多层立体式植物工厂的混合补光控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种多层立体式植物工厂的混合补光控制系统，包括：作物生长周期监测识别系统、自然光光纤导入系统、LED自动调节控制系统；作物生长周期监测识别系统，利用机器视觉识别技术来识别出作物当前所处的生长期，并根据不同生长阶段作物光合作用的补偿点和饱和点来计算作物所需的光照强度；自然光光纤导入系统，用于将温室外的太阳光光纤导入至苗床上方位置，利用太阳光照来促进作物生长；LED自动调节控制系统，用于根据作物所需的光照强度与导入的自然光光照强度之差来对LED进行PWM调光。本申请采用了自然光光纤导光与可调LED相结合的补光方式，能够根据作物的生长周期在耗能最少情况下最大程度利用光照来促进作物生长。长。长。

【技术实现步骤摘要】
多层立体式植物工厂的混合补光控制系统


[0001]本专利技术涉及立体植物栽培的智能控制
，尤其涉及一种多层立体式植物工厂的混合补光控制系统。

技术介绍

[0002]由于人们日常生活对新鲜蔬菜需求的增加、土地资源的缩减，如何利用有效的耕地面积来获得更高的作物产量成为世界各国急需解决的难题。多层立体栽培式植物工厂由于面积利用率高、产量高逐渐受到各国的重视，但是多层栽培式植物工厂的下层植物需要采用补光的方式才能实现光合作用所需的光照供给。现有的立体栽培植物工厂仅依靠LED灯进行人工补光，耗能大，是植物工厂的主要运营成本，并且，该种方式不能根据不同生长周期自适应进行光照调节。另一方面，若采用单纯的光纤导光系统，是不能满足立体栽培植物光合作用的光照要求的。因此，如何节能高效进行补光是立体栽培必须考虑的关键问题之一。
[0003]专利文献CN114286480A公开了一种植物工厂的补光系统，具体包括：补光控制系统，用于调控光源光照参数系统的光质、光强和光周期变化；监控单元，用于识别植物不同的生长阶段；信息分析模块，用于识别当下植物的光照环境；控制模块，用于收集监控单元、信息分析模块传递的信息；数据库，用于比对控制模块收集的信息，判断植物的生长阶段；种植平台，用于放置植物；人工光源，用于对植物进行补光；升降机构，用于调节人工光源的位置。虽然针对根据植物生长阶段需光要求对单纯的人工补光等进行调节，但没有充分利用外部自然光，从而会导致能源消耗大；同时在生长阶段判断上采用的是数据库样本对比，占用存储资源大，不同的植物样本需要不同的图片数据库，扩展性适应性差。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出一种多层立体式植物工厂的混合补光控制系统，以解决现有技术中存在的植物工厂立体栽培的下层植物需要依靠人工LED补光所带来的能耗大、无法根据生长周期自动调整综合光照量的问题。
[0005]本专利技术具体的技术方案如下：
[0006]一种多层立体式植物工厂的混合补光控制系统，包括：作物生长周期监测识别系统、自然光光纤导入系统、LED自动调节控制系统；
[0007]作物生长周期监测识别系统，利用机器视觉识别技术来识别出作物当前所处的生长期，并根据不同生长阶段作物光合作用的补偿点和饱和点来计算作物所需的光照强度；
[0008]自然光光纤导入系统，用于将温室外的太阳光光纤导入至苗床上方位置，利用太阳光照来促进作物生长；
[0009]LED自动调节控制系统，用于根据作物所需的光照强度与导入的自然光光照强度之差来对LED进行PWM调光。
[0010]具体地，作物生长周期监测识别系统，包括：图像采集传感器、传输模块、云服务
器；图像采集传感器是作物状态的图像采集传感器，包括摄像头；传输模块采用4G传输模块；云服务器，包括作物叶片形态识别与大小估计算法模块；图像采集传感器采集作物图片后经传输模块发送至云服务器，在云服务器中执行作物叶片形态识别与大小估计算法，判断出作物的生长期，并利用作物在不同生长期所需光照强度的模型，计算出作物当前光合作用最适宜的光照强度A0，将计算出的光照强度A0通过传输模块发送给LED自动调节控制系统。
[0011]具体地，作物叶片形态识别与大小估计算法，包括：收集不同生长阶段作物图片作为数据集；基于MASK
‑
R
‑
CNN算法，对数据集进行训练；输入作物生长的现场图片，利用模型实现图片分割；获得图片各叶片的分割结果；对各叶片的边缘进行提取与增强；分别计算各叶片的长轴、短轴的长度；计算各叶片的面积；对于面积超1/4的叶片进行平均面积的计算；得出作物所处的生长期的判断结果。
[0012]具体地，自然光光纤导入系统，包括：集光器、光纤导光管、终端散光器；集光器通过光纤导光管与终端散光器连接；集光器安装于温室外，包括上下两层结构，下层为安装板，上层为均匀分布的、姿态可调的透镜阵列；光纤导光管的一端穿过安装板与各个透镜连接，光纤导光管的另一端与温室内的终端散光器连接；终端散光器设置在温室内苗床的上方位置。
[0013]具体地，40个菲涅儿透镜组成透镜阵列，透镜的焦点位于下层安装板的上表面。
[0014]具体地，集光器的安装支架可绕X轴、Y轴和Z轴自由转动以自动调节集光器的朝向，采用视日法使集光器与太阳对齐，得到最大采光量。
[0015]具体地，光纤导光管传输的光纤采用石英光纤。
[0016]具体地，终端散光器为凹面金属反光罩结构。
[0017]具体地，LED自动调节控制系统，包括：光照调节控制器、光照传感器、PWM调压模块；光照传感器将光纤导光管的光照输出强度A1转换为数字信号传送给光照调节控制器，同时，光照调节控制器接收云端服务器计算出的作物当前光合作用最适宜的光照强度A0，光照调节控制器根据A＝A0
‑
A1和所用LED的电压电流与光照强度曲线图输出对应占空比的PWM控制信号u＝f(A)给PWM调压模块，进行LED的光照补光调节。
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]1)利用了机器视觉识别技术来识别出作物的生长周期，采用了自然光光纤导光与可调LED相结合的补光方式，有效利用了自然光，并且能够根据作物的生长周期在耗能最少的情况下最大程度地利用光照来促进作物生长。
[0020]2)相比于现有技术(CN114286480A)单纯通过人工补光调节模式相比,本专利技术通过光纤导光与人工补光相结合的模式，人工补光仅需补偿作物需光量与光纤导入光量差值，从而大大降低能源消耗；在植物生长周期判断上利用人工智能图像识别技术，不需如现有技术(CN114286480A)建立大量数据库，同时本专利技术方法对不同植物类型生长周期判断具有扩展性。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为本申请中混合补光控制系统的整体结构示意图；
[0023]图2为本申请中作物叶片形态识别与大小估计算法的流程示意图。
[0024]图中：
[0025]1‑
温室；11
‑
图像采集传感器；12
‑
传输模块；13
‑
云服务器；2
‑
苗床；21
‑
集光器；211
‑
透镜阵列；22
‑
光纤导光管；23
‑
终端散光器；30
‑
LED补光灯管；31
‑
光照调节控制器；32
‑
光照传感器；33
‑
PWM调压模块。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层立体式植物工厂的混合补光控制系统，其特征在于，包括：作物生长周期监测识别系统、自然光光纤导入系统、LED自动调节控制系统；所述作物生长周期监测识别系统，利用机器视觉识别技术来识别出作物当前所处的生长期，并根据不同生长阶段作物光合作用的补偿点和饱和点来计算作物所需的光照强度；所述自然光光纤导入系统，用于将温室外的太阳光光纤导入至苗床上方位置，利用太阳光照来促进作物生长；所述LED自动调节控制系统，用于根据作物所需的光照强度与导入的自然光光照强度之差来对LED进行PWM调光。2.如权利要求1所述的混合补光控制系统，其特征在于，所述作物生长周期监测识别系统，包括：图像采集传感器、传输模块、云服务器；所述图像采集传感器是作物状态的图像采集传感器，包括摄像头；所述传输模块采用4G传输模块；所述云服务器，包括作物叶片形态识别与大小估计算法模块；所述图像采集传感器采集作物图片后经所述传输模块发送至所述云服务器，在所述云服务器中执行作物叶片形态识别与大小估计算法，判断出作物的生长期，并利用作物在不同生长期所需光照强度的模型，计算出作物当前光合作用最适宜的光照强度A0，将计算出的光照强度A0通过所述传输模块发送给所述LED自动调节控制系统。3.一种应用于权利要求2所述的混合补光控制系统的作物叶片形态识别与大小估计的方法，其特征在于，包括：收集不同生长阶段作物图片作为数据集；基于MASK
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R
‑
CNN算法，对数据集进行训练；输入作物生长的现场图片，利用模型实现图片分割；获得图片各叶片的分割结果；对各叶片的边缘进行提取与增强；分别计算各叶片的长轴、短轴的长度；计算各叶片的面积；对于面积超1/...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦明，贡亮，刘成良，刘子翔，黄飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：