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光谱传感器控制LED照明系统,帮助垂直农业和温室作物提高产量

时间:2019-06-17 作者:艾迈斯半导体,Markus Busz 阅读:
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可以解决这些问题。

新型LED正在迅速发展,逐渐应用于家用、商业建筑及其它细分市场,如温室和垂直农场。新型LED具备更出色、更丰富的光谱特性,与早期LED和传统高压纳灯(HPS)光源相比,效率更高、成本更低。

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。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可以解决这些问题。

植物生长灯的价值

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光照可优提高叶绿素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。

在北半球,如果想要全年种番茄则需要温室。保护番茄免受冬季恶劣天气的影响,配备照明系统以弥补冬季自然光照不足,并营造最佳的光谱特性环境供其生长。优化照明解决方案,使得照明系统可以反映太阳光谱的日常变化,与植物的昼夜周期保持一致。

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。

LED发射光谱的温度特性

图1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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图1:波长和亮度与RGB-LED温度的特性(图片来源:艾迈斯半导体)。

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%。

如图2所示,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。

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图2:混合LED颜色漂移测量(图片来源:艾迈斯半导体)。

 

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。

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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图3:LED使用寿命老化过程(图片来源:艾迈斯半导体)。

图3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%。如上图,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。

光学反馈系统

园艺照明系统的正常运行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。如图4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4:闭环光学反馈系统(图片来源:艾迈斯半导体)。

图4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。

AS7265x传感器芯片组

上述闭环控制架构需要一个小型传感器设备,该设备能够以高分辨率测量灯具的多个Led发出光谱特性。

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。

AS7265x的18个通道可涵盖20nm间隔的可见光和近红外(NIR)光谱波长,波长中心点分别为410nm、435nm、460nm、485nm、510nm、535nm、560nm、585nm、610nm、645nm、680nm、705nm、730nm、760nm、810nm、860nm、900nm和940nm。AS7265x滤波器精确覆盖了最佳生长光照所需的波长范围,这种光谱分布称为McCree曲线。

AS7265x的干扰滤光片具备非常精确和可重复的特性,可在一定的时间和温度范围内保持稳定。相比高通道计数光谱分析仪,艾迈斯半导体推出了光谱传感器IC的解决方案要小得多,成本更低。

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(见图5)。

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图5:AS7265x结构图(图片来源:艾迈斯半导体)。

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图6:AS7265x滤波器特性(图片来源:艾迈斯半导体)。

全新AS7265x芯片组件,体积小、功耗低,可以帮助照明制造商开发出新型园艺照明系统。

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(图6)。传感器的光谱数据可用于监测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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图7:校准后传感器光谱值与光谱仪值(红色–光谱仪,蓝色–传感器)(图片来源:艾迈斯半导体)。

图7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:

o 自动补偿日光影响
o 自动调整昼夜节律光照
o 自动平衡LED使用寿命和温度范围内偏移


结论

LED正在逐渐取代传统HPS灯具,成为大多数园艺照明系统的光源。LED光源成本低,可提高电源效率,降低辐射热量,延长使用寿命。全新LED照明系统更智能,支持更多互连,可使用更多传感器,为温室带来更强的控制力和更高的自动化水平。光谱传感器将监测植物的光照条件和光合作用的光谱,并根据数据自动优化植物生长的光照环境。

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。传感器的创新功能,如自动光谱特性平衡和生长监测,可帮助减少种植作物工作量,节省能源成本,并有助于优化作物产量和质量。 

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