LED調(diào)光燈和光學(xué)透鏡、散熱器連接。其中紅藍(lán)光照度傳感器包括紅光照度傳感器和藍(lán)光照度傳感器。

為了防止玻璃的發(fā)射損失，在燈具設(shè)計(jì)時(shí)不使用玻璃，通過采用內(nèi)表面配光學(xué)透鏡，形成光學(xué)透鏡一體化并且外表面光滑平整，便于組合成模塊內(nèi)表面配光裝置，針對(duì)所要照射的面積形狀，設(shè)計(jì)了內(nèi)表面配光的透鏡，形成矩形光斑，從而保證LED植物生長(zhǎng)調(diào)光照明系統(tǒng)的光均勻性，相對(duì)于原先采用分立的透鏡的燈具光學(xué)效率提高10％左右。在散熱器的設(shè)計(jì)過程中，本發(fā)明具體分析了LED的熱傳遞方式和途徑，選擇鰭片型散熱器，同時(shí)結(jié)合本發(fā)明的功率大小及尺寸，我們選擇了合適的鰭片長(zhǎng)度與鰭片間距。

植物對(duì)于光的吸收主要通過葉綠體來實(shí)現(xiàn)，葉綠素是光合作用的主體。太陽光的波長(zhǎng)范圍絕大部分在300nm-2600nm，而影響光合作用的主要在380nm-720nm光譜范圍內(nèi)，稱之為光合有效福射，大于800nm以上的光不能被植物直接利用，只能起到調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的作用。不同波長(zhǎng)的光線對(duì)于植物光合作用的影響是不同的，植物光合作用需要的光線，波長(zhǎng)在400-700nm左右。400-500nm(藍(lán)色)的光線以及610-720nm(紅色)對(duì)于光合作用貢獻(xiàn)最大。藍(lán)色(470nm)和紅色(630nm)的LED，剛好可以提供植物所需的光線，因此，LED調(diào)光燈，比較理想的選擇就是使用這兩種顏色組合。在視覺效果上，紅藍(lán)組合的植物燈呈現(xiàn)粉紅色。藍(lán)色光能促進(jìn)綠葉生長(zhǎng)；紅色光有助于開花結(jié)果和延長(zhǎng)花期。LED調(diào)光燈的紅藍(lán)LED比例一般在4∶1-9∶1之間為宜，用植物燈給植物補(bǔ)光時(shí)，一般距離葉片的高度為0.5米左右，每天持續(xù)照射12-16小時(shí)可完全替代陽光。在波長(zhǎng)640nm-660nm的紅光區(qū)部分，葉綠素a有一個(gè)吸收峰值；在波長(zhǎng)430nm-450nm的藍(lán)光區(qū)部分，葉綠素b有一個(gè)吸收峰值根據(jù)植物對(duì)光需求的原理，結(jié)合LED光源本身的特性，本發(fā)明選取了630nm的紅光與470nm的藍(lán)光兩植物光能利用率最高的LED作為L(zhǎng)ED植物生長(zhǎng)調(diào)光裝置的器件。

在LED調(diào)光裝置中加入了0-100％連續(xù)可調(diào)的調(diào)光控制器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)裝置的單獨(dú)調(diào)光控制，可調(diào)節(jié)紅藍(lán)光質(zhì)比及總的光照強(qiáng)度，便于設(shè)置不同的光質(zhì)比及光照強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。調(diào)光控制器接收控制中心的植物調(diào)光數(shù)據(jù)，根據(jù)自定義數(shù)據(jù)傳輸代碼的意義，設(shè)計(jì)可編程邏輯功能模塊，使得不同地址LED植物燈的紅、藍(lán)兩基色分別按照預(yù)定的亮度變化速率達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議所預(yù)設(shè)的光強(qiáng)二進(jìn)制值，并輸出相應(yīng)的PWM占空比，從而滿足植物按需調(diào)光的要求，并能根據(jù)要求返回植物調(diào)光燈具的狀態(tài)，以使其能提出更合適的控制方案。

控制中心和LED調(diào)光裝置之間通過ZIGBEE方式進(jìn)行通信。調(diào)光控制器預(yù)存有若干調(diào)光模式，可以對(duì)接入的LED調(diào)光裝置進(jìn)行預(yù)存調(diào)光模式的任意組合。LED調(diào)光裝置內(nèi)部均包括溫度傳感器、紅藍(lán)光照度傳感器，可以方便地將檢測(cè)到的植物外界環(huán)境信息傳遞給調(diào)光控制器。調(diào)光控制器可以訪問燈頭內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)燈頭外括的溫度和照度由傳感器綜合調(diào)度接入燈頭的紅藍(lán)光亮度信息等參數(shù)，以滿足植物在不同階段不同環(huán)境下的需光量。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)植物按需調(diào)光的要求，方便控制中心與智能驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用27位表示植物調(diào)光數(shù)據(jù)的傳輸代碼，其中，0-7位表示8位紅光亮度預(yù)置信號(hào)，8-15位表示8位藍(lán)光亮度預(yù)置信號(hào)，16-17位表示溫度預(yù)設(shè)信號(hào)，將8位溫度數(shù)字信號(hào)的輸出值劃分為4個(gè)等級(jí)；18位表示讀寫信號(hào)，該位為1時(shí)進(jìn)行讀操作，為0時(shí)進(jìn)行寫操作；19-26表示燈具地址，即每個(gè)控制中心可調(diào)控256盞LED植物燈。在實(shí)際應(yīng)用中，可依據(jù)植物在不同生長(zhǎng)階段的光合作用的有效溫度范圍設(shè)置調(diào)光溫度值，在光補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)之間選擇固定值作為紅藍(lán)光目標(biāo)光照度參數(shù)，相關(guān)傳輸協(xié)議的預(yù)設(shè)值可參考不同作物生理的相關(guān)研究成果進(jìn)行設(shè)置。

通信模塊，主要接收植物調(diào)光數(shù)據(jù)和發(fā)送LED調(diào)光燈的當(dāng)前狀態(tài)。鑒于本發(fā)明調(diào)光燈內(nèi)部智能驅(qū)動(dòng)的功能要求和控制方法，將系統(tǒng)分為6個(gè)模塊：通信裝置(接收、發(fā)送模塊)、溫度處理裝置、紅藍(lán)光比較裝置、地址處理裝置、執(zhí)行裝置以及PWM產(chǎn)生裝置。系統(tǒng)的工作過程為：接收裝置接收控制中心的數(shù)據(jù)，傳遞給地址預(yù)處理裝置。預(yù)處理裝置首先根據(jù)地址信息判斷信號(hào)是否發(fā)給指定的LED調(diào)光燈，即判斷地址信號(hào)是否相符。若不符則終止操作，若符合則繼續(xù)判斷是進(jìn)行讀操作還是進(jìn)行寫操作。若是讀操作，程序則轉(zhuǎn)入發(fā)送模塊，將植物燈當(dāng)前狀態(tài)返回到用戶交互模塊；若是寫操作，程序則將亮度變化的級(jí)別信號(hào)傳遞給執(zhí)行裝置進(jìn)行處理。同時(shí)溫度處理裝置、紅藍(lán)二基色比較裝置分別將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)與傳輸協(xié)議的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果輸送到執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置根據(jù)亮度變化速率、紅藍(lán)二基色亮度值比較的結(jié)果、傳輸預(yù)設(shè)照度值等信息，得到對(duì)應(yīng)二基色的PWM控制信號(hào)，再由各自的PWM發(fā)送裝置產(chǎn)生不同占空比的PWM信號(hào)來控制LED調(diào)光燈，從而實(shí)現(xiàn)在外界條件不滿足預(yù)設(shè)值的情況下對(duì)植物按需調(diào)光的要求。

如圖3所示，太陽能光伏裝置包括太陽能光伏板、光伏控制器、充放電電路、采樣電路、工作狀態(tài)顯示單元、直流負(fù)載、能量存儲(chǔ)單元和PWM(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制)輸出端口，光伏控制器和充放電電路、采樣電路、工作狀態(tài)顯示單元、能量存儲(chǔ)單元、直流負(fù)載連接，充放電路連接于太陽能光伏板、能量?jī)?chǔ)存單元、直流負(fù)載、PWM輸出 端口相連，采樣電路連接于太陽能光伏板和能量?jī)?chǔ)存單元。

如圖4所示，光伏控制器包括微處理器、紅外感應(yīng)系統(tǒng)、檢測(cè)電路、指示電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、顯示裝置和電力場(chǎng)效應(yīng)管；光伏電池板、蓄電池和LED補(bǔ)光燈通過檢測(cè)電路與微處理器相連，其中光伏電池板經(jīng)電力場(chǎng)效應(yīng)管監(jiān)測(cè)電路與蓄電池相連，蓄電池經(jīng)紅外感應(yīng)系統(tǒng)與照明燈相連；電力場(chǎng)效應(yīng)管通過驅(qū)動(dòng)電路與微處理器相連；保護(hù)電路和指示電路與微處理器相連。直流負(fù)載與檢測(cè)電路和保護(hù)電路與相連，指示電路與工作狀態(tài)顯示單元相連。

能量?jī)?chǔ)存單元是指蓄電池，太陽能光伏板是指光伏電池板，光伏電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)采樣電路對(duì)蓄電池的端電壓和光伏電池板的端電壓采樣分析，判斷蓄電池是處在充滿狀態(tài)、欠壓狀態(tài)和過放狀態(tài)三種狀態(tài)中的哪一種狀態(tài)；當(dāng)蓄電池不是處在充滿狀態(tài)就開啟充電電路將轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)在蓄電池中，當(dāng)蓄電池處在臨界充滿狀態(tài)時(shí)，通過PWM端口輸出不同百分比的PWM，給蓄電池進(jìn)行涓涓細(xì)流的浮充充電，這樣做的目的就是對(duì)蓄電池的充電加以科學(xué)的管理，改善充電效果和保護(hù)蓄電池。工作狀態(tài)顯示裝置是指LCD液晶，檢測(cè)電路對(duì)光伏電池板，蓄電池和負(fù)載的工作情況進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)分析處理后送給指示電路，經(jīng)指示電路再處理后，在工作狀態(tài)顯示裝置中進(jìn)行顯示，給用戶及時(shí)的提供光伏電池板，蓄電池和負(fù)載的工作情況。

自然界中的任何物體只要它的溫度高于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，它就會(huì)向周圍的空間不間斷的輻射一種人眼難以看得見的紅外線，利用人體輻射的紅外線對(duì)照明燈進(jìn)行全自動(dòng)的開關(guān)控制。所以利用紅外感應(yīng)系統(tǒng)來控制照明燈的自動(dòng)開關(guān)方便使用，紅外感應(yīng)系統(tǒng)由繼電器開關(guān)控制電路、放大電路、延時(shí)電路、紅外傳感電路組成，紅外傳感電路與放大電路相連，放大電路與繼電器開關(guān)控制電路相連，繼電器開關(guān)控制電路與延時(shí)電路相連。

微處理器是指單片機(jī)或DSP，電力場(chǎng)效應(yīng)管為MOSFET即金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管，微處理器通過檢測(cè)電路對(duì)光伏電池板和蓄電池的狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)光伏電池板的電壓高于蓄電池的電壓，蓄電池沒有處在充滿保護(hù)的狀態(tài)時(shí)，微處理器就發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電力場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，接通光伏電池板與蓄電池，光伏電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)在蓄電池中。蓄電池與紅外感應(yīng)系統(tǒng)相連，紅外感應(yīng)系統(tǒng)與照明燈相連，當(dāng)有人走近照明燈需要照明，紅外傳感電路中的紅外光敏元件檢測(cè)到人體發(fā)出的紅外線，將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠識(shí)別的電信號(hào)，經(jīng)放大電路的處理，送給繼電器開關(guān)控制電路作為控制信號(hào)點(diǎn)亮照明燈，延遲一會(huì)熄滅，此時(shí)紅外光敏元件將檢測(cè)不到人體發(fā)出的紅外線。照明燈與檢測(cè) 電路相連，檢測(cè)電路與微處理器相連，當(dāng)微處理器檢測(cè)到負(fù)載過載、過流、短路異常時(shí)，保護(hù)電路開啟對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，關(guān)閉輸出，等異常清除后恢復(fù)正常工作。

顯示裝置是指液晶屏，通過液晶屏可以清楚地知道光伏電池板的端電壓、蓄電池的端電壓和照明燈的工作狀態(tài)，同時(shí)還可以看到溫度傳感器、紅藍(lán)光照度傳感器的數(shù)據(jù)，從而對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境情況有個(gè)大致了解。

控制中心包括通信單元、微處理單元、報(bào)警單元，通信單元連接微處理單元，微處理單元連接報(bào)警單元?？刂浦行耐ㄟ^通信單元接收發(fā)送信息，傳送給微處理單元處理保存，一旦有異常情況，微處理器可以根據(jù)非正常信息的判斷發(fā)送信息給報(bào)警單元，報(bào)警單元就可以自動(dòng)報(bào)警實(shí)現(xiàn)保護(hù)財(cái)產(chǎn)的功能。