深度丨告别传统耕作,这个不“黑”科技让温室种植更高效节能

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“靠天吃饭”的传统农业注定要被时代所抛弃。随着机械化、信息化的推进,智慧农业逐渐成为现代化国家的经济市场主角。这一幕,也正在中国这个要养活14亿人口的农业大国中徐徐上演,业内预估,2020年中国智慧农业市场将达268亿美元。

提到智慧农业,大家一定对如3S(遥感技术RS、地理信息系统GIS、全球定位GPS)、物联网、大数据分析等不陌生,但今天,小艾要介绍的是ams新型光谱传感器(如AS7265x),是如何控制LED照明系统,从而帮助垂直农业和温室作物提高产量的。

 

温度特性

许多植物只在特定地区和时间生长,这与植物对温度和湿度的要求有关。另一重要因素就是光源,它会直接影响光合作用,从而影响植物生长。

例如,有些研究发现,波长680nm的光照对番茄发芽期的生长速度至关重要,但发芽后则影响不大。在生长期,650nm光照可提高叶绿素a的含量。因此,植物生长的每个阶段(发芽、生长和收获)需要不同波长的光照。

和番茄一样,其他植物也需要特定的光谱特性来促进生长和发生光合作用。光谱特性曲线包括光谱波长范围和照度。用于园艺的光谱主要波长从400nm到700nm的可见光,峰值在红色和蓝色范围中。但是,所有的植物都需要全光谱才能获得最佳生长,昼夜节律取决于每种植物的起源地光照条件。

由于同种类植物之间也存在差异,因此光照质量会对特定植物的生长和发育产生很大影响。监测光源强度、光谱和昼夜节律可以确保提供最佳光照条件。

 

更优质的新型LED

LED已成为园艺照明设备的首选光源,但是LED也存在一定局限性,需控制电路才能实现稳定的照明和最佳的植物生长环境的光谱。使用光谱传感器驱动的闭环控制的新型LED可以解决这些问题。

与早期LED和传统高压纳灯(HPS)光源相比,新型LED具备更出色、更丰富的光谱特性,效率更高、成本更低。而且,新型LED在园艺领域的应用优于传统HPS灯:功耗低、散热小、使用寿命长,这些特性为园艺市场开辟了新的契机。

新型LED可以靠近植物,可以控制光强度和光谱特性,优化植物的生长条件。这样做有两个好处:一是种植者通过垂直层叠植物来增加温室内的植物密度(称为垂直农业)。二是种植者可以优化温室光照时间和光谱,加快植物生长。

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上图表明,红色LED光谱特性受温度变化的影响远远大于蓝色LED。在5°C(41°F)至70°C(158°F)范围内,亮度降低近40%。

下图是在正常环境温度下,灯具的特性非常接近理想的黑体曲线或普朗克轨迹,但当环境温度上升到80°C时,其光谱与目标值偏差很大。这是园艺照明系统所要关心的问题。

 

LED发射光谱的温度特性

下图显示了使用红色、绿色和蓝色LED混合光源-光谱特性随温度变化而变化。水平轴表示波长,垂直轴表示亮度。

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如上所述,优化植物的生长条件,重点在于实际输出光谱曲线,而非人眼感知的光的颜色。因此,人们需要了解LED光源的在不同温度下的光谱特性,以便控制灯具的光谱特性和亮度。但是LED的使用过程一定不可避免的伴随着LED老化现象。

 

LED老化效应

LED的使用寿命通常定义为从全新到亮度下降为70%所需的时间。

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如图所示,高功率RGB LED运行前10000小时内的亮度特性变化,其特性因制造商而异。一般情况,前5000小时内的亮度损失在5%-15%。蓝色LED的亮度衰减程度大于绿色和红色LED。由于LED亮度随时间推移而下降,因而需要定期更换,维护量大,成本增加。

如何降低LED维护成本?在此先卖个关子。我们来看一下如此复杂的LED照明,背后隐藏着什么秘密控制机制呢?

 

光学反馈系统

园艺照明系统的正常运行,往往需要根据时间和温度调整输出,以维持特定的色度和亮度。

一种方法是稳定LED的电流和电压;另一种方法是测量LED温度,并将温度值反馈到LED驱动器以实现温度控制。这种间接调节,依赖LED中磷材料的老化预测模型,同时还需要对灯具生产中使用的LED进行分类处理。第三种方法是闭环调节。如下所示,该解决方案与无调节控制解决方案不同,通过实时测量光谱传感器光谱特性曲线,并直接控制LED驱动器或控制器以调节输出,保障与指定目标色度和亮度值匹配。

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图中为混合LED照度系统。该方法适用于任何LED光源,如RGB+白色、RGB白色+琥珀色以及具有四个或更多光谱LED的光源系统。

传感器可通过多种方式采集光谱。一种是在灯具中加上光导板,从多个LED收集光线,并将混合光引导到传感器。另一种是在灯具外部设计光谱传感单元,与植物齐平,传感单元即可检测光源并作出反应。在这种情况下,传感单元也可以检测到日光并对其做出反应。

看到这儿,现在可以请出我们的秘密武器了。

 

AS7265x传感器芯片组

其实,上述提到的闭环控制架构需要,必须具备一个能够以高分辨率测量灯具的多个Led发出光谱特性,否则就无法实现。

艾迈斯半导体推出的AS7265x芯片组可提供上述所需功,该芯片组由三个高度集成的六通道光谱传感器组成,每个器件尺寸仅为4.5mmx4.4mmx2.5mm,采用LGA封装,带有光孔控制进入传感器阵列的光线。该系列器件通过纳米光学沉积干扰滤光片技术将高斯滤波器集成到标准CMOS芯片中。

由于采用主从架构,主机将三个传感器IC视为独立逻辑设备,简化系统集成并缩短开发时间。AS7265x中的智能集成将原始光测量结果转换为经过校准的数字输出,并通过I2C或UART接口传送到微处理器。

AS7265-6526芯片组在出厂时已进行校准,在整个光谱频谱中提供规范化的35个数//Wcm2,简化了算法开发。高度稳定性的滤波器,可实现“终身校准”设计,降低了组件和制造成本,可适用于新的应用领域,如园艺照明(见下图)。

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全新AS7265x芯片组件,凭借体积小、功耗低的优势,可以极大帮助照明制造商开发出新型园艺照明系统。

此外,该系统能够通过灯具或直接在植物上监测植物照明系统的光谱曲线和亮度。由于加入光谱滤波器,AS7265x传感器能够监测~400nm至~700nm的PAR(光合有效辐射)等参数,这是植物进行光合作用的光频率范围。传感器的光谱数据则可用于监测LED的电光转换率、电力输入和光输出功率比。

艾迈斯半导体内部测试证实,对照明系统进行适当校准,AS7265x精度可接近于实验室级别的光谱仪~

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显示光谱仪(红色)和AS7265x传感器(蓝色)提供的测量值之间的差异。如果闭环控制方案仅测量标准曲线的漂移,则通过工厂校准可以测量相对值。

除监测光谱LED的老化效应和温度漂移,AS7265x传感器还可检测日光影响。根据日光中存在的光波的亮度,调低LED光波的亮度。这样可以节约更多能量和成本,同时保持最佳植物照明。

总体而言,18通道光谱传感器芯片组(AS7265x)实现的闭环控制方法,有助于园艺照明制造商开发有以下特点的全自动照明系统:

· 自动补偿日光影响

· 自动调整昼夜节律光照

· 自动平衡LED使用寿命和温度范围内偏移

 

使用AS7265x等光谱传感器,园艺照明系统可维持长久的高效性和稳定性,发挥传感器的创新功能,如自动光谱特性平衡和生长监测,可大大帮助减少种植作物工作量。