[發(fā)明專(zhuān)利]一種面向作物整株需光差異的多通道補(bǔ)光調(diào)控方法與系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810304781.1
• 申請(qǐng)日: 2018-04-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108717307B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡瑾;來(lái)海斌;張海輝;張盼;辛萍萍;張仲雄
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西北農(nóng)林科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D25/02
• 分類(lèi)號(hào): G05D25/02;A01G17/04
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 段俊濤

本發(fā)明基于作物整株需光差異，提出了多通道補(bǔ)光調(diào)控方法。本方法通過(guò)檢測(cè)植株頂葉位置環(huán)境光強(qiáng)，由葉片透光指數(shù)計(jì)算出株間葉位的環(huán)境光強(qiáng)，繼而由頂燈和株間燈的PWM反饋算法計(jì)算出補(bǔ)光燈的占空比信號(hào)，從而精確控制補(bǔ)光燈組的補(bǔ)光量。如需補(bǔ)光，將頂燈和株間燈的PWM占空比信號(hào)與相應(yīng)補(bǔ)光燈的ID號(hào)打包，在由控制模塊ZigBee協(xié)調(diào)器將指令下發(fā)給頂燈或株間燈從而精確控制補(bǔ)光燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)按需智能精確補(bǔ)光。同時(shí)累計(jì)補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，以冬季設(shè)施植物最佳補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)為閾值，來(lái)進(jìn)行補(bǔ)光燈組補(bǔ)光量的動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控。本發(fā)明還提出了相應(yīng)系統(tǒng)及所設(shè)備，可根據(jù)植物整株需光差異的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物垂直方向不同葉位的按需定量補(bǔ)光。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中植物人工補(bǔ)光技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種面向作物整株需光差異的多通道補(bǔ)光調(diào)控方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)

我國(guó)設(shè)施大棚種植面積及產(chǎn)量均居世界首位，但設(shè)施種植受溫室結(jié)構(gòu)、薄膜覆蓋、天氣狀況等影響，其太陽(yáng)輻射透過(guò)率較低，溫室光照強(qiáng)度為大田的30％-70％，因而植物補(bǔ)光技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到長(zhǎng)足發(fā)展。目前的植物補(bǔ)光技術(shù)有：冠層頂葉補(bǔ)光、植物株間補(bǔ)光，以及少量的立體補(bǔ)光系統(tǒng)。但如果考慮到植株垂直方向上的需光差異，以及像番茄和黃瓜等高大植物枝葉對(duì)光照的遮擋，則目前的技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)植物補(bǔ)光的最優(yōu)化。

冠層補(bǔ)光技術(shù)，若以頂層新生葉的光合能力為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)光，則中下部葉位得不到足夠的光照，將會(huì)限制光合作用從而影響產(chǎn)量；若為了使中下部葉位獲得足夠的光照，而增加補(bǔ)光值，則頂層新生葉因?yàn)楣庹仗珡?qiáng)而受到光脅迫，引起光合能力降低，產(chǎn)生光抑制。株間補(bǔ)光技術(shù)，只在植株間安裝補(bǔ)光燈，頂葉不補(bǔ)光會(huì)影響新生葉的生長(zhǎng)從而影響整個(gè)植株的生長(zhǎng)。目前有飛利浦等企業(yè)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用整株補(bǔ)光系統(tǒng)，但是均為固定補(bǔ)光，沒(méi)有考慮植物不同生長(zhǎng)葉位的需光差異，在整個(gè)植物生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)法調(diào)整補(bǔ)光燈的光照強(qiáng)度，造成了補(bǔ)光不足和過(guò)度并存的現(xiàn)象。目前的補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)多將檢測(cè)模塊放于補(bǔ)光燈上方，采用差值補(bǔ)光，由于環(huán)境光強(qiáng)在不斷變化，使得補(bǔ)光燈不斷亮滅，無(wú)法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光的最優(yōu)化。以上這些技術(shù)存在的不足實(shí)質(zhì)上是未考慮植株垂直方向的需光差異以及目前補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)功能的單一。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種面向作物整株需光差異的多通道補(bǔ)光調(diào)控方法與系統(tǒng)，其根據(jù)植株垂直方向的需光差異，通過(guò)多通道補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)植物不同葉位的按需定量補(bǔ)光，在滿(mǎn)足其生長(zhǎng)所需的前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，減少無(wú)效能耗。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種面向作物整株需光差異的多通道補(bǔ)光調(diào)控方法，包括如下步驟：

第一步：在補(bǔ)光區(qū)域，基于植株頂葉上方的雙目視覺(jué)系統(tǒng)，采集植株葉片圖像，然后由圖像處理方法計(jì)算出頂葉到株間葉位的葉片透光指數(shù)β；葉片透光指數(shù)β指單位面積上透過(guò)的光量與所有照射在此單位面積光量之比，即為單位面積上沒(méi)有綠色葉片所占得比例。計(jì)算公式為：葉片透光指數(shù)(β)＝1-單位面積上的綠色葉片面積(m²)/單位面積(m²)。

第二步：基于植株頂葉位置PAR光照傳感器，檢測(cè)植株頂葉位置的環(huán)境光強(qiáng)Q₁，然后由葉片透光指數(shù)β計(jì)算出株間葉位的環(huán)境光強(qiáng)Q₂，Q₂＝β*Q₁；

第三步：調(diào)用頂燈的PWM反饋算法求出頂燈PWM占空比Z₁，調(diào)用株間燈的PWM反饋算法求出株間燈PWM占空比Z₂，頂燈和株間燈組成了補(bǔ)光燈組；

第四步：分別將頂燈和株間燈的PWM占空比信號(hào)和相應(yīng)補(bǔ)光燈的ID號(hào)組成數(shù)據(jù)包，然后由ZigBee協(xié)調(diào)器以組播的形式發(fā)出，補(bǔ)光燈組接收數(shù)據(jù)并解析響應(yīng)，從而精確控制補(bǔ)光燈組的亮度，實(shí)現(xiàn)不同葉位的按需智能精確補(bǔ)光。

本發(fā)明中，植株頂葉是指植株最頂部的葉片，株間葉位的葉片是指植株最中間的葉片。