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实时监控温室LED光照

实时监控温室LED光照

本文关键词: 农业/食品光度色度
摘要

光学传感如何帮助管理颜色和功率输出

随着世界人口增长对地球自然资源造成的压力,人们越来越迫切需要进一步推动人类​​在过去几十年取得的粮食生产技术。 事实上,根据预测,到2050年全球人口将从73亿增长到96亿,我们需要多产出70%的粮食来养活它们。

控制作物的质量和产量将是增加粮食产量的关键因素。 在温室和垂直农场(温室工厂)种植作物将使我们能够更好地控制种植粮食的过程,在垂直农场的环境下,将粮食生产更靠近消费者(垂直农场可以整合到仓库等现有结构中) 。 在温室环境下,LED照明是普遍的选择,可为作物提供光谱能量,用于光合作用和其他生长过程。

 

传统的温室照明选择

通常,温室种植者使用太阳光来种植植物。 然而,太阳是不可预测的,在北半球最常使用温室的国家,冬季的日照时间变得越来越短。

但种植者喜欢全年种植植物和农作物。 所以,种植者已经使用了(人工)长光延长这一天,或者为自然阳光增强光线。只要他们认为有助于植物生长的话。

传统上,温室种植者使用高压钠灯(HPS) - 最初设想用于路灯照明 - 用于他们的工作。  HPS灯产生了来自商业温室所熟悉的橙色发光。

HPS灯确实有一些缺点。 它们耗电量大,产生大量热量。 有时种植者可以利用热量来增加温室内的温度,但如果热量太大,温室操作员会通过打开“窗户”排出热量。这会降低温室温度,同时也会影响二氧化碳(CO2) 水平。 因此,在温室中保持最佳生长条件变得非常困难。

 

温室中的LED

在过去的二十年中,LED发展为一种成熟的技术,为种植者提供了HPS灯的替代选择。 最初,LED的生产商专注于降低功率和减少热量,而HPS照明的支持者认为总光功率(在这种情况下,表示为光合有效辐射或PAR)是更有效的指标。 最近,他们将注意力转移到色谱对作物的影响。

Greenhouse-LEDs

图1.可以调整LED生长灯以优化工厂生命周期中的颜色输出。

最终,温室中LED照明的最大好处是作物的动态照明。 关于为工厂提供的理想光谱,已经进行了大量研究 - 并且仍在进行中; 事实证明,理想的光谱在整个植物生长周期中都会发生变化。 因此,典型的LED生长灯由多个彩色LED组成:至少红色和蓝色,但也存在其他奇特的组合,添加白色LED,绿色,琥珀色,甚至远红外或红外波长。 由于大多数LED的输出功率可以控制(从完全关闭到最大功率的某个百分比),因此可以优化这些灯具提供的光谱(图1)。

使用各种彩色LED的全部功能和功率控制,种植者可以增加提供给农作物的日光跨度,还可以控制到达植物“每种颜色”(波长)的发射总功率。 例如,可以在植物生长期间根据预设的优化配色方案添加红色或蓝色光学能量(能量)。

这提供了对植物生长行为的一定量的控制。 添加蓝光会促进营养生长; 加入红光会诱导开花。 注意,这种光学配色方案对于每种类型的植物将是不同的,并且将取决于其他因素,包括温度和CO2水平。 控制温室中的所有参数将是提高效率和增加可预测产量的关键。

 

监测温室运行中的HPS输出

阳光既不可预测又充满活力。 太阳的能量不仅随着时间,云层和天气条件而变化,其光谱中的平衡也是如此(红/蓝比)。 精确测量阳光将有助于监控到达工厂的光谱,同时还将为LED控制系统提供反馈,动态调整光功率和颜色,以匹配特定工厂在其成长周期中的特定时刻下的最佳配色方案。

对于使用HPS的温室,使用的传感器在白天以μmols/ m2 / s监测光合有效辐射(PAR)。 这些传感器测量的总光学能量为400-700 nm。  PAR数据可用于确定何时打开HPS灯,但数据也可用于计算工厂接收的总能量,称为每日光积分(DLI)。

尽管这些PAR传感器可用于在白天优化温室PAR光水平,但它们不能用于控制颜色方案,也不能用于超过400-700 nm范围。 这很重要,因为超出此范围的光会影响某些类型植物的生长。

作为传统PAR传感器的替代方案,可安装微型光谱仪来监测全光谱,通常为350-1000 nm(紫外到近红外)。 这将为用户提供全光谱信息。 这是了解和研究植物最佳配色方案的宝贵信息。

 

监控温室运行中的LED输出

WaveGo手持式光测量系统是在温室中不同位置进行快速测量的便捷选择(图2)。  WaveGo连接到智能手机并将数据存储在云端; 结果(PAR和PAR箱)可以从手机中读出并通过电子邮件发送报告。 类似的光谱仪设置可以部署在温室中,甚至可以集成到LED灯具中以进行连续监测。

Figure-2-WaveGoReleaseHort

图2. WaveGo手持式光测量设备非常适合测量温室LED的总光谱并确定每个波长下的光能量值

在图3-5中,我们使用高分辨率光谱仪来测量红色和蓝色LED的输出,阳光以及LED输出和阳光的组合。 温室运营商使用光谱测量来实时调整照明方案,从而优化效率。

Figure-3-red-blue-greenhouse-LEDs

图3.使用高分辨率光谱仪测量具有蓝色和红色LED输出控制的温室灯具的光谱。

Figure-4-sunlight-with-LED

图4.使用高分辨率光谱仪测量阳光(图表的阴影区域)。

Figure-5-sunlight

图5.阳光与红色和蓝色LED输出相结合,以增加蓝色和红色光谱的能量。

在某些温室环境中,甚至需要系统控制和颜色信息,也可能不需要光谱仪提供的高分辨率。 在这些应用中,可以监控阳光的传感器,以及区分温室中使用的各种LED颜色就够了,并且通常是实现颜色控制的性价比最高的方式。

像我们的PAR PixelSensor这样的多光谱传感器是一个不需要全光谱分析的选择,只关注与植物生长相关的光谱区域。 方法如下:光谱PAR传感器有8个传感器 - 波长选择光电二极管,采用紧凑的阵列格式 - 每个光电二极管可以监测400-800 nm光谱(不同)的不同部分。 每个波长宽50纳米(图6)。

Figure-6-PAR-Sensor-Output

图6.配置用于PAR测量的PixelSensor可以监控400-800 nm的多达8个波长区间(光谱带)。

该传感器体积小巧,可以集成到LED灯具中,也可以作为独立传感器放置在植物附近(图7),以持续监测PAR能量。

PixelSensor

图7. PixelSensor具有9 x 9 mm占位面积的8波段传感器阵列,可以无缝集成到其他传感设备中。

在没有自然光的情况下,例如在封闭的生长室中,对所有环境参数的精确控制将需要知道工厂的光谱能级。 仓的设计,以及植物的大小和形状,将是使用光谱PAR测量系统的重要因素。

为了在生长周期中使用其最佳配色方案控制植物的生长并克服来自阳光的自然波动,可以采用光谱监测以在管理植物照明方面产生良好效果(图8)。 测量技术使用简单并且易于集成,但是又足够复杂以在同一温室中基于每个植物创建不同的配色方案。

Figure-8-sunlight-with-LEDs-power-output

图8.通过对自然光和LED的精确监测,种植者可以调节红色和蓝色LED的照明,以提高功率输出并优化植物生长周期。

对于种植者和照明供应商而言,动态监测光的光学传感工具将是智能温室的关键要素。 传感器可以集成到照明设备中,安装在农作物之间并无线连接,以实现温室照明和数据管理的实时控制。

 

光纤光谱仪