Мультиспектральный фитооблучатель Российский патент 2024 года по МПК A01G9/20 A01G9/26 A01G7/04 

Изобретение относится к растениеводству закрытого типа, а именно к системам освещения теплиц, фитотронов или гроубоксов, и может быть использовано для выращивания растительной продукции: зелени, овощей, цветов и т.п.

Известен светодиодный фитооблучатель [1 - Патент РФ №2680590, МПК: A01G 9/20 Система светодиодного освещения теплиц], содержащий две группы светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой группы светодиодов и два управляемых драйвера.

Недостатки известного светодиодного фитооблучателя [1] состоят в его ограниченных фукциональных возможностях. Во-первых, известный фитооблучатель обладает недостаточной точностью по формированию оптимального излучения для освещения растений. Это определяется тем, что спектр излучения в фитооблучателе [1] формируется на основе спектра поглощения пигментов хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм. Однако на процессы роста растений также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фикобилипротеинов, такие как фукоксантин, бета-каротин, фикоэритрин, фикоцианин, аллофикоцианин. Спектры поглощения данных пигментов отличаются от спектра поглощения хлорофилла, что вызывает необходимость внесения в спектр излучения фитооблучателя соответствующих спектральных составляющих, что является невозможным в известном фитооблучателе.

Во-вторых, светодиодный фитооблучатель [1] содержит две группы светодиодов, в одной из которых присутствуют красные, синие и ультрафиолетовые светодиоды, а в другой - только красные светодиоды, чтоограничивает возможность раздельного регулирования ультрафиолетовой и синей составляющих излучения, при том, что наличие такой возможности требуется на определенных стадиях онтогенеза растений. В фитооблучателе [1] также не содержатся светодиоды других частей спектра, в частности зеленой и дальней красной частей спектра. Все это также ограничивает функциональные возможности указанной системы по формированию оптимального излучения.

В третьих, известный светодиодный фитооблучатель [1] не способен работать в автономном режиме, без использования внешнего блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения, который включает в себя компьютер. Это ограничивает область применения известного светодиодного фитооблучателя, поскольку делает его неприменимым для использования в теплицах, где требуется излучать разными фитооблучателями свет различого спектрального состава или разной интенсивности. Вместе с тем, это требование является неизбежным тогда, когда в одной теплице выращиваются растения разных сортов, либо тогда, когда в силу архитектурных и инженерно-инфраструктурных решений в разных частях теплицы наблюдается различный уровень естественной солнечной освещенности. Кроме того, работоспособность известного светодиодного фитооблучателя [1] только в совокупности с дорогостоящим внешним компьютером делает его непригодным для массового использования в домашних фитотронах и гроубоксах.

Известен также мультиспектральный фитооблучатель [2 - Патент РФ №2719773, МПК: A01G 9/20 Способ формирования оптимальной световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений и система светодиодного освещения, реализующая этот способ (варианты)], содержащий М групп светодиодов и М реализованных на базе управляемых источников тока драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов.

Недостатки мультиспектрального фитооблучателя [2] состоят в следующем.

Во-первых, мультиспектральный фитооблучатель [2] обладает низкой надежностью, поскольку он содержит N групп светодиодов, где N точно соответствует количеству монохромных составляющих оптимального спектра. Очевидно, что такое построение обуславливает низкую надежность мультиспектрального фитооблучателя в смысле парирования возможных отказов групп светодиодов, поскольку при таком построении за каждую монохромную составляющую в спектре отвечает одна группа соответствующих светодиодов, без какого-либо ее дублирования. Таким образом, выход из строя одной группы светодиодов (например, красного цвета) приводит к пропаданию соответствующей монохромной составляющей в спектре мультиспектрального фитооблучателя (например, красной). Несмотря на возможное наличие естественного солнечного света, это может являться недопустимым, если в данную фазу онтогенеза растению требуется намеренное усиление в спектре именно этой монохромной составляющей (например, красной).

Во-вторых, мультиспектральный фитооблучатель [2] характеризуется низкой точностью поддержания оптимального спектра в течение длительного времени. Это связано с тем, что в мультиспектральном фитооблучателе [2] отсутствуют средства измерения тока, реально потребляемого группой светодиодов, который определяет их яркость свечения.

В третьих, известный мультиспектральный фитооблучатель [2] не способен работать в автономном режиме, без использования внешней платформы сбора данных и управления, который включает в себя компьютер. Это ограничивает область применения известного светодиодного фитооблучателя, поскольку делает его неприменимым для использования в теплицах, где требуется излучать разными фитооблучателями свет различого спектрального состава или разной интенсивности. Вместе с тем, это требование является неизбежным тогда, когда в одной теплицевыращиваются растения разных сортов, либо тогда, когда в силу архитектурных и инженерно-инфраструктурных решений в разных частях теплицы наблюдается различный уровень естественной солнечной освещенности. Кроме того, работоспособность известного светодиодного фитооблучателя [2] только в совокупности с дорогостоящим внешним компьютером делает его непригодным для массового использования в домашних фитотронах и гроубоксах.

Из известных технических решений, принятый за прототип, наиболее близким по технической сущности к заявляемому мультиспектральному фитооблучателю, является мультиспектральный фитооблучатель [3 - Патент РФ №2804620, МПК: A01G 9/26 Система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений], содержащий М групп светодиодов, М реализованных на базе управляемых источников тока драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов, М измерителей тока, К контроллеров порта, центральный контроллер и блок памяти, первые выходы К контроллеров порта соединены с соответствующими входами центрального контроллера, вход которого соединен с выходом блока памяти, вход которого соединен с выходом центрального контроллера, первые выходы которого соединены со входами соответствующих драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов, выходы которых соединены со входами соответствующих измерителей тока, первые выходы которых соединены со входами соответствующих групп светодиодов, вторые выходы измерителей тока соединены с входами центрального контроллера, первые выходы всех К контроллеров порта и первые К входов центрального контроллера выполняются двунаправленными, второй вход каждого из К контроллеров порта выполняется двунаправленным и является К-м входом-выходом устройства.

В отличие от аналогов [1, 2], известный мультиспектральный фитооблучатель [3] обладает высокой точностью воспроизведенияоптимального спектра, поскольку содержит измерители тока, позволяющие оценивать параметры реально излучаемого света и корректировать его при необходимости, а также поскольку он содержит количество групп светодиодов М большее, чем количество излучаемых монохромных составляющих N в суммарном спектре, что позволяет минимизировать случаи полного исчезновения любой из монохромных составляющих в суммарном спектре в случае отказа одной из групп светодиодов. Кроме того, в отличие от аналогов [1, 2], известный мультиспектральный фитооблучатель [3] благодаря встроенному центральному контроллеру и блоку памяти, способен работать автономно, не требуя для своей работы внешнего компьютера. Это позволяет использовать его в теплицах, где требуется излучать разными фитооблучателями свет различного спектрального состава или разной интенсивности. Такое требование является неизбежным тогда, когда в одной теплице выращиваются растения разных сортов, либо тогда, когда в силу архитектурных и инженерно-инфраструктурных решений в разных частях теплицы наблюдается различный уровень естественной солнечной освещенности. Кроме того, работоспособность известного светодиодного фитооблучателя [3] без дорогостоящего внешнего компьютера делает его пригодным для массового использования в домашних фитотронах и гроубоксах.

Однако известному светодиодному фитооблучателю [3] присущи недостатки, которые состоят в его ограниченных функциональных возможностях и низкой надежности.

Ограниченные функциональные возможности светодиодного фитооблучателя [3] связаны с тем, что отсутствие в светодиодном фитооблучателе [3] блоков, которые позволяют оценивать текущее время (в масштабах как долей минут, так и в масштабах дней и недель), предопределяют способность светодиодного фитооблучателя воспроизводить только статический, то есть неизменный во времени спектр, параметры которого хранятся в его блоке памяти.

Вместе с тем, из литературы и многочисленных экспериментальных работ известны положительные эффекты, которые могут достигаться при применении изменяемого во времени освещения, которое в соответствии с классификацией, приведенной в монографии «Оптические электротехнологии переменного облучения растений в культивационных сооружениях» подразделяется на импульсное, комбинированное, прерывистое, переменное и разноспектральное [4 - Степанчук Г.В., Ключка Е.П., Пономарева Н.Е. Оптические электротехнологии переменного облучения растений в культивационных сооружениях: монография. -Зерноград: ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия», 2013. - 208 с].

Известны положительные результаты, которые достигаются при использовании в фитосветильниках импульсного или комбинированного излучения (в терминах классификации монографии [4]), то есть излучения с изменениями в спектре в масштабах секундных интервалов. В частности, такие результаты получены при выращивании земляники садовой сорта «Корона» и сорта «Брайтон» [5 - Батурин А.И. Повышение эффективности облучения меристемных растений земляники садовой импульсными LED-фитоустановками, дисс.к.т.н., Ижевск, ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный аграрный университет», 2003, 118 с]. В работе [5] обосновано применение в фитосветильниках комбинированного излучения следующего вида: после фазы 15-секундного непрерывного излучения следует 30-секундная фаза импульсного излучения импульсами длительностью 1 секунда и периодом следования 2 секунды. При этом для земляники садовой сорта «Корона» получено увеличение площади листьев на 22% больше, чем при непрерывном режиме облучения при одновременной экономии электроэнергии почти в два раза. Эффективность комбинированного режима излучения с этими же параметрами (после фазы 15-секундного непрерывного излучения следует 30-секундная фаза импульсного излучения импульсами длительностью 1 секунда и периодомследования 2 секунды) была также подтверждена в работе [6 - Козырева Е.А. Повышение эффективности облучательных установок для меристемных растений картофеля, Ижевск, ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», 2009, 168 с]. В работе [7 - Фокин А.А. Обоснование применения светодиодных светильников для электродосвечивания овощей в защищенном грунте, дисс.к.т.н., Мичуринск, ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», 2013, 132 с] описаны исследования импульсного излучения при выращивании культуры зеленого лука. Были получены положительные результаты, доказывающие более высокую эффективность импульсного освещения по сравнению с непрерывным. Были установлены оптимальные параметры импульсного режима: частота следования импульсов 1148 Гц при коэффициенте заполнения 33,2%. Как отмечается во многих исследованиях, указанные положительные эффекты применения импульсного излучения по сравнению с непрерывным, основаны на использовании механизмов световой и темновой фаз фотосинтеза у растений [8 - Коновалова И. О. Определение оптимальных параметров светодиодного освещения листовых овощных культур применительно к витаминной космической оранжерее, дисс.к.б.н., Москва, 2016, ФГБУН ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем РАН», 132 с], [9 - Кондратьева Н.П., Краснолуцкая М.Г., Лещев А.С., Больший Р.Г. Обоснование применения комбинированного режима облучения растений, учитывающего особенности процесса фотосинтеза//Агротехника и энергосбережение, 2016, №3, стр. 5 - 16], [10 -Шахов А.А. Светоимпульсная стимуляция растений, М.: Наука, 1971, 375 с].

Помимо описанных выше положительных эффектов, основанных на изменениях в излучении фитооблучателя в масштабах секундных интервалов, имеется обширная теоретическая база, которая говорит о целесообразности изменения спектра излучения фитооблучателя в масштабах часов, то есть, о применении прерывистого, переменного и разноспектрального облучения (в терминах по классификации работы [4]). Так, известна публикация «Поиск правильного освещения в теплицах» [11 -https//gavrishop/articles/poisk-pravilnogo-rezhima-osveshcheniya-v-teplicah], в которой описаны результаты многолетних исследований по освещению помидоров, огурцов, перца и микрозелени в теплицах научно-исследовательского центра сельского хозяйства в Харроу, Канада. В публикации [11] приведены многочисленные положительные эффекты, полученные при применении динамического разноспектрального света, то есть излучения с изменяемым по часам спектром. Так, растения перца при их освещении с чередованием белым светом в течение 16 часов и затем дальним красным светом в течение 8 часов были на 54-63% выше, нежели при их освещении белым светом в течение 24 часов. К изменениям спектра фитооблучателя в масштабе часов следует отнести также получающие распространение вариативные алгоритмы естественного изменения освещения, то есть переход от ночного освещения к дневному и наоборот. Мультиспектральный фитооблучатель [3], принятый за прототип, в принципе не способен реализовывать плавные переходы от ночного освещения к дневному и наоборот. Он может работать только в дискретном режиме «включен-выключен», поскольку в нем отсутствуют средства, отсчитывающие текущее время и плавно изменяющие в соответствии с этим излучаемый спектр. При этом для получения максимальной эффективности светокультуры необходимо плавное изменение освещенности по алгоритму: ночь, восход, день, закат и т.д. [12 - Тышкевич Е.В., Шабин С.А., Виноградова Н.Л. Теплица с удвоенным ритмом суточного освещения растительных культур/kozmin.ru/departs/19], то есть реализация в масштабах суток переменного облучения (по терминологии монографии [4]).

Помимо описанных выше положительных эффектов, основанных на варьировании спектра излучения фитооблучателя в масштабах часовых интервалов, имеется обширная теоретическая база, которая говорит о целесообразности изменения спектра излучения фитооблучателя в масштабах дней и даже недель. Так, например, в работе [13 - Каримов И.И. Повышениеэффективности облучения растений с использованием светодиодных светильников в сооружениях закрытого грунта (на примере семенного картофеля), дисс.к.т.н., Уфа, ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», 2017, 153 с] обоснован оптимальный алгоритм изменения по дням для 78-дневного цикла соотношения красного и синего света в излучаемом спектре фитооблучателя применительно к семенному картофелю сорта Ред Скарлетт. Показано, что в начальный период соотношение интенсивностей красного и синего света должно составлять отношение 42:15, а к концу 78-дневного цикла развития соотношение интенсивностей красного и синего света должно составлять отношение 20:3. Таким образом реализуется разноспектральное 78-дневное облучение растений (терминология - в соответствии с классификацией работы [4]).

Вообще, в статье [14 - Закурин А.О., Щенникова А.В., Камионская A.M. Светокультура растениеводства защищенного грунта: фотосинтез, фотоморфогенез и перспективы применения светодиодов//Физиология растений, 2020, том 67, №3, стр. 246 - 258] говорится, что в отличие от статического, то есть неизменного во времени спектра, «интенсивно оптимизировать светокультуру способна динамичная регуляция спектра освещения в эти периоды. Так, непродолжительное освещение дальним красным светом в конце фотопериода или перед его началом способно существенно повлиять на рост и морфологию некоторых видов сельскохозяйственных растений». Речь идет о реализации разноспектрального облучения (в терминологии монографии [4]) в масштабах дней и месяцев.

Таким образом, мультиспектральный фитооблучатель [3] имеет ограниченные функциональные возможности, которые связаны с тем, что отсутствие в мультиспектральном фитооблучателе [3] блоков, которые позволяют оценивать текущее время (в масштабах как долей минут, так и в масштабах дней и недель), предопределяют его способность воспроизводить постоянное излучение только со статическим, то есть неизменным вовремени спектром, и не позволяют ему воспроизводить динамическое, то есть, изменяющееся во времени излучение: импульсное, комбинированное, разноспектральное, прерывистое, переменное.

Кроме этого, мультиспектральный фитооблучатель [3] имеет низкую надежность, поскольку в нем не происходит оценивания технического состояния групп светодиодов и не учитывается это состояние при воспроизведении излучения. При этом именно светодиоды являются самым нагруженным элементом мультиспектрального фитооблучателя, надежность которых определяет надежность всего мультиспектрального фитооблучателя. Учет в работе реального технического состояния групп светодиодов может повысить общую надежность мультиспектрального фитооблучателя.

Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый мультиспектральный фитооблучатель, является расширение его функциональных возможностей (за счет обеспечения его способности воспроизводить динамическое, то есть, изменяющееся во времени излучение: импульсное, комбинированное, разноспектральное, прерывистое, переменное) и повышение его надежности (за счет оценивания технического состояния групп светодиодов как самых нагруженных элементов мультиспектрального фитооблучателя, определяющих его надежность, и учета этого технического состояния в работе мультиспектрального фитооблучателя).

Для решения технической проблемы предлагается мультиспектральный фитооблучатель, содержащий М групп светодиодов, М реализованных на базе управляемых источников тока драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов, М измерителей тока, К контроллеров порта, центральный контроллер и блок памяти, первые выходы К контроллеров порта соединены с соответствующими входами центрального контроллера, вход которого соединен с выходом блока памяти, вход которого соединен с выходом центрального контроллера, первые выходы которого соединены со входами соответствующих драйверовуправления интенсивностью излучения светодиодов, выходы которых соединены со входами соответствующих измерителей тока, первые выходы которых соединены со входами соответствующих групп светодиодов, вторые выходы измерителей тока соединены с входами центрального контроллера, первые выходы всех К контроллеров порта и первые К входов центрального контроллера выполняются двунаправленными, второй вход каждого из К контроллеров порта выполняется двунаправленным и является К-м входом-выходом устройства.

Согласно изобретению, в него введены М датчиков температуры, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, тактовый генератор и двоичный счетчик, выходы М датчиков температуры соединены с информационными входами коммутатора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом центрального контроллера, управляющий выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, выход двоичного счетчика соединен со входом центрального контроллера, выход тактового генератора соединен с тактовыми входами центрального контроллера, блока памяти, двоичного счетчика, аналого-цифрового преобразователя и всех К контроллеров порта.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого мультиспектрального фитооблучателя из литературы не известны, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей мультиспектрального фитооблучателя (за счет реализации воспроизведения динамического, то есть, изменяющегося во времени излучения: импульсного, комбинированного, разноспектрального, прерывистого, переменного, что обеспечивается введением времязадающих элементов, таких как тактовый генератор и двоичный счетчик) и повышение надежности мультиспектрального фитооблучателя (за счет измерения температуры выбранных групп светодиодов как самых нагруженных элементов мультиспектрального фитооблучателя, определяющих егонадежность, а также за счет последующей передачи данных о температуре через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь в центральный контроллер и, таким образом, за счет учета технического состояния наиболее нагруженных элементов при задании их режима работы, то есть тока, протекающего через определенные группы светодиодов).

Мультиспектральный фитооблучатель иллюстрирует фиг. 1.

Мультиспектральный фитооблучатель содержит М групп светодиодов 1, М реализованных на базе управляемых источников тока драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов 2, М измерителей тока 3, К контроллеров порта 4, центральный контроллер 5, блок памяти 6, М датчиков температуры 7, коммутатор 8, аналого-цифровой преобразователь 9, тактовый генератор 10 и двоичный счетчик 11.

Первые выходы К контроллеров порта 4 соединены с соответствующими входами центрального контроллера 5, вход которого соединен с выходом блока памяти 6, вход которого соединен с выходом центрального контроллера 5, первые выходы которого соединены со входами соответствующих драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов 2, выходы которых соединены со входами соответствующих измерителей тока 3, первые выходы которых соединены со входами соответствующих групп светодиодов 1, вторые выходы измерителей тока 3 соединены с входами центрального контроллера 5, первые выходы всех К контроллеров порта 4 и первые К входов центрального контроллера 5 выполняются двунаправленными, второй вход каждого из К контроллеров порта 4 выполняется двунаправленным и является К-м входом-выходом устройства.

Выходы М датчиков температуры 7 соединены с информационными входами коммутатора 8, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 9, выход которого соединен со входом центрального контроллера 5, управляющий выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 8, выход двоичного счетчика 11 соединенсо входом центрального контроллера 5, выход тактового генератора 10 соединен с тактовыми входами центрального контроллера 5, блока памяти 6, двоичного счетчика 11, аналого-цифрового преобразователя 9 и всех К контроллеров порта 4.

Конструктивно все М датчиков температуры 7 в корпусе мультиспектрального фитооблучателя располагают рядом с соответствующими М группами светодиодов 1 так, чтобы каждый из датчиков температуры 7 измерял температуру соответствующей группы светодиодов 1.

Мультиспектральный фитооблучатель работает следующим образом. Через любой из контроллеров порта 4 и центральный контроллер 5 в блок памяти 6 записывается предварительно рассчитанный спектр светового излучения, который должен воспроизводиться мультиспектральным фитооблучателем. Данный спектр должен являться оптимальным для растений, выращиваемых в теплице, фитотроне или гроубоксе (далее, без потери общности, будет использоваться термин теплица). Оптимальный спектр, записываемый в блок памяти 6, по своему существу определяет формируемую световую среду на любое время суток, любой месяц и время года для всех выращиваемых растений в соответствии со стадией их онтогенеза. Оптимальный спектр, записываемый в блок памяти 6, может быть определен различными способами. Для целей воспроизведения в теплице световой среды, максимально близкой к световой среде открытого грунта (нормативного спектра), можно рекомендовать производить многодневную непрерывную запись спектра солнечного излучения в непосредственной близости от растений того же сорта, выращиваемых в открытом грунте, причем именно в тех регионах, где обеспечивается естественным природным путем их высокая урожайность. В этом случае, в индивидуальном тепличном хозяйстве (фитотроне, гроубоксе) будет воспроизводиться оптимальная световая среда, привычная для выращиваемых растений в традиционных для их возделывания регионах, чтоявляется одним из важных предпосылок для высокого и качественного урожая.

Можно также рекомендовать использовать многодневные непрерывные записи спектра солнечного излучения из тех регионов, которые являются исторической родиной происхождения для определенной культуры.

Показательными в этом отношении являются результаты экспериментов, описанные в работе [15 - Больший Р.Г. Повышение эффективности облучения меристемных растений картофеля светодиодными (LED) фитоустановками, дисс.к.т.н., Ижевск, ФГБОУ ВО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», 2016, 157 с]. В работе [15] было отмечено следующее: исследования биологов показали, что растения все-таки сохраняют те биологические свойства, которые они приобрели в местах своего первоначального произрастания и возделывания, поэтому для получения возможно большей продуктивности овощных культур, необходимо создать условия, близкие к исторической родине культуры. Картофель впервые круглогодично стал возделываться в субтропиках и тропиках. Это страны Перу, Эквадор, Боливия, где до сих пор собирают до четырех урожаев картофеля в год. В работе [15] описано сравнение спектрального состава зоны фотосинтетически активной радиации (ФАР) этой местности (на примере Перу) и местности Краснодара. Так, например, для марта месяца доза желтой спектральной составляющей для Перу превышает ту же величину для Краснодара на 22%; доза красной спектральной составляющей для Перу превышает ту же величину для Краснодара на 11% при равенстве доз зеленой спектральной составляющей. Эксперименты, проводимые в течение нескольких лет, показали, что наиболее высокая продуктивность получается при использовании фитоустановки, воспроизводящей излучение в зоне ФАР для Перу (то есть, «перуанский» солнечный свет). Так, для картофеля сорта «Удача» и «Ладожский» выход продукции был повышен на 15% при использовании «перуанского» спектра по отношению к «краснодарскому» спектру.

Излучение мультиспектрального фитооблучателя воспроизводится с помощью групп светодиодов 1 в виде суммы их монохромных излучений с регулируемыми величинами амплитуды интенсивности излучения. Величины амплитуд монохромных составляющих подбираются путем регулирования тока драйверами управления интенсивностью излучения групп светодиодов 1 так, чтобы суммарный спектр световой среды максимально близко соответствовал оптимальному спектру, записанному в блоке памяти 6. Таким образом, данные, записываемые в блок памяти 6, должны содержать информацию об амплитудах интенсивности каждой из монохромных составляющих оптимального спектра с их привязкой ко времени.

Если требуется формировать статический спектр, привязка ко времени может отсутствовать. Если требуется формировать динамическое, то есть, изменяющееся во времени излучение (импульсное, комбинированное, разноспектральное, прерывистое, переменное), то для каждой из монохромных спектральных составляющих в соответствии с принятым протоколом представления данных записываются две величины: амплитуда этой спектральной составляющей и время, когда эта монохромная спектральная составляющая должна присутствовать в спектре с указанной амплитудой. В зависимости от конкретных задач, дискретность задания времени может быть разной: от долей секунд (импульсное и комбинированное излучение) до часов и дней (разноспектральное и переменное излучение).

Для реализации динамического, то есть, изменяющегося во времени излучения (импульсного, комбинированного, разноспектрального, прерывистого, переменного), заявляемый мультиспектральный фитооблучатель содержит следующие времязадающие элементы: тактовый генератор 10 и двоичный счетчик 11 с соответствующими связями. Тактовые импульсы с выхода тактового генератора 10 поступают на тактовые входы блока памяти 6, всех контроллеров порта 4 и центрального контроллера 5, обеспечивая, во-первых, возможность записи в блок памяти 6 информацию овоспроизводимом спектре через любой из входов устройства. Во-вторых, это же позволяет считывать информацию о воспроизводимом излучении из блока памяти 6.

Двоичный счетчик 11 выполняет функцию часов реального времени, при этом из практических соображений можно рекомендовать, чтобы его разрядности хватило для непрерывной работы (без переполнения) на несколько месяцев. При этом значение младшего разряда двоичного кода, поступающего с выхода двоичного счетчика 11, не имеет практического смысла делать меньшим, чем 1 мкс, поскольку такого дробления временных интервалов должно с избытком хватать для любых разумных экспериментов с динамическим излучением.

Считанная из блока памяти 6 информация о параметрах воспроизводимого излучения в центральном контроллере 5 сравнивается со значением текущего времени, поступающего с выхода двоичного счетчика 11. При совпадении текущего времени с той информацией о времени производства изменений в спектре, которая была считана из блока памяти 6, центральный контроллер 5 управляет реализованными на базе управляемых источников тока драйверами управления интенсивностью излучения светодиодов 2, динамически внося соответствующие изменения в спектр суммарного излучения.

Информация об оптимальном спектре может передаваться в блок памяти 6 по любому протоколу через второй вход любого из контроллеров порта 4, например по протоколу USB с внешнего флешь-накопителя. Заявлямый фитооблучатель может использоваться как одиночный автономный источник оптимальной световой среды. В то же время, применение в мультиспектральном фитооблучателе центрального контроллера 5 и К контроллеров порта 4, позволяет соединять между собой такие мультиспектральные фитооблучатели в сеть произвольной топологии, при этом, например, при К=4 возможно соединение между собой мультиспектральных фитооблучателей максимально короткими связями потипу: «южный» контроллер порта 4 одного мультиспектрального фитооблучателя 1 соединяется с «северным» контроллером порта 4 другого мультиспектрального фитооблучателя; «восточный» контроллер порта 4 одного мультиспектрального фитооблучателя соединяется с «западным» контроллером порта 4 другого мультиспектрального фитооблучателя (термины «южный», «северный», «восточный» и «западный» здесь носят достаточно условный характер и служат для указания ориентации мультиспектральных фитооблучателей внутри теплицы).

Спектр излучения мультиспектрального фитооблучателя формируется в виде суммы монохромных излучений групп светодиодов 1 с пиками парциальных излучений, соответствующих различным значениям длины волны. Каждое монохромное излучение формируется с помощью одинаковых групп светодиодов 1, при этом максимум амплитуды интенсивности излучения приходится на соответствующую этим светодиодам длину волны. Диапазоны длин волн, в каждом из которых должно присутствовать хотя бы одно монохромное излучение светодиодов, выбираются из общепринятого ряда: ультрафиолет; фиолетовый свет; синий свет; голубой свет; зеленый свет; желтый свет; оранжевый свет; красный свет; дальний красный свет.

Принятое в отечественной науке деление ультрафиолетового излучения на поддиапазоны и границы этих поддиапазонов соответствуют международному стандарту ISO/DIS 21348 [16 - ISO/DIS 21348. Space environment (natural and artificial). Process for determining solar irradiances, 2007]: ультрафиолет С (100-280 нм); ультрафиолет В (280-315 нм) и ультрафиолет А (315-400 нм).

Что касается диапазонов видимой части спектра, то в отечественной литературе встречается несколько вариантов обозначения границ цветовых диапазонов. В частности, на стр. 18 табл.1.2 работы [17 - Цветоведение и основы колориметрии: учебник и практикум для академического бакалавриата / В.П. Лютов, П.А. Четверкин, Г.Ю. Головастиков. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Издательство Юрайт, 2018. - 222 с] приведены четыре различных варианта (по А.В. Перышкину, С.С. Алексееву, К.Л. Мертцу и Н.Ф. Ефремову) определения границ цветовых диапазонов. Авторы заявляемого способа ориентировались на вариант определения границ цветовых диапазонов по С.С. Алексееву [17, стр. 18, табл.1.2]. В принципе, границы диапазонов видимой части спектра могут быть определены с некоторыми допущениями, поскольку это является вопросом терминологии и не носит принципиального характера. Для заявляемого устройства более принципиальным является количество монохромных излучений, которые можно воспроизвести в формируемом спектре.

Таким образом, в предлагаемом мультиспектральном фитооблучателе диапазоны длин волн, в каждом из которых должно присутствовать хотя бы одно монохромное излучение светодиодов, выбираются из следующего ряда: ультрафиолет В (280-315 нм); ультрафиолет А (315-400 нм); фиолетовый свет (400-430 нм); синий свет (430-480 нм); голубой свет (480-500 нм); зеленый свет (500-570 нм); желтый свет (570-590 нм); оранжевый свет (590-630 нм); красный (630-800 нм); дальний красный (800-1000 нм).

В настоящее время на рынке доступна широкая номенклатура монохромных светодиодов различных диапазонов света. При этом следует рекомендовать использовать максимальное количество разнотипных светодиодов (отличающихся значениями спектральных максимумов), даже если они попадают в один и тот же спектральный цветовой диапазон, что позволяет более точно формировать требуемый суммарный спектр. Авторы настоящей заявки для реализации заявляемой системы использовали в различных диапазонах следующие светодиоды фирмы LCFocus (Китай): в диапазоне ультрафиолет В светодиод 280-285 нм; в диапазоне ультрафиолет А светодиоды 365 нм, 370 нм, 375 нм, 380 нм, 385 нм, 390 нм, 395 нм; в диапазоне фиолетового света светодиоды 400 нм, 405 нм, 410 нм, 415 нм, 425 нм; в диапазоне синего света светодиоды 440-450 нм и 460-465 нм; в диапазоне голубого света светодиоды 490-495 нм; в диапазоне зеленого светасветодиоды 520-525 нм; в диапазоне желтого света светодиоды 580-590 нм; в диапазоне оранжевого света 590-600 и 600-605 нм; в диапазоне красного света светодиоды 660-665 нм, 670-675 нм, 730 нм, 760 нм и 800 нм; в диапазоне дальнего красного светодиоды 850 нм, 880 нм, 940 нм, 980 нм, 1000 нм.

Кроме монохромных групп светодиодов 1, в мультиспектральном фитооблучателе используются группы светодиодов 1 на основе полноспектральных белых светодиодов. Таким образом, в оптическом излучении мультиспектрального фитооблучателя дополнительно к монохромным составляющим присутствует излучение полноспектральных белых светодиодов, обладающих широким спектральным составом. Для практической реализации можно рекомендовать использование полноспектральных белых светодиодов фирмы LCFocus (Китай) с цветовой температурой 2800-3200К. Регулирование спектра белых светодиодов путем изменения интенсивности позволяет равномерно изменять спектр излучения мультиспектрального фитооблучателя во всех второстепенных диапазонах.

Следует особо подчеркнуть, что в заявляемом мультиспектральном фитооблучателе для воспроизведения N монохромных излучений используется М групп светодиодов, где M>N. Таким образом, по меньшей мере в наиболее важных спектральных диапазонах (например, красном, дальнем красном, синем и др.) монохромное излучение воспроизводится не одной, а несколькими однотипными группами светодиодов 1, что позволяет избежать явления полного пропадания в формируемом спектре какого-то монохромного излучения в случае отказа соответствующей группы светодиодов 1 за счет резервирования некоторых (либо всех) групп светодиодов 1.

Парирование отказов светодиодов укрупненно выглядит так: выход из строя одной группы светодиодов 1 (например, красного цвета), фиксируется соответствующим измерителем тока 3. Информация об этом отказе передается в центральный контроллер 5, который компенсирует указанныйотказ соответствующим увеличением тока аналогичных групп светодиодов 1 того же цвета (красного цвета). В деталях, это выглядит следующим образом: для обнаружения факта отказа каждой из групп светодиодов 1, между драйверами управления интенсивностью излучения светодиодов 2 и соответствующими группами светодиодов 1 включены измерители тока 3, передающие результаты измерения силы протекающего тока (в случае отказа группы светодиодов 1 - близкие к нулевому значению) по цифровому интерфейсу в центральный контроллер 5. В случае отказа одной из групп светодиодов 1 (например, красного цвета), соответствующее увеличение силы тока в оставшихся группах светодиодов 1 того же цвета (красного цвета), происходит по управляющим воздействиям центрального контроллера 5 без каких-либо внешних воздействий, что обеспечивает возможность автономного использования мультиспектрального фитооблучателя.

Вместе с тем, использование информации только о фактическом значении тока, измеряемого измерителями тока 3, недостаточно для того, чтобы достоверно судить о фактическом техническом состоянии соответствующих групп светодиодов 1, что определяет низкую надежность устройства - прототипа [3]. Малая информативность отдельно взятых значений о силе тока, протекающего через группу светодиодов 1, связана со следующим.

Известно, что в полупроводниках светодиодов может возникать так называемый эффект сжатия тока, т.е., локальное повышение плотности электрического тока в отдельных участках полупроводника, что может приводить к локальному перегреву, который усиливает электромиграционный эффект, провоцирующий дальнейший рост температуры [18 - Cree XLamp LED Electrical Overstress. CLD-AP29 Rev IE на сайте https://www.cree-led.com/document-library]. Таким образом, значение силы тока, измеряемое в устройстве - прототипе [3], не может являться исчерпывающим параметром, который достоверно характеризуеттехническое состояние групп светодиодов 1. Для надежной идентификации технического состояния групп светодиодов 1, дополнительно к силе тока, необходимо измерение температуры групп светодиодов 1. Вместе с тем, непосредственное измерение температуры всех групп светодиодов 1 аналоговыми измерителями температуры, их оцифровка и передача полученных данных в центральный контроллер 5 не может считаться приемлемым решением по следующей причине. Исходя из описанного выше принципа резервирования N монохромных излучений в суммарном спектре, число М групп светодиодов 1 в предлагаемом мультиспектральном фитооблучателе может быть достаточно велико. При этом аналого-цифровые преобразователи, которые преобразуют значения сигналов на выходах соответствующих датчиков температуры в цифровую форму, сами по себе являются достаточно устройствами с достаточно большой теплоотдачей, что усиливает нагрев всего мультиспектрального фитооблучателя. Для решения указанного противоречия, в предлагаемом мультиспектральном фитооблучателе используется один общий аналого-цифровой преобразователь 9, на вход которого сигналы с выходов всех М аналоговых датчиков температуры 7 поступают через коммутатор 8, который управляется от центрального контроллера 5. При этом может использоваться следующий алгоритм управления коммутатором 8: контролироваться может температура только тех групп светодиодов 1, которые по данным расчетов оптимального спектра, считанного из блока памяти 6, находятся в нагруженном режиме, что должно подтверждаться показаниями соответствующих измерителей тока 3. При этом, для большей достоверности контроля, может использоваться периодический опрос через коммутатор 8 данных с выходов всех датчиков температуры 7. В том случае, если текущая температура некоторой группы светодиодов 1 приближается к критическому значению, центральный контроллер 5 изменяет режим работы этой группы светодиодов 1 так, чтобы понизить значение его температуры, в частности, уменьшением тока через эту группу светодиодов.

Таким образом, в сравнении с прототипом [3], предлагаемый мультиспектральный фитооблучатель обладает расширенными функциональными возможностями за счет придания ему способности воспроизводить динамическое, то есть, изменяющееся во времени излучение: импульсное, комбинированное, разноспектральное, прерывистое, переменное. Это обеспечивается введением времязадающих элементов: тактового генератора 10 и двоичного счетчика 11 с соответствующими связями.

Кроме этого, в сравнении с прототипом [3], предлагаемый мультиспектральный фитооблучатель обладает повышенной надежностью за счет более точного оценивания технического состояния групп светодиодов 1 как самых нагруженных элементов мультиспектрального фитооблучателя, определяющих его надежность, и учета этого технического состояния в работе мультиспектрального фитооблучателя. Это обеспечивается измерением реальной температуры групп светодиодов 1 посредством коммутации датчиков температуры 7 через коммутатор 8 на общий аналого-цифровой преобразователь 9.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству закрытого типа. Мультиспектральный фитооблучатель содержит от 1₁-1_M светодиодов, от 2₁-2_M реализованных на базе управляемых источников тока драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов, 3₁-3_M измерителей тока, 4 контроллера порта, центральный контроллер и блок памяти. Первые выходы 4 контроллеров порта соединены с соответствующими входами центрального контроллера, вход которого соединен с выходом блока памяти, вход которого соединен с выходом центрального контроллера, первые выходы которого соединены с входами соответствующих драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов, выходы которых соединены с входами соответствующих измерителей тока, первые выходы которых соединены с входами соответствующих групп светодиодов, вторые выходы измерителей тока соединены с входами центрального контроллера. Первые выходы всех 4 контроллеров порта и первые 4 входа центрального контроллера выполняют двунаправленными. Второй вход каждого из 4 контроллеров порта выполняется двунаправленным и является 4-м входом-выходом устройства, в которое введены 7₁-7_M датчиков температуры, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, тактовый генератор и двоичный счетчик. Выходы 7₁-7_M датчиков температуры соединены с информационными входами коммутатора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом центрального контроллера, управляющий выход которого соединен с управляющим входом коммутатора. Выход двоичного счетчика соединен с входом центрального контроллера. Выход тактового генератора соединен с тактовыми входами центрального контроллера, блока памяти, двоичного счетчика, аналого-цифрового преобразователя и всех 4 контроллеров порта, при этом M > N, где N – монохромные излучения. Устройство обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет реализации воспроизведения динамического излучения и повышение надежности за счет измерения температуры выбранных групп светодиодов. 1 ил.

Мультиспектральный фитооблучатель, содержащий от 1₁-1_M светодиодов, от 2₁-2_M реализованных на базе управляемых источников тока драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов, 3₁-3_M измерителей тока, 4 контроллера порта, центральный контроллер и блок памяти, первые выходы 4 контроллеров порта соединены с соответствующими входами центрального контроллера, вход которого соединен с выходом блока памяти, вход которого соединен с выходом центрального контроллера, первые выходы которого соединены с входами соответствующих драйверов управления интенсивностью излучения светодиодов, выходы которых соединены с входами соответствующих измерителей тока, первые выходы которых соединены с входами соответствующих групп светодиодов, вторые выходы измерителей тока соединены с входами центрального контроллера, первые выходы всех 4 контроллеров порта и первые 4 входа центрального контроллера выполняются двунаправленными, второй вход каждого из 4 контроллеров порта выполняется двунаправленным и является 4-м входом-выходом устройства, в которое введены 7₁-7_M датчиков температуры, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, тактовый генератор и двоичный счетчик, выходы 7₁-7_M датчиков температуры соединены с информационными входами коммутатора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом центрального контроллера, управляющий выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, выход двоичного счетчика соединен с входом центрального контроллера, выход тактового генератора соединен с тактовыми входами центрального контроллера, блока памяти, двоичного счетчика, аналого-цифрового преобразователя и всех 4 контроллеров порта, при этом M > N, где N – монохромные излучения.