METHOD OF FORMING AN OPTIMUM LIGHT ENVIRONMENT FOR PLANTS GROWN IN CLOSED GROUND AND A SYSTEM OF LED LIGHTING, WHICH REALIZES THIS METHOD (VERSIONS)
Способ формирования оптимальной световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений и система светодиодного освещения, реализующая этот способ (варианты)

Изобретение относится к растениеводству закрытого грунта, а именно к системам освещения теплиц и может быть использовано в тепличных хозяйствах для выращивания различной растительной продукции: зелени, овощей, цветов и т.п.
Известна светодиодная система освещения растений (RU 107020 U1; МПК: A01G 9/00; 10.08.2011) на основе красных, синих, зеленых, ультрафиолетовых светодиодов и блока управления с отдельными выходами регулирования уровня излучения светодиодов каждого спектра отдельно в зависимости от этапа развития и вида растения, содержащая также светодиоды белого спектра. В другом варианте светодиодная система освещения растений, включающая светодиоды и блок управления уровнем освещенности и выдержки в зависимости от этапа развития и вида растений, содержит светодиоды белого спектра и дополнительные ультрафиолетовые светодиоды, в котором мощность излучения ультрафиолетовых светодиодов составляет 5…15% от белых, при чем белые и ультрафиолетовые светодиоды работают или одновременно или поочередно, с разными промежутками времени. В другом варианте светодиодная система освещения растений, включающая светодиоды и блок управления уровнем освещенности и выдержки в зависимости от этапа развития и вида растений, в качестве источника света содержит светодиоды белого спектра.
Известно устройство светодиодного облучателя для растений защищенного грунта (RU 2454066 С2; МПК: A01G 9/20; 27.06.2012), в котором светодиодный фитооблучатель содержит платы со световыми элементами, состоящими из групп светодиодов с различными спектрами излучения, вентилятор и систему управления с коммутатором групп светодиодов, датчиком освещенности и датчиком-спектрометром. Платы со световыми элементами имеют форму полуцилиндров и изготовлены из гибкого материала. Ряды светодиодов находятся с наружной стороны плат, монтажные провода располагаются с внутренней стороны. Платы размещены в прозрачном цилиндрическом плафоне, для их охлаждения применяется вентилятор, который находится в верхней части плафона и направляет воздушный поток вдоль плат. Фитооблучатель подвешивается с помощью троса, длина которого регулируется электроприводом. Система управления фитооблучателем реализована на основе промышленного компьютера.
Принцип действия фитооблучателя заключается в следующем. В промышленный компьютер поступает информация от датчика освещенности и датчика-спектрометра, а компьютер на основе полученных данных в соответствии с рабочей программой формирует управляющее воздействие, поступающее на коммутатор групп светодиодов.
Известна выбранная в качестве прототипа система светодиодного освещения теплиц (RU 2680590 С1; МПК: A01G 9/20; 22.02.2019), состоящая из светодиодного фитооблучателя и блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения, отличающаяся тем, что фитооблучатель выполнен из двух групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы светодиодов, а блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения выполнен из компьютера, платформы сбора данных и управления, аналого-цифрового преобразователя, цифро-аналогового преобразователя, датчика освещенности и датчика спектра, при этом выход датчика освещенности соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход датчика спектра соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу платформы сбора данных и управления, соединенной первым выходом с входом компьютера, выход которого подключен ко второму входу платформы сбора данных и управления, соединенной вторым выходом с цифро-аналоговым преобразователем, первый выход которого соединен с входом первого управляемого драйвера, подключенного выходом к входу первой группы светодиодов, второй выход цифро-аналогового преобразователя соединен с входом второго управляемого драйвера, соединенного выходом со второй группой светодиодов, причем светодиодный фитооблучатель выполнен из двух групп светодиодов, одна из которых выполнена из красных, синих и ультрафиолетовых светодиодов, другая - из красных светодиодов, при этом каждая группа светодиодов фитооблучателя подключена соответственно к отдельному регулируемому драйверу, которые реализованы на базе управляемого источника тока.
Спектр излучения фитооблучателя формируется из соображений обеспечения оптимального протекания процессов фотосинтеза, синтеза хлорофилла и фотоморфогенеза, что позволяет повысить урожайность и качество продукции, сократить срок ее получения. Блок управления может быть реализован как на базе промышленного компьютера, так и на базе персонального компьютера. Для оценки соотношения интенсивности излучения в красной и синей областях спектра может быть применен как спектрометр, так и система двух фотодатчиков со светофильтрами, при этом фитооблучатель располагается горизонтально относительно поверхности грунта. Разделение светодиодов на две группы и применение управляемых драйверов для питаниягрупп светодиодов обеспечивает плавное регулирование спектрального состава и интенсивности излучения фитооблучателя в пределах от 0 до 100%, что позволяет повысить энергоэффективность и надежность системы освещения, а также формировать оптимальную световую среду для растений с учетом их видовых особенностей, фазы онтогенеза и создавать условия естественного освещения.
Данной системе светодиодного освещения теплиц, как и перечисленным выше, присущи следующие недостатки.
1. Спектр излучения фитооблучателя формируется на основе энергетического спектра поглощения пигментов хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм. Однако, на процессы роста также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фикобилипротеинов, такие как фукоксантин, бета-каротин, фикоэритрин, фикоцианин, аллофикоцианин. Энергетические спектры поглощения данных пигментов отличаются от спектра поглощения хлорофилла, что говорит о необходимости введения в спектр излучения фитооблучателя соответствующих спектральных составляющих.
2. Система позволяет регулировать интенсивность излучения фитооблучателя в зависимости от стадии онтогенеза растений и условий внешнего освещения в узком спектральном диапазоне. При этом за основу берется обобщенный спектр с пиками в дипазоне 400-500 нм и 650-700 нм, что неверно, поскольку спектры поглощения оптического излучения разными видами растений существенно различаются. Кроме того, спектры поглощения растений могут изменяться в зависимости от времени суток, месяца и времени года, что говорит о необходимости периодической корректировки спектра излучения фитооблучателя даже в привязке в одному виду выращиваемый в теплице растений.
3. Фитооблучатель содержит две группы светодиодов, в одной из которых присутствуют красные, синие и ультрафиолетовые светодиоды, а в другой - только красные светодиоды, что ограничивает возможность раздельного регулирования ультрафиолетовой и синей составляющих излучения, при том, что наличие такой возможности требуется на определенных стадиях онтогенеза растений.
4. Управление уровнем выходного тока драйверов и, соответственно, интенсивностью излучения фитооблучателя осуществляется по аналоговому интерфесу путем воздействия управляющего сигнала от промышленного контроллера, преобразованного в цифро-аналоговом преобразователе. Подобный интерфейс управления обладает большой погрешностью при удаленном расположении фитооблучателя отсистемы управления вследствие низкой помехозащищенности и высоких потерь уровня сигнала в соединительных проводниках.
5. В системе светодиодного освещения для получения информации об уровне освещенности в теплице применяется датчик освещенности, при том, что данный параметр, применительно к системе освещения теплиц, является неинформативным, поскольку для количественной оценки светового воздействия на растения используется фотосинтетически активная радиация, которая определяется на основе информации, полученной от датчика спектра и параметров облучателя, а, следовательно, использование датчика освещенности избыточно и приводит лишь к конструктивному усложнению системы.
Технический результат заключается в обеспечении формирования оптимальной световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений с учетом их видовых особенностей, фазы онтогенеза, условий естественного освещения, времени суток и времени года, что, в свою очередь, способствует росту урожайности и качества продукции, сокращению сроков выращивания растений, а также повышению энергоэффективности системы освещения.
Технический результат достигается тем, что способ формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений, характеризуется тем, что предварительно определяют спектры поглощения оптического излучения растениями на различных стадиях их онтогенеза, в различное время суток, разные месяцы и времена года, определяют спектры излучения светодиодных фитооблучателей, соответствующие вышеуказанным спектрам поглощения растениями, и вводят эти данные в блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения фитооблучателей, после чего излучение воспроизводится фитооблучателями в виде суммы N монохромных излучений светодиодов, где N соответствует количеству монохромных составляющих, на которые раскладывается суммарный спектр поглощения оптического излучения растениями, при этом амплитуда монохромных составляющих регулируется с помощью блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения фитооблучателей, путем изменения протекающего через светодиоды тока таким образом, чтобы суммарный спектр излучения фитооблучателей соответствовал спектру поглощения оптического излучения растениями, при этом осуществляют автоматическое регулирование интенсивности и спектрального состава излучения фитооблучателей в соответствии со стадией онтогенеза выращиваемых растений, в зависимости от условий внешнего освещения, с учетом времени суток, месяца и времени года.
Указанный способ реализуется с помощью системы формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений, которая включает, по меньшей мере один, мультиспектральный фитооблучатель, содержащий несколько групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы светодиодов, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения фитооблучателей, выполненный на основе компьютера с платформой сбора данных и управления и датчика спектра, и драйверы управления интенсивностью излучения светодиодов фитооблучателей. Система характеризуется тем, что каждый фитооблучатель состоит из N-го количества групп последовательно соединенных светодиодов, где N соответствует количеству монохромных составляющих, на которые раскладывается суммарный спектр поглощения оптического излучения растениями, при этом выход датчика спектра соединен с первым входом платформы сбора данных и управления, первый выход которой подключен ко входу компьютера, соединенного выходом со вторым входом платформы сбора данных и управления, второй выход которой подключен ко входам реализованных на базе управляемых источников тока N-го количества драйверов управления интенсивностью излучения, соединенных выходами со входами фитооблучателей таким образом, что выход первого драйвера подключен к первым входам фитооблучателей, соединенных с первыми группами светодиодов, выход второго драйвера подключен ко вторым входам фитооблучателей, соединенных со вторыми группами светодиодов, выход третьего драйвера подключен к третьим входам фитооблучателей, соединенных с третьими группами светодиодов и выход N-го драйвера подключен к N-ым входам фитооблучателей, соединенных с N-ыми группами светодиодов.
В другом варианте реализации такая система светодиодного освещения, включает, по меньшей мере один, мультиспектральный фитооблучатель, содержащий несколько групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы светодиодов, блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения фитооблучателей, выполненный на основе компьютера с платформой сбора данных и управления и датчика спектра, и характеризуется тем, что каждый фитооблучатель состоит из N-го количества групп последовательно соединенных светодиодов и N-го количества реализованных на базе управляемых источников тока драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов, где N соответствует количеству монохромных составляющих, на которые раскладывается суммарный спектр поглощения оптического излучения растениями, при этом выход датчика спектра соединен с первым входом платформы сбора данных и управления, первый выход которой подключен ко входу компьютера, соединенного выходом со вторым входом платформы сбора данных и управления, второй выходкоторой подключен ко входам N-го количества драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов в каждом фитооблучателе, выходы которых соединены со входами соответствующих групп светодиодов.
В обоих вариантах реализации системы освещения управление током драйверов и, соответственно, интенсивностью излучения фитооблучателей осуществляется по цифровому интерфейсу (например, последовательному) путем подачи управляющего сигнала на драйверы от платформы сбора данных и управления.
Краткое описание рисунков.
На фиг. 1 представлены спектры поглощения оптического излучения основными пигментами растений.
На фиг. 2 представлен спектр поглощения оптического излучения растениями.
На фиг. 3 демонстрируется наложение спектров монохроматического излучения светодиодов с амплитудами интенсивности излучения, соответствующими различным значениям длины волны, на спектр поглощения растения.
На фиг. 4 демонстрируется сопоставление спектра излучения светодиодного мультиспектрального фитооблучателя (штриховая линия) и спектра поглощения растения (сплошная линия).
На фиг. 5 представлена блок-схема первого варианта исполнения системы светодиодного освещения на основе мультиспектральных фитооблучателей, где:
1 - блок управления интенсивностью и спектральным составом облучения, состоящий из компьютера 2, платформы сбора данных и управления 3 и датчика спектра 4;
1
N
1
М
5.-5. - драйверы управления интенсивностью излучения каждой группы светодиодов мультиспектральных фитооблучателей 6.-6. (где N - количество драйверов управления и монохромных составляющих спектра излучения фитооблучателя, а М - количество фитооблучателей).
На фиг. 6 представлена блок-схема второго варианта исполнения системы светодиодного освещения на основе мультиспектральных фитооблучателей, где:
1 - блок управления интенсивностью и спектральным составом облучения, состоящий из компьютера 2, платформы сбора данных и управления 3 и датчика спектра 4;
1
N
1
N
6 - мультиспектральный фитооблучатель, включающий от 7. до 7. групп светодиодов и соответствующие им драйверы 5.-5. управления интенсивностью излучения каждой группы светодиодов.
1
N
На фиг. 7 представлена последовательная схема включения светодиодов 8 в каждой от 7. до 7. группе светодиодов мультиспектрального фитооблучателя.
Формирование оптимальной световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений определяется спектром поглощения оптического излучения растениями, который зависит от спектров поглощения оптического излучения основными пигментами растений (фиг. 1). Заявленный способ заключается в том, что предварительно с помощью известных методов спектроскопии, например, с помощью метода абсорбционной спектроскопии на сканирующем двулучевом спектрофотометре с двойным монохроматором, определяют спектр поглощения оптического излучения листьями растения (фиг. 2). Это позволяет получить информацию об оптимальном спектре излучения светодиодных фитооблучателей, максимально близко соответствующего полученному в процессе исследования спектру поглощения растений. Далее полученный оптимальный спектр излучения фитооблучателя воспроизводится с помощью светодиодов в виде суммы их монохромных излучений с пиками, соответствующими различным значениям длины волны, и регулируемыми величинами амплитуды интенсивности излучения (фиг. 3). Величины амплитуд монохромных составляющих подбираются путем регулирования значения тока, протекающего через светодиоды, таким образом, чтобы суммарный спектр излучения светодиодов максимально близко соответствовал оптимальному спектру излучения фитооблучателя (фиг. 4). В процессе эксплуатации системы в зависимости от условий внешнего освещения с целью поддержания спектрального состава оптического излучения осуществляется автоматическое регулирование спектра излучения мультиспектральных фитооблучателей, соответствующего оптимальному спектру, полученному при исследовании спектра поглощения растений с помощью спектрометра.
Воспроизведение оптимального спектра излучения мультиспектрального фитооблучателя осуществляют путем суммирования монохромных излучений с соответствующей амплитудой интенсивности излучения, при этом применяют светодиоды с доступными в настоящее время значениями длинами волн излучения.
Амплитудные значения интенсивности излучения светодиодов, формирующих различные монохромные спектральные составляющие, определяются с помощью компьютера, путем суммирования всех монохромных составляющих и сопоставления суммарного спектра с оптимальным, полученным в процессе исследования растений с помощью известных методов (например, метода абсорбционной спектроскопии на сканирующем двулучевом спектрофотометре с двойным монохроматором).
Исследование спектра поглощения растения проводят с учетом стадии онтогенеза растения, времени суток, месяца и времени года, поскольку данные факторы способны оказать влияние на результат исследования. Результаты исследования сохраняют в базу данных. В процессе формирования оптимальной световой среды для растений выбирают оптимальный спектр излучения фитооблучателей из имеющейся базы с учетом стадии онтогенеза растения, времени суток, месяца и времени года.
Для реализации данного способа разработаны два варианта системы светодиодного освещения на основе мультиспектральных фитооблучателей.
1
М
1
N
1
М
1
N
1
М
1
1
М
2
1
М
1
М
1
М
Первый вариант реализации системы светодиодного освещения овощеводств закрытого грунта представлен на фиг. 5. Система освещения состоит из мультиспектральных фитооблучателей 6.-6. (где М - это количество фитооблучателей в системе освещения), блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения 1 и драйверов управления интенсивностью излучения каждой группы светодиодов 5.-5. (где N - это количество драйверов управления и монохромных составляющих). Каждый фитооблучатель 6.-6. состоит из определенного числа групп светодиодов, соответствующего количеству монохромных составляющих, на которые раскладывается суммарный спектр поглощения растениями закрытого грунта. Блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 1 выполнен на основе компьютера 2, платформы сбора данных и управления 3 и датчика спектра 4. При этом выход датчика спектра 4 соединен с первым входом платформы сбора данных и управления 3, первый выход которой подключен ко входу компьютера 2, соединенного выходом со вторым входом платформы сбора данных и управления 3, второй выход которой подключен ко входам драйверов управления интенсивностью излучения 5.-5.. Драйверы управления реализованы на базе управляемого источника тока и соединены выходами со входами фитооблучателей 6.-6., таким образом, что выход первого драйвера 5. подключен к первым входам фитооблучателей 6.-6., соединенных с первыми группами светодиодов, выход второго драйвера 5. подключен ко вторым входам фитооблучателей 6.-6., соединенных со вторыми группами светодиодов, выход третьего драйвера 5.3 подключен к третьим входам фитооблучателей 6.-6., соединенных с третьими группами светодиодов, и выход N-ого драйвера 5.N подключен к N-ым входам фитооблучатлей 6.-6., соединенных с N-ми группами светодиодов.
1
N
1
М
1
N
Процесс взаимодействия платформы сбора данных и управления 3, компьютера 2 и датчика спектра 4 организован путем передачи цифрового сигнала по последовательному или параллельному интерфейсу. Взаимодействие платформы сбора данных и управления3 и драйверов управления интенсивностью излучения 5.-5. осуществляется по цифровой шине данных, реализованной на основе последовательного интерфейса, например DALI. Регулирование интенсивности излучения фитооблучателей 6.-6. реализовано путем передачи к ним по аналоговой шине токового сигнала от драйверов управления 5.-5..
1
М
1
N
Процесс регулирования интенсивности и спектрального состава излучения фитооблучателей 6.-6. в зависимости от условий внешней освещенности заключается в следующем. Датчик спектра 4 передает информацию о спектральном составе оптического излучения в помещении (теплице) на платформу сбора данных и управления 3, откуда она поступает на компьютер 2. В компьютере 2 происходит сопоставление данного спектра, полученного с помощью датчика 4, и оптимального спектра, полученного при исследовании спектра поглощения растения, соответствующего стадии онтогенеза, времени суток, месяцу и времени года. В случае наличия расхождения в измеренном датчиком и оптимальном спектрах излучения компьютер 2 вырабатывает управляющее воздействие, которое через платформу сбора данных и управления 3 поступает по цифровой шине данных к драйверам управления 5.-5.. Управляющее воздействие направлено на корректировку величин амплитуды монохромных составляющих, формируемых определенными группами светодиодов, изменение которых позволяет добиться спектра излучения фитооблучателя максимально близкого к оптимальному.
При этом формирование оптимальной режима освещения выращиваемых растений способствует также сокращению непроизводительных затрат электроэнергии.
1
N
1
N
1
N
1
N
Второй вариант реализации системы светодиодного освещения овощеводств закрытого грунта представлен на фиг. 6, и состоит из, по меньшей мере одного, мультиспектральнодного фитооблучателя 6 и блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения 1. Фитооблучатель состоит из N-го количества групп светодиодов 7.-7. и драйверов управления интенсивностью излучения 5.-5., соответствующего количеству монохромных составляющих, на которые раскладывается суммарный спектр поглощения выращиваемых растений, а блок управления интенсивностью и спектральным составом излучения 1 выполнен на основе компьютера 2, платформы сбора данных и управления 3 и датчика спектра 4, при этом выход датчика спектра 4 соединен с первым входом платформы сбора данных и управления 3, первый выход которой подключен ко входу компьютера 2, соединенного выходом со вторым входом платформы сбора данных и управления 3, второй выход которой подключен ко входам реализованых на базе управляемого источника тока драйверов управления интенсивностью излучения 5.-5., соединенных выходами со входами соответствующихгрупп светодиодов 7.-7..
1
N
1
N
Электрическая схема включения светодиодных групп 7.-7. в фитооблучателе для обоих вариантов реализации системы представлена на фиг. 7. Светодиоды 8 одной группы имеют одинаковое значение длины волны излучения и соединены последовательно. Вход каждой светодиодной группы соединен через аналоговую шину данных с выходом соответствующего драйвера управления (5.-5.). Выходы светодиодных групп соединены в общую точку.
Отличительной особенностью первого варианта реализации системы светодиодного освещения является то, что драйверы управления интенсивностью излучения выносятся за пределы фитооблучателя, что позволяет уменьшить общее количество драйверов в системе, однако приводит к повышению их номинальной мощности. Отличительной особенностью второго варианта реализации системы светодиодного освещения является то, что драйверы управления интенсивностью излучения входят в состав фитооблучателей, что позволяет снизить номинальную мощность отдельного драйвера, однако приводит к увеличению общего количества драйверов в системе. При этом в зависимости от конкретных условий эксплуатации системы освещения заявленное изобретение позволяет выбрать оптимальный вариант ее реализации, в том числе и по энергоэффективности.
Оптимальный спектр излучения фитооблучателя может воспроизводится с помощью светодиодов разными способами. Первый способ заключается в том, что оптимальный спектр излучения представляется в виде суммы монохромных излучений с пиками, соответствующими различным значениям длины волны. Каждое монохромное излучение формируется с помощью специальных светодиодов, максимум амплитуды интенсивности излучения которых приходится на соответствующую длину волны. Диапазоны длин волн, в каждом из которых должно присутствовать хотя бы одно монохромное излучение светодиодов, выбираются из стандартного ряда: ультрафиолет В (315-380 нм); ультрафиолет А (380-430 нм); синий свет (430-450 нм); зеленый свет (500-550 нм); оранжевый свет (550-610 нм); красный (610-720 нм); дальний красный (720-1000 нм). Количество монохромных составляющих, формируемых светодиодами, в каждом диапазоне длин волн определяется формой оптимального спектра фитооблучателя.
Второй способ формирования оптимального спектра излучения фитооблучателя заключается в том, что в нем выделяется несколько основных диапазонов, в которых присутствуют монохромные излучения: ультрафиолет В (315-380 нм); синий свет (430-450 нм), красный (610-720 нм) и дальний красный (720-1000 нм). Количество монохромных излучений с максимумами амплитуды интенсивности, соответствующимиразличным значениям длин волн, в пределах заданного основного диапазона определяется формой спектра фитооблучателя. В остальных участках оптимального спектра, соответствующих следующим второстепенным диапазонам: ультрафиолет А (380-430 нм); зеленый свет (500-550 нм); оранжевый свет (550-610 нм); оптическое излучение формируется с помощью полноспектральных белых светодиодов, обладающих широким спектральным составом. Регулирование интенсивности излучения белых светодиодов позволяет равномерно изменять спектр излучения фитооблучателя во всех второстепенных диапазонах.
Применение компьютера для управления процессом освещения позволяет сделать систему освещения более многофункциональной, универсальной, ориентированной на пользователя и оптимальной по энергоэффективности. Использование компьютера обеспечивает процесс взаимодействия с пользователем и позволяет пользователю задавать необходимый алгоритм управления системой освещения для формирования оптимальной световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений с учетом их видовых особенностей, фазы онтогенеза, условий естественного освещения, времени суток и времени года что, в свою очередь, способствует росту урожайности и качества продукции, сокращению сроков выращивания растений, а также повышению энергоэффективности системы освещения.
Немаловажно, что компьютер может быть существенно удален от объекта управления, при этом платформа сбора данных и управления обеспечивает организацию удаленной связи в соответствии с одной из применяемых в настоящее время технологий передачи данных (Ethernet, Wi-Fi и т.д.) и взаимодействие компьютера и реальных физических объектов: драйверов, фитооблучателей и датчика спектра.
Таким образом существенные признаки изобретения в полной мере обеспечивают достижение заявленного технического результата.