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      實時監控溫室LED光照

      實時監控溫室LED光照

      本文關鍵詞: 農業/食品光度色度
      摘要

      光學傳感如何幫助管理顏色和功率輸出

      隨著世界人口增長對地球自然資源造成的壓力,人們越來越迫切需要進一步推動人類??在過去幾十年取得的糧食生產技術。 事實上,根據預測,到2050年全球人口將從73億增長到96億,我們需要多產出70%的糧食來養活它們。

      控制作物的質量和產量將是增加糧食產量的關鍵因素。 在溫室和垂直農場(溫室工廠)種植作物將使我們能夠更好地控制種植糧食的過程,在垂直農場的環境下,將糧食生產更靠近消費者(垂直農場可以整合到倉庫等現有結構中) 。 在溫室環境下,LED照明是普遍的選擇,可為作物提供光譜能量,用于光合作用和其他生長過程。

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      傳統的溫室照明選擇

      通常,溫室種植者使用太陽光來種植植物。 然而,太陽是不可預測的,在北半球最常使用溫室的國家,冬季的日照時間變得越來越短。

      但種植者喜歡全年種植植物和農作物。 所以,種植者已經使用了(人工)長光延長這一天,或者為自然陽光增強光線。只要他們認為有助于植物生長的話。

      傳統上,溫室種植者使用高壓鈉燈(HPS) - 最初設想用于路燈照明 - 用于他們的工作。? HPS燈產生了來自商業溫室所熟悉的橙色發光。

      HPS燈確實有一些缺點。 它們耗電量大,產生大量熱量。 有時種植者可以利用熱量來增加溫室內的溫度,但如果熱量太大,溫室操作員會通過打開“窗戶”排出熱量。這會降低溫室溫度,同時也會影響二氧化碳(CO2) 水平。 因此,在溫室中保持最佳生長條件變得非常困難。

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      溫室中的LED

      在過去的二十年中,LED發展為一種成熟的技術,為種植者提供了HPS燈的替代選擇。 最初,LED的生產商專注于降低功率和減少熱量,而HPS照明的支持者認為總光功率(在這種情況下,表示為光合有效輻射或PAR)是更有效的指標。 最近,他們將注意力轉移到色譜對作物的影響。

      Greenhouse-LEDs

      圖1.可以調整LED生長燈以優化工廠生命周期中的顏色輸出。

      最終,溫室中LED照明的最大好處是作物的動態照明。 關于為工廠提供的理想光譜,已經進行了大量研究 - 并且仍在進行中; 事實證明,理想的光譜在整個植物生長周期中都會發生變化。 因此,典型的LED生長燈由多個彩色LED組成:至少紅色和藍色,但也存在其他奇特的組合,添加白色LED,綠色,琥珀色,甚至遠紅外或紅外波長。 由于大多數LED的輸出功率可以控制(從完全關閉到最大功率的某個百分比),因此可以優化這些燈具提供的光譜(圖1)。

      使用各種彩色LED的全部功能和功率控制,種植者可以增加提供給農作物的日光跨度,還可以控制到達植物“每種顏色”(波長)的發射總功率。 例如,可以在植物生長期間根據預設的優化配色方案添加紅色或藍色光學能量(能量)。

      這提供了對植物生長行為的一定量的控制。 添加藍光會促進營養生長; 加入紅光會誘導開花。 注意,這種光學配色方案對于每種類型的植物將是不同的,并且將取決于其他因素,包括溫度和CO2水平。 控制溫室中的所有參數將是提高效率和增加可預測產量的關鍵。

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      監測溫室運行中的HPS輸出

      陽光既不可預測又充滿活力。 太陽的能量不僅隨著時間,云層和天氣條件而變化,其光譜中的平衡也是如此(紅/藍比)。 精確測量陽光將有助于監控到達工廠的光譜,同時還將為LED控制系統提供反饋,動態調整光功率和顏色,以匹配特定工廠在其成長周期中的特定時刻下的最佳配色方案。

      對于使用HPS的溫室,使用的傳感器在白天以μmols/ m2 / s監測光合有效輻射(PAR)。 這些傳感器測量的總光學能量為400-700 nm。? PAR數據可用于確定何時打開HPS燈,但數據也可用于計算工廠接收的總能量,稱為每日光積分(DLI)。

      盡管這些PAR傳感器可用于在白天優化溫室PAR光水平,但它們不能用于控制顏色方案,也不能用于超過400-700 nm范圍。 這很重要,因為超出此范圍的光會影響某些類型植物的生長。

      作為傳統PAR傳感器的替代方案,可安裝微型光譜儀來監測全光譜,通常為350-1000 nm(紫外到近紅外)。 這將為用戶提供全光譜信息。 這是了解和研究植物最佳配色方案的寶貴信息。

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      監控溫室運行中的LED輸出

      WaveGo手持式光測量系統是在溫室中不同位置進行快速測量的便捷選擇(圖2)。? WaveGo連接到智能手機并將數據存儲在云端; 結果(PAR和PAR箱)可以從手機中讀出并通過電子郵件發送報告。 類似的光譜儀設置可以部署在溫室中,甚至可以集成到LED燈具中以進行連續監測。

      Figure-2-WaveGoReleaseHort

      圖2. WaveGo手持式光測量設備非常適合測量溫室LED的總光譜并確定每個波長下的光能量值

      在圖3-5中,我們使用高分辨率光譜儀來測量紅色和藍色LED的輸出,陽光以及LED輸出和陽光的組合。 溫室運營商使用光譜測量來實時調整照明方案,從而優化效率。

      Figure-3-red-blue-greenhouse-LEDs

      圖3.使用高分辨率光譜儀測量具有藍色和紅色LED輸出控制的溫室燈具的光譜。

      Figure-4-sunlight-with-LED

      圖4.使用高分辨率光譜儀測量陽光(圖表的陰影區域)。

      Figure-5-sunlight

      圖5.陽光與紅色和藍色LED輸出相結合,以增加藍色和紅色光譜的能量。

      在某些溫室環境中,甚至需要系統控制和顏色信息,也可能不需要光譜儀提供的高分辨率。 在這些應用中,可以監控陽光的傳感器,以及區分溫室中使用的各種LED顏色就夠了,并且通常是實現顏色控制的性價比最高的方式。

      像我們的PAR PixelSensor這樣的多光譜傳感器是一個不需要全光譜分析的選擇,只關注與植物生長相關的光譜區域。 方法如下:光譜PAR傳感器有8個傳感器 - 波長選擇光電二極管,采用緊湊的陣列格式 - 每個光電二極管可以監測400-800 nm光譜(不同)的不同部分。 每個波長寬50納米(圖6)。

      Figure-6-PAR-Sensor-Output

      圖6.配置用于PAR測量的PixelSensor可以監控400-800 nm的多達8個波長區間(光譜帶)。

      該傳感器體積小巧,可以集成到LED燈具中,也可以作為獨立傳感器放置在植物附近(圖7),以持續監測PAR能量。

      PixelSensor

      圖7. PixelSensor具有9 x 9 mm占位面積的8波段傳感器陣列,可以無縫集成到其他傳感設備中。

      在沒有自然光的情況下,例如在封閉的生長室中,對所有環境參數的精確控制將需要知道工廠的光譜能級。 倉的設計,以及植物的大小和形狀,將是使用光譜PAR測量系統的重要因素。

      為了在生長周期中使用其更好的配色方案控制植物的生長并克服來自陽光的自然波動,可以采用光譜監測以在管理植物照明方面產生良好效果(圖8)。 測量技術使用簡單并且易于集成,但是又足夠復雜以在同一溫室中基于每個植物創建不同的配色方案。

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

      圖8.通過對自然光和LED的精確監測,種植者可以調節紅色和藍色LED的照明,以提高功率輸出并優化植物生長周期。

      對于種植者和照明供應商而言,動態監測光的光學傳感工具將是智能溫室的關鍵要素。 傳感器可以集成到照明設備中,安裝在農作物之間并無線連接,以實現溫室照明和數據管理的實時控制。

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