一种交互式激光植物补光装置及控制系统

本发明涉及植物生长灯，尤其涉及一种交互式激光植物补光装置及控制系统。

背景技术：

1、随着现代农业技术的快速发展，设施农业和垂直农业逐渐成为高效农业生产的重要模式。这些模式对人工光源的需求日益增长，因为人工光源能够在不受自然光照条件限制的情况下，为植物提供稳定且高效的光合作用支持。然而，传统植物补光技术主要依赖高压钠灯、荧光灯和led等光源。尽管这些光源能够提供光合有效辐射，但普遍存在能耗高、光效低等问题。例如，高压钠灯的能量转换效率不足30%，大部分电能被转化为热能而浪费。而led光源虽然效率较高，但其光谱分布固定，难以动态匹配植物在不同生长阶段的光需求。这些局限性严重制约了现代农业生产的能效提升和精准调控能力。

2、激光光源因其独特的光学特性，为植物补光技术提供了新的发展方向。与传统光源相比，激光具有单色性好、方向性强、能量密度高等显著优势。这些特性使其在植物补光领域展现出巨大的潜力。具体来说，激光的单色性好，能够精准匹配植物光合色素的吸收峰（如叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素），从而最大化光能利用率。其方向性强，可以实现精准的光束投射，减少光能的散射和浪费，确保植物能够接收到高密度的能量。此外，激光的能量密度高，能够在短时间内提供足够的光能，满足植物在不同生长阶段对光照强度的需求。

3、正是基于这些独特的优势，激光植物补光灯在设施农业、垂直农场和植物工厂中的应用逐渐成为一大研究趋势。在设施农业中，激光补光灯可以根据不同农作物的生长需求，灵活调整光谱和光照强度，提高作物的产量和品质；在垂直农场和植物工厂中，由于空间有限且对光照的均匀性和稳定性要求更高，激光补光灯的高精度和高效率特性能够更好地满足其需求，实现植物的高效生长和全年生产。随着相关技术的不断进步和成本的降低，激光植物补光灯有望在未来的农业生产中发挥更加重要的作用，为保障全球粮食安全和推动农业现代化提供有力支持。

4、但本技术发明人在实现本技术实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

5、1.目前常用的激光植物补光灯大多采用红蓝激光二极管（laser diode，ld）混合布局的方式，由于红蓝ld空间分离，光斑重叠区存在光质不均的问题，而且光照均匀度不高，难以为植物提供理想的光照环境。这种不均匀的光照条件可能影响植物的生长一致性，降低补光效果。

6、2.激光二极管功率较大易导致灯具产生局部热点，而现有激光植物补光灯具多依赖被动散热，缺乏实时温度反馈与调节功能。这不仅影响设备的稳定性和使用寿命，还可能对植物造成热伤害。有效的散热管理对于确保补光装置的高效运行和延长使用寿命至关重要。

7、3.现有激光植物补光灯具普遍缺乏远程交互功能，仅支持本地手动开关操作，无法实现远程功率调节和实时状态监控，操作者须亲临现场进行调控，人工操作成本高，难以满足现代农业智能化管理的需求。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种交互式激光植物补光装置及控制系统。

2、本发明目的在于提供一种交互式激光植物补光装置，通过采用蓝光激光二极管激发红色荧光粉层并结合准直透镜和伽利略式扩束镜组，解决现有技术中红蓝ld分立布局导致的光质不均、光照均匀度差的技术问题；通过采用高导热陶瓷散热板配合风扇主动散热，解决现有技术中依赖被动散热导致的热稳定性差的技术问题。

3、本发明目的还在于提供一种交互式激光植物补光装置控制系统，通过温度监测模块实时采集灯具温度并由控制单元实现闭环温控调节，结合无线通信模块和移动终端应用程序实现远程交互控制，解决现有技术中缺乏实时温度反馈与调节以及缺乏远程交互功能的技术问题。

4、为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案

5、一种交互式激光植物补光装置，其特征在于，包括：

6、激光光源模组，用于提供植物补光所需的光源；

7、散热板，用于对激光光源模组进行散热；

8、铝基板，用于固定激光光源模组；

9、灯壳，用于容纳散热板、铝基板和激光光源模组，提供支撑结构和防护；

10、风扇，用于辅助散热；

11、其中，所述激光光源模组通过连接部件用螺丝钉固定在铝基板上，所述铝基板通过滑槽可拆卸地固定在散热板上，所述散热板固定在灯壳内，所述风扇安装于灯壳背面。

12、优选的，所述激光光源模组包括：

13、蓝光激光二极管，用于发射波长在430nm-450nm范围内的蓝色激光；

14、准直透镜，用于将蓝色激光变为平行光，并对光斑的垂直方向进行准直；

15、扩束镜组，用于对准直后的蓝色激光进行扩束；

16、红色荧光粉层，用于将部分430–450 nm蓝光高效转换为红光，与未转换的蓝光原位混合，形成均匀的红蓝复合光谱；

17、外壳，用于封装激光光源模组的各部件，提供结构支撑和保护，不仅保护内部的光学元件免受外界环境的影响，还能确保整个模组的结构稳定性；

18、连接部件，用于将激光光源模组固定在铝基板上，确保整个装置的结构稳定性和可靠性；

19、所述激光光源模组数量为5，等间距排列，通过连接部件用螺丝钉固定在铝基板上。

20、优选的，所述准直透镜为柱面透镜，材质为石英，安放于外壳内距蓝光激光二极管发射面0.5mm处；所述扩束镜组为伽利略式扩束镜，包含负透镜和正透镜，扩束倍数为5倍，所述负透镜焦距-10mm，直径6mm，安装于距蓝光激光二极管发射面10mm处，所述正透镜焦距50mm，直径25mm，安装于距蓝光激光二极管发射面50mm处。

21、优选的，所述红色荧光粉层（12）由以三氧化二铝（al2o3）为主要成分的无机胶与红色荧光粉均匀混合制成独立薄膜片，具有优异的耐高温性能，可有效防止红色荧光粉在高功率蓝光激光激发下发生热猝灭；所述红色荧光粉层（12）位于扩束镜组出光侧，扩束后光斑面积扩大至原来的25倍，单位面积功率密度降低，有效减少热猝灭风险；同时，扩束后较大面积的均匀光斑照射荧光粉层，使荧光粉各部分受到均匀激发，有效避免局部过热导致的猝灭失效。

22、优选的，所述散热板由高导热陶瓷材料制成，厚度为2-5毫米，具有良好的导热性能和耐高温性能。散热板的正面设有滑槽，用于固定铝基板和激光光源模组，其背面还设置有散热鳍片，进一步增加散热面积，提高散热效率。在安装过程中，散热板通过滑槽固定在灯壳内部。此外，散热板的背面粘有温度监测模块的5组热敏电阻。这些热敏电阻能够实时监测灯具的温度，并将温度数据传输给控制单元，从而实现对灯具温度的实时监控和调节。

23、优选的，所述风扇安装于灯壳的背面，数量为4个，间距为16cm。这些风扇的主要作用是辅助散热，确保整个装置在运行过程中保持适宜的温度。通过风扇的强制对流散热，可以有效降低灯具的温度，延长设备的使用寿命，同时避免因高温对植物造成的潜在伤害。

24、本发明还提供了一种交互式激光植物补光装置控制系统包括：

25、控制单元，与温度监测模块、无线通信模块、风扇、电源模块和激光光源模组有线连接，用于对所述激光植物补光装置进行控制；

26、温度监测模块，用于实时监测激光植物补光装置的温度并将温度数据传输至所述控制单元；

27、无线通信模块，用于实现所述控制单元与移动设备的无线通信；

28、移动终端应用程序，通过所述无线通信模块与所述控制单元交互，用于通过移动终端对激光植物补光装置进行控制和实时数据监控；

29、电源模块，用于为整个系统提供稳定的电源支持；

30、其中，所述控制单元为微控制器。

31、优选的，所述温度监测模块包括5组热敏电阻，等间隔排列在散热板背面中心线靠近激光光源模组的位置，用于实时检测灯具温度，并将温度数据传输给控制单元。

32、优选的，所述无线通信模块为wifi无线通信模块，支持2.4ghz频段通信，与移动终端应用程序交互数据。用于使用户可以通过移动终端应用程序远程控制补光装置，并实时监测设备状态。

33、优选的，所述移动终端应用程序具有远程开关功能、功率五档调节功能、温度实时监测报警功能、手动/自动切换功能，所述功率五档调节功能档位分别为20%、40%、60%、80%和100%功率输出，所述温度实时监测功能用于汇报灯具实时温度，当温度超过阈值会显示警报，所述手动/自动切换功能用于切换工作模式，手动模式需要操作者手动调节功率档位和打开风扇降温，自动模式下，控制单元实时采集温度监测模块的温度数据，当温度超过预设阈值时，自动下调功率档位并启动风扇降温；当温度低于预设阈值后，控制单元自动关闭风扇，形成温度的闭环反馈控制。

34、此外，本发明还提供了一种交互式激光植物补光装置的控制方法，包括以下步骤：

35、获取温度监测模块实时采集的灯具温度数据（温度采集步骤）；

36、将所述温度数据与预设阈值进行比较（温度判断步骤）；

37、当温度超过预设阈值且处于手动模式时，向移动终端应用程序发出警报，等待用户指令后开启风扇降温（手动控制步骤）；

38、当温度超过预设阈值且处于自动模式时，控制单元自动下调功率档位并启动风扇降温；当温度低于预设阈值时，关闭风扇并保持当前功率档位（自动控制步骤及恢复步骤）。

39、本发明中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

40、1.本发明采用蓝色激光二极管激发红色荧光粉层的方式，有效解决了传统技术中红蓝激光二极管分装布局导致的光质不均匀的技术问题。经测试，采用本发明光源设计方案的补光装置在测试区域内光照均匀度达到80%以上，相比传统红蓝ld混合布局方案的均匀度提升约20个百分点。此外，通过使用以al2o3为主要成分的无机胶均匀混合荧光粉，有效防止了荧光粉在高功率蓝光激光激发下的热猝灭失效，提升了光照稳定性。

41、2.本发明配备的温度监测模块包含5组热敏电阻，温度检测精度达±1℃，能够实时采集补光装置内部的温度数据，搭配风扇智能散热系统，可在温度超过预设阈值（50℃）后5秒内自动启动散热响应，确保装置在高功率运行时的稳定性和可靠性。

42、3.本发明采用低成本的wifi通信模块，并设计了配套的移动终端应用程序。用户可通过手机或平板等移动设备远程控制补光装置的开关、调节功率档位（20%、40%、60%、80%和100%），并实时监测与调节温度。此外，系统支持手动和自动两种工作模式，方便用户进行精准调控，解决了传统激光补光设备仅支持本地开关缺乏交互且功率调节难以匹配植物需求的问题。

43、4.通过优化光源设计和智能散热系统，本发明不仅将光照均匀度提升至80%以上，还显著提升了农业生产的管理效率。用户无需现场操作，即可实现对补光设备的精准控制和实时监控，降低了人力成本，增强了现代农业生产的智能化水平。