一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統的製作方法

2023-10-11 07:47:24 3

本實用新型屬於農業設備技術領域，具體涉及一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統。

背景技術：

隨著計算機軟硬體技術、圖像處理技術的飛速發展，多光譜成像技術在對地面近距離的植物信息採集有了很大發展，可利用光譜成像技術簡便、快速、客觀地監測作物的長勢並對作物進行估產。

從二十世紀以來，國內開始研究利用植物光譜和光譜成像技術來應用在我國農業上。專利《一種高光譜的植物葉片病蟲害診斷系統》(申請號：201310373679.4，申請日：2013.8.23，公開號：104422660，公開日：2015.3.18)利用植物光譜和光譜成像技術，可以有針對性的對植物生長狀況進行準確監控，減少人工成本，擴大經濟效益，但是步驟繁瑣，需要時間較長。

LED應用於植物工廠的人工光源具有很多優勢：LED可提供不同波長的單色光，可根據不同的作物提供相應的光譜組合，進行光質的補充控制。專利《一種適用於植物工廠的LED燈控制系統》(申請號：201320618596.2，申請日：2013.8.9，公開號：203446086，公開日：2014.2.19)中人工光源在植物工廠中的電能消耗所佔比例很大，目前植物工廠的植物質優價高，暫時無法取代傳統溫室大棚蔬菜在市場上的主流地位開發和應用高效安全環保的新型光源勢在必行，應開發出能耗更低、效率更高、光源波長與植物生長的需求更加匹配的解決方案。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統，解決了現有植物工廠植物光能利用率低、成本高的問題。

本實用新型所採用的技術方案是，一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統，包括控制器，控制器上分別連接有照度計、LED陣列模塊、線陣CCD、監控主機、電機，照度計、電機均與衍射光柵連接，衍射光柵的光路上依次設置有第一凸透鏡和第二凸透鏡。

本實用新型的特點還在於：

控制器通過LED驅動電路與LED陣列模塊連接。

控制器上還連接有溫度傳感器，溫度傳感器靠近LED陣列模塊安裝。

控制器上還連接有顯示屏。

控制器上還連接有風扇，風扇靠近LED陣列模塊安裝。

第一凸透鏡採用單凸透鏡或者雙凸透鏡。

第二凸透鏡採用單凸透鏡或者雙凸透鏡。

第一凸透鏡的直徑小於第二凸透鏡的直徑。

本實用新型的有益效果是：本實用新型一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統，使用Arduino單片機，驅動電機採集所需特定波段的光譜數據並進行數據處理，通過對比數據信息，進行特定波段的補光和補光時間的調控，提高了植物工廠中植物光能的利用率，然後將處理後的數據和圖片通過無線傳輸至監控主機，方便人員可以隨時隨地對植物工廠中的植物進行光質精確監控以及對植物生長狀態和植物估產起到很大幫助；本實用新型一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統，結構簡單，操作方便，成本低。

附圖說明

圖1是本實用新型實時光譜成像及光質智能控制系統的結構示意圖。

圖中，1.控制器，2.照度計，3.LED陣列模塊，4.線陣CCD，5.監控主機，6.電機，7.衍射光柵，8.第一凸透鏡，9.第二凸透鏡，10.LED驅動電路，11.溫度傳感器，12.顯示屏，13.風扇。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

本實用新型一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統，如圖1所示，包括控制器1，控制器1上分別連接有照度計2、LED陣列模塊3、線陣CCD4、監控主機5、電機6、溫度傳感器11、顯示屏12、風扇13，控制器1通過LED驅動電路10與LED陣列模塊3連接，溫度傳感器11靠近LED陣列模塊3安裝，風扇13也靠近LED陣列模塊3安裝，照度計2、電機6均與衍射光柵7連接，衍射光柵7的光路上依次設置有第一凸透鏡8和第二凸透鏡9，第一凸透鏡8和第二凸透鏡9均可採用單凸透鏡或者雙凸透鏡，第一凸透鏡8的直徑小於第二凸透鏡9的直徑。

本實用新型中控制器1採用Arduino單片機，驅動電機6控制衍射光柵7的衍射角。Arduino單片機，使其成本低廉，處理速度快，低功耗。

LED陣列模塊3中採用300-1000nm全波段的超高亮LED燈。

線陣CCD4採用MPS-CCD(Microprocessor System-Charge Coupled Device，微處理器-電荷耦合器件，即圖像採集一體線陣CCD)。

監控主機5可以採用PC機也可以採用移動終端如手機。

溫度傳感器11採用的型號為DS18B20。

第一凸透鏡8和第二凸透鏡9採用直徑分別為20mm、12mm，厚度分別為8.4mm、5.6mm的近半球形透鏡，使用的衍射光柵7規格為13.7×12.7×1mm。

根據植物工廠具體種植作物，通過監控主機5選擇光譜資料庫中對應植物最優光照配比數據，根據最優配比數據，由監控主機5發起驅動控制器1的命令。控制器1接受命令，按照最優光照配比數據，驅動電機6控制衍射光柵7旋轉。

第二凸透鏡9和第一凸透鏡8採集溫室光源，光路再通過旋轉的衍射光柵7進行分光，並將分光後特定波段光分別由照度計2進行光照強度的採集。將採集後的光強數據傳輸至控制器1，然後再傳送至監控主機5，並與監控主機5儲存的光譜資料庫對比，若有差值反饋，則利用光學照度設計軟體Trace Pro設計出滿足最佳光照配比的LED仿真陣列，將仿真信息傳送給控制器1，控制器1控制LED驅動電路10驅動LED陣列模塊3進行補光操作。

此時靠近LED陣列模塊3安裝的溫度傳感器11採集LED陣列模塊3的溫度數據，並將溫度數據經控制器1傳輸至監控主機5，對比溫度預設值，若超出預設值則由監控主機5發出命令，控制器1驅動靠近LED陣列模塊3安裝的風扇13，對LED陣列模塊3進行散熱處理。

用線陣CCD4採集植物工廠中植物圖像信息，並將圖像數據信息傳輸至控制器1，控制器1再將圖像數據信息傳送至監控主機5，利用Matlab將圖片中多波段的光譜圖像分離成單一波長的圖像信息，並成像於監控主機5，供工作人員觀測，同時也可以在顯示屏12上顯示(顯示屏12安裝在植物工廠內，工作人員隨時可以看到數據信息，而無需專程跑到監控室查看)。

本實用新型一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統，可以遠程在線對植物進行光譜成像，以及針對特定植物對不同光照和光周期需求，在線對照分析和配對植物的最佳吸收光譜和光照強度，智能控制植物工廠的光質，促使植物工廠中的植物能夠高效地生長。

本實用新型一種用於植物工廠的實時光譜成像及光質智能控制系統，可以隨時隨地獲取植物工廠中蔬菜生長狀況和調節的信息，在對比植物吸收光譜資料庫中的數據後，進行精確高效地補光操作，在種植生產中，可以提高了植物產出質量，擴大產量，驅動經濟效益，同時解放勞動力，推動智能化「植物工廠」建設。