本發(fā)明屬于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是涉及基于植物生長(zhǎng)規(guī)律的自適應(yīng)植物工廠光照培養(yǎng)系統(tǒng)，能夠根據(jù)植物不同生育期的需光特性來(lái)設(shè)置LED的數(shù)量，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、光質(zhì)、時(shí)長(zhǎng)和光照區(qū)域，從而大大提光能利用率。

背景技術(shù)：

基于光照培養(yǎng)的植物工廠技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，取得顯著成果。一方面，植物工廠可以緩解農(nóng)業(yè)用地緊張的局面，同時(shí)減少了化肥投入，避免了農(nóng)藥與植物激素的濫用，另一方面，依托先進(jìn)的工業(yè)設(shè)計(jì)和對(duì)植物生長(zhǎng)規(guī)律的認(rèn)知，在提高植物生產(chǎn)效率的同時(shí)，保證了農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)良品質(zhì)。光照培養(yǎng)系統(tǒng)是植物工廠栽培生產(chǎn)的主要設(shè)施，系統(tǒng)內(nèi)部集成了可調(diào)控的光源，為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供最適合的光照強(qiáng)度和光照周期，可將不可控的自然光環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽氐氖覂?nèi)光環(huán)境，通過(guò)調(diào)控與植物生長(zhǎng)規(guī)律協(xié)調(diào)搭配的光環(huán)境，達(dá)到增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)、縮短生產(chǎn)周期的目的。

但是，近年來(lái)隨著植物工廠迅速發(fā)展，一些問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)?，F(xiàn)有的植物光照培養(yǎng)系統(tǒng)在光能利用率和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上仍有許多不足，其缺點(diǎn)有以下三個(gè)方面：

第一，光能浪費(fèi)嚴(yán)重?，F(xiàn)有植物光照培養(yǎng)系統(tǒng)的光源布置單一化嚴(yán)重，僅僅通過(guò)調(diào)節(jié)LED光源的功率來(lái)增減光照強(qiáng)度，調(diào)節(jié)植物栽培對(duì)光的需求，光能管理相對(duì)粗放，浪費(fèi)嚴(yán)重。現(xiàn)有燈板大多為條狀燈管或分布均勻的光板，在燈板上布滿間距相同的LED光源，如圖1所示。就單個(gè)LED燈源而言，光源發(fā)射的光強(qiáng)與距離的平方成反比。距離每增加一倍，光強(qiáng)減為原來(lái)的四分之一。植物在秧苗時(shí)期，植株高度較低，體積較小，所需的光照強(qiáng)度較低，光照面積較小，且在植物栽培時(shí)預(yù)留的行間距較寬，給植物后期的生長(zhǎng)保留空間，此寬度往往比植物秧苗本身的寬度大很多，按照現(xiàn)有燈板的布置，將使得植物實(shí)際受光面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光源覆蓋的面積，從而造成很大的光能浪費(fèi)。

第二，現(xiàn)有植物光源布置同質(zhì)化嚴(yán)重，植物栽培的不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)光質(zhì)需求不同，而同質(zhì)化的光源布置，不能充分發(fā)揮光照的最佳效果，造成了很大的浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)成本。

第三，不能實(shí)現(xiàn)低投入的自適應(yīng)生產(chǎn)方式?，F(xiàn)有植物工廠生產(chǎn)圍繞固定光源進(jìn)行，設(shè)施復(fù)雜，投入高，人工成本高，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的自動(dòng)化，但能源利用率較低，綜合收益低。

綜上所述，植物栽培的不同生育期需要不同的光照強(qiáng)度、光質(zhì)條件、光照時(shí)長(zhǎng)以及光照面積。不同階段，植物能夠適應(yīng)和最大化利用的光照強(qiáng)度也不相同，針對(duì)植物的實(shí)際生理需求，在實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)能夠保證植物正常生長(zhǎng)，有效節(jié)約能源，同時(shí)兼顧自動(dòng)化作業(yè)方式和降低成本的光照方式是植物工廠光能利用領(lǐng)域的重要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種高光能利用率的自適應(yīng)植物工廠光照培養(yǎng)系統(tǒng)，有效地提高光能利用率，節(jié)約能源。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種高光能利用率的自適應(yīng)植物工廠光照培養(yǎng)系統(tǒng)，包括植物培養(yǎng)室和若干個(gè)設(shè)置于植物培養(yǎng)室內(nèi)的層式生長(zhǎng)架，層式生長(zhǎng)架中的每層生長(zhǎng)架沿長(zhǎng)度方向依次設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)生長(zhǎng)區(qū)，所述生長(zhǎng)區(qū)根據(jù)植物生長(zhǎng)狀態(tài)和生長(zhǎng)周期進(jìn)行劃分，每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)上方一一對(duì)應(yīng)設(shè)有不同參數(shù)指標(biāo)的LED光源組，LED光源組的參數(shù)指標(biāo)適應(yīng)植物不同的生長(zhǎng)狀態(tài)；層式生長(zhǎng)架中的每層生長(zhǎng)架上還沿長(zhǎng)度方向設(shè)有傳送帶機(jī)構(gòu)，植物經(jīng)傳送帶機(jī)構(gòu)傳送至不同的生長(zhǎng)區(qū)，所述傳送帶機(jī)構(gòu)經(jīng)控制終端控制。

進(jìn)一步的，每層生長(zhǎng)架沿長(zhǎng)度方向依次分為四個(gè)生長(zhǎng)區(qū)，分別為A生長(zhǎng)區(qū)、B生長(zhǎng)區(qū)、C生長(zhǎng)區(qū)和D生長(zhǎng)區(qū)。

進(jìn)一步的，所述B生長(zhǎng)區(qū)沿每層生長(zhǎng)架長(zhǎng)度方向劃分為N個(gè)分區(qū)，調(diào)整B生長(zhǎng)區(qū)各個(gè)分區(qū)的LED光源組的光強(qiáng)和光照周期，使B生長(zhǎng)區(qū)植物所需生長(zhǎng)時(shí)間為A生長(zhǎng)區(qū)植物所需生長(zhǎng)時(shí)間的整數(shù)倍，N=B生長(zhǎng)區(qū)植物所需生長(zhǎng)時(shí)間/A生長(zhǎng)區(qū)植物所需生長(zhǎng)時(shí)間，各個(gè)分區(qū)的LED光源組的LED燈數(shù)量一致。

進(jìn)一步的，A生長(zhǎng)區(qū)設(shè)有用于測(cè)量植物生長(zhǎng)高度的第一紅外傳感器和用于測(cè)量植物冠層寬度的第二紅外傳感器，所述第一紅外傳感器設(shè)置于對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)區(qū)的上方，所述第二紅外傳感器設(shè)置于對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)區(qū)的一側(cè)，所述第一紅外傳感器和第二紅外傳感器與所述控制終端電連。

進(jìn)一步的，LED光源組的參數(shù)指標(biāo)包括LED光源組中LED燈的數(shù)量、光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、光照角度以及LED光源組距離植物冠層間的高度，每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)的LED光源組分別設(shè)置于一燈板上，所述燈板分別經(jīng)一豎向設(shè)置的調(diào)節(jié)板上下調(diào)節(jié)；每組LED光源組中的LED燈分別經(jīng)一LED驅(qū)動(dòng)模塊與所述控制終端電連。

進(jìn)一步的，每組LED光源組包括至少一個(gè)LED燈，所述LED燈呈不同角度設(shè)置于對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)區(qū)的上方。

進(jìn)一步的，所述每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)LED燈的光照角度是根據(jù)植物每個(gè)生長(zhǎng)階段植物冠層面積不同而不同。

進(jìn)一步的，所述每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)設(shè)置不同數(shù)量的LED燈，并且LED燈到植物冠層間的高度是根據(jù)植物每個(gè)生長(zhǎng)階段所需光照強(qiáng)度和光照范圍的不同而不同。

進(jìn)一步的，LED光源組的光質(zhì)是根據(jù)植物不同生長(zhǎng)階段對(duì)光質(zhì)的需求和利用率進(jìn)行確定。

進(jìn)一步的，LED光源組的光源為紅、藍(lán)、綠配比光源，紅光波長(zhǎng)為660μm、藍(lán)光波長(zhǎng)為450μm、綠光波長(zhǎng)為525μm，根據(jù)植物不同生長(zhǎng)階段提供不同光質(zhì)配比的光源。

相對(duì)比于現(xiàn)有的植物光照培養(yǎng)系統(tǒng)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，按照植物高度和寬度進(jìn)行光源布置，在植物高度和寬度較小時(shí)近距離的設(shè)置少量的LED燈源來(lái)提供所需光照，這樣既節(jié)省了因距離增加而浪費(fèi)的光能又節(jié)省了因無(wú)效光照面積而浪費(fèi)的光能，此外LED光源生產(chǎn)成本也會(huì)降低。

第二，每層生長(zhǎng)架上的植物經(jīng)傳送帶機(jī)構(gòu)傳送至下一個(gè)生長(zhǎng)區(qū)，既可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)省人工生產(chǎn)成本，又可對(duì)每一個(gè)生長(zhǎng)階段的植物提供最佳的光照，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和品質(zhì)的提高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的LED光源組的布置示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的光照培養(yǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的第一紅外傳感器和第二紅外傳感器的安裝示意圖。

圖中：1-層式生長(zhǎng)架；11-A生長(zhǎng)區(qū)；12-B生長(zhǎng)區(qū)；13-C生長(zhǎng)區(qū)；14-D生長(zhǎng)區(qū)；2-LED光源組；3-燈板；4-第一紅外傳感器；5-第二紅外傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1-3所示，本實(shí)施例提供一種高光能利用率的自適應(yīng)植物工廠光照培養(yǎng)系統(tǒng)，包括植物培養(yǎng)室和若干個(gè)設(shè)置于植物培養(yǎng)室內(nèi)的層式生長(zhǎng)架1，層式生長(zhǎng)架1中的每層生長(zhǎng)架沿長(zhǎng)度方向依次設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)生長(zhǎng)區(qū)，所述生長(zhǎng)區(qū)根據(jù)植物生長(zhǎng)狀態(tài)和生長(zhǎng)周期進(jìn)行劃分，每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)上方一一對(duì)應(yīng)設(shè)有不同參數(shù)指標(biāo)的LED光源組2，LED光源組2的參數(shù)指標(biāo)適應(yīng)植物不同的生長(zhǎng)狀態(tài)；層式生長(zhǎng)架1中的每層生長(zhǎng)架上還沿長(zhǎng)度方向設(shè)有傳送帶機(jī)構(gòu)，植物經(jīng)傳送帶機(jī)構(gòu)傳送至不同的生長(zhǎng)區(qū)，所述傳送帶機(jī)構(gòu)經(jīng)控制終端控制。

從上述可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明以滿足植物培養(yǎng)需要的光照強(qiáng)度、光照范圍、光照時(shí)間和光質(zhì)匹配為基礎(chǔ)，以提高光能利用率為核心，通過(guò)LED光源組2的布置，適應(yīng)植物不同生長(zhǎng)區(qū)對(duì)最佳光環(huán)境的需求。每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)設(shè)置不同數(shù)量的LED光源，且光源的光強(qiáng)、光質(zhì)、光照時(shí)間、光照角度以及光源到植物冠層間的高度都可以不同，以提高光能的利用效率；植物經(jīng)傳送帶機(jī)構(gòu)傳送至不同的生長(zhǎng)區(qū)，節(jié)省人工生產(chǎn)成本。

在本實(shí)施例中，每層生長(zhǎng)架沿長(zhǎng)度方向依次分為四個(gè)生長(zhǎng)區(qū)，分別為A生長(zhǎng)區(qū)11、B生長(zhǎng)區(qū)12、C生長(zhǎng)區(qū)13和D生長(zhǎng)區(qū)14。

在本實(shí)施例中，所述B生長(zhǎng)區(qū)12沿每層生長(zhǎng)架長(zhǎng)度方向劃分為N個(gè)分區(qū)，調(diào)整B生長(zhǎng)區(qū)12各個(gè)分區(qū)的LED光源組2的光強(qiáng)和光照周期，使B生長(zhǎng)區(qū)12植物所需生長(zhǎng)時(shí)間為A生長(zhǎng)區(qū)11植物所需生長(zhǎng)時(shí)間的整數(shù)倍，N=B生長(zhǎng)區(qū)12植物所需生長(zhǎng)時(shí)間/A生長(zhǎng)區(qū)11植物所需生長(zhǎng)時(shí)間，各個(gè)分區(qū)的LED光源組2的LED燈數(shù)量一致?？紤]到植物在生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)遇到以下情況：植物在A生長(zhǎng)區(qū)11生長(zhǎng)所需時(shí)間較短，在B生長(zhǎng)區(qū)12所需生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)A生長(zhǎng)區(qū)11植物達(dá)到生長(zhǎng)指標(biāo)向B區(qū)傳送時(shí)，B生長(zhǎng)區(qū)12的植物未達(dá)到生長(zhǎng)指標(biāo)不宜向C區(qū)傳送。為調(diào)節(jié)兩者之間的生長(zhǎng)時(shí)間差異，將B生長(zhǎng)區(qū)12沿每層生長(zhǎng)架長(zhǎng)度方向劃分為N個(gè)分區(qū)，調(diào)整B生長(zhǎng)區(qū)12各個(gè)分區(qū)的LED光源組2的光強(qiáng)和光照周期，使B生長(zhǎng)區(qū)12植物所需生長(zhǎng)時(shí)間為A生長(zhǎng)區(qū)11植物所需生長(zhǎng)時(shí)間的整數(shù)倍，N=B生長(zhǎng)區(qū)12植物所需生長(zhǎng)時(shí)間/A生長(zhǎng)區(qū)11植物所需生長(zhǎng)時(shí)間，B生長(zhǎng)區(qū)12的N個(gè)分區(qū)的光源數(shù)量和布置方式相同，強(qiáng)度及高度可調(diào)。這樣布置光源既可以滿足植物在B生長(zhǎng)區(qū)12生長(zhǎng)的時(shí)長(zhǎng)又不會(huì)間斷植物的傳送，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。圖2中N為3，B1、B2和B3分別為B生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的分區(qū)。

在本實(shí)施例中，A生長(zhǎng)區(qū)11設(shè)有用于測(cè)量植物生長(zhǎng)高度的第一紅外傳感器4和用于測(cè)量植物冠層寬度的第二紅外傳感器5，所述第一紅外傳感器4設(shè)置于對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)區(qū)的上方，所述第二紅外傳感器5設(shè)置于對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)區(qū)的一側(cè)，所述第一紅外傳感器4和第二紅外傳感器5與所述控制終端電連。通過(guò)第一紅外傳感器4和第二紅外傳感器5獲取不同生長(zhǎng)區(qū)的植物高度和寬度的變化，進(jìn)而控制傳送帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行植物的傳送。由于在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)配備好植物在各個(gè)生長(zhǎng)區(qū)的生長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)A生長(zhǎng)區(qū)11中的植物達(dá)到生長(zhǎng)要求向B生長(zhǎng)區(qū)12傳送時(shí)，B生長(zhǎng)區(qū)12中的植物也正好達(dá)到生長(zhǎng)要求向C生長(zhǎng)區(qū)13傳送，同時(shí)，C生長(zhǎng)區(qū)13中的植物也正好達(dá)到生長(zhǎng)要求向D生長(zhǎng)區(qū)14傳送，等等，以便形成一個(gè)完整的傳送鏈，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。

在本實(shí)施例中，LED光源組2的參數(shù)指標(biāo)包括LED光源組2中LED燈的數(shù)量、光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、光照角度以及LED光源組2距離植物冠層間的高度，每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)的LED光源組2中的LED燈分別設(shè)置于一燈板3上，所述燈板3分別經(jīng)一豎向設(shè)置的調(diào)節(jié)板上下調(diào)節(jié)；每組LED光源組2中的LED燈分別經(jīng)一LED驅(qū)動(dòng)模塊與所述控制終端電連。所述調(diào)節(jié)板上沿豎向間隔設(shè)有一個(gè)以上的螺栓孔，燈板3經(jīng)螺栓鎖緊于對(duì)應(yīng)高度的螺栓孔內(nèi)。

在本實(shí)施例中，每組LED光源組2包括至少一個(gè)LED燈，所述LED燈呈不同角度設(shè)置于對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)區(qū)的上方。

在本實(shí)施例中，所述每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)LED燈的光照角度是根據(jù)植物每個(gè)生長(zhǎng)階段植物冠層面積不同而不同。

在本實(shí)施例中，所述每個(gè)生長(zhǎng)區(qū)設(shè)置不同數(shù)量的LED燈，并且LED燈到植物冠層間的高度是根據(jù)植物每個(gè)生長(zhǎng)階段所需光照強(qiáng)度和光照范圍的不同而不同。

在本實(shí)施例中，LED光源組2的光質(zhì)是根據(jù)植物不同生長(zhǎng)階段對(duì)光質(zhì)的需求和利用率進(jìn)行確定。

在本實(shí)施例中，LED光源組2的光源為紅、藍(lán)、綠配比光源，紅光波長(zhǎng)為660μm、藍(lán)光波長(zhǎng)為450μm、綠光波長(zhǎng)為525μm，根據(jù)植物不同生長(zhǎng)階段提供不同光質(zhì)配比的光源。

本實(shí)施例的具體實(shí)施過(guò)程：

在A生長(zhǎng)區(qū)11，每株植物的正上方對(duì)應(yīng)一個(gè)LED燈，燈板3到植株的距離為L(zhǎng)1, LED燈的照射范圍與植物展葉的范圍一致，光強(qiáng)為Q1；在B生長(zhǎng)區(qū)12，每株植物的正上方對(duì)應(yīng)一個(gè)LED燈，燈板3到植株的距離為L(zhǎng)2, LED燈的照射范圍與植物展葉的范圍一致，光強(qiáng)為Q2；在C生長(zhǎng)區(qū)13，每珠植物的正上方對(duì)應(yīng)呈三角形的三個(gè)LED燈，燈板3到植株的距離為L(zhǎng)3, LED燈的照射范圍與植物展葉的范圍一致，光強(qiáng)為Q3；在D生長(zhǎng)區(qū)14，每珠植物的正上方均勻間隔設(shè)有一個(gè)以上的LED燈，燈板3到植株的距離為L(zhǎng)4, LED燈的照射范圍均勻地分布在植物葉面上，光強(qiáng)為Q4。

植株較小時(shí)，可采用聚光式近距離低照度的模式，以提高光能的利用率。隨著植物高度的增加，展葉范圍和體積都增大，要使整棵植株都能被均勻的燈光照射到，燈板3應(yīng)逐漸遠(yuǎn)離植物，由于單個(gè)LED光源照射到植株上的光強(qiáng)是與其距離的平方成反比的，所以在增大距離的同時(shí)必須增加光強(qiáng)以保證植物正常生長(zhǎng)的需要。植株較小時(shí)所需的光照較弱，較大植株需要的光強(qiáng)較強(qiáng)，所以這四個(gè)區(qū)的光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，由于近距離強(qiáng)光照射容易對(duì)植物造成光傷害，故隨著植物植株生長(zhǎng)，應(yīng)增加燈板3到植株的距離。燈板3與植物間的距離和光照強(qiáng)度滿足以下關(guān)系：L1< L2< L3< L4；Q1< Q2< Q3< Q4。隨著植株的生長(zhǎng)，所用光源的光質(zhì)和照射時(shí)間也會(huì)做相應(yīng)的變化，以便為植株提供最佳的光照效果。

當(dāng)植物生長(zhǎng)到一定階段，植物隨經(jīng)傳送帶機(jī)構(gòu)輸送到下一生長(zhǎng)區(qū)。在每層生長(zhǎng)架的底端設(shè)有傳送帶機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)植物的傳送。通過(guò)第一紅外傳感器4和第一紅外傳感器4獲取A生長(zhǎng)區(qū)11的植物高度和寬度的變化，以便獲得最佳傳送的時(shí)間，進(jìn)而控制傳送帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行植物的傳送。當(dāng)A生長(zhǎng)區(qū)11的植株高度和寬度生長(zhǎng)到預(yù)先規(guī)定的值時(shí)，由于在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)配備好植物在各個(gè)生長(zhǎng)區(qū)的生長(zhǎng)時(shí)間，其它生長(zhǎng)區(qū)的植物也將滿足傳送的條件，因此，這時(shí)A生長(zhǎng)區(qū)11的植物向B生長(zhǎng)區(qū)12傳送，B生長(zhǎng)區(qū)12向C生長(zhǎng)區(qū)13傳送，C生長(zhǎng)區(qū)13向D生長(zhǎng)區(qū)14傳送，D生長(zhǎng)區(qū)14的植物經(jīng)采摘、收獲后，植入新的秧苗并重新放入A生長(zhǎng)區(qū)11。四個(gè)生長(zhǎng)區(qū)所對(duì)應(yīng)的LED光源的數(shù)量、光強(qiáng)、光質(zhì)、光照時(shí)長(zhǎng)和聚光類(lèi)型都可以根據(jù)植物生長(zhǎng)需求的不同而不同，并且光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)長(zhǎng)還可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以便為植物各個(gè)生長(zhǎng)階段提供最佳且最節(jié)能的光照模式。

上列較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。