一种用于寒冷低日照地区工业大麻种植的补光灯具及补光控制系统的制作方法

本发明涉及植物种植领域，尤其涉及一种适用于寒冷低日照地区工业大麻种植的全光谱led补光灯具及其控制方法。

背景技术：

1、工业大麻（*cannabis sativa* l.）是一种重要的经济作物，其茎秆纤维可用于纺织、造纸及复合材料制造，叶花部位富含大麻二酚（cbd）等活性成分，具有较高的医疗价值。近年来，随着国家对工业大麻产业的政策支持逐步落地，工业大麻的规模化设施种植需求日益旺盛。

2、工业大麻属于短日照植物，其生长周期对光照条件高度敏感。研究表明，工业大麻的光补偿点约为63mmol·m-2·s-1，光饱和点约为1600 mmol·m-2·s-1，在营养生长阶段需要每日18小时以上的光照，在生殖生长

3、（花期）阶段则需要将光周期缩短至12小时以触发开花。然而，在北纬38°～42°的华北寒冷地区（包括山西大同等地），受地理纬度偏高、海拔较高、大陆性气候显著等因素影响，冬春季节有效日照时长通常不足7小时/天，年平均日照时数约为2800小时，且冬季多发沙尘天气，自然光照强度和光质均难以满足工业大麻正常生长所需的日累积光量（dli）目标值营养期‡25 mol·m-2·d-1，花期‡20mol·m-2·d-1）。因此，在该类地区进行工业大麻设施种植时，人工补光是保障产量和品质的必要技术手段。

4、现有植物补光技术主要存在以下不足：

5、第一，光谱设计针对性不足。 目前市场上的植物补光灯多以通用型红蓝光配方为主，或采用简单的全光谱设计，缺乏针对工业大麻光合特性的精准光谱配方。工业大麻光合作用的吸收峰主要集中在蓝光（450 nm附近）和红光（660

6、nm附近），其中660 nm红光对叶绿素a的吸收效率最高，730 nm远红光可通过调控光敏色素比值（pfr/pr）影响植株开花诱导。现有专利（如cn115623932b）虽提出了五峰光谱组合方案，但未结合灯珠封装形式对光束角、均匀度及节能性进行系统设计。

7、第二，灯珠封装与阵列设计缺乏优化。 现有补光灯多采用单一封装规格的灯珠，难以兼顾高光通量与均匀照射的双重需求。2835封装灯珠具有120°大光束角，有利于实现大面积均匀照射；3030封装灯珠具有较高的单颗光功率输出能力，可在单位面积内提供更高的光子通量密度（ppf）。然而，现有技术中尚未有将2835与3030封装灯珠按特定比例混合排列、以实现兼顾均匀度与高光效的补光灯阵列设计方案。

8、第三，补光控制策略缺乏地域气候适应性。 现有动态补光控制方法（如cn111418381a、cn121240279a）虽能根据光照强度实时调节补光参数，但均未针对特定地理区域的气候特征（如寒冷地区冬季有效日照严重不足、沙尘天气频发等）建立专项补偿策略，导致补光控制精度和节能效果在极端气候条件下明显下降。

9、第四，dli动态管理机制不完善。 日累积光量（daily light integral，dli）是衡量植物每日接受光照总量的核心指标。现有技术中（如cn119234585a、cn119014235b）虽已引入dli概念，但针对工业大麻不同生长阶段的dli动态阈值管理，以及结合峰谷电价的节能补光调度策略，尚未形成完整的系统性方案。

10、综上所述，现有技术在针对寒冷低日照地区工业大麻种植的补光灯具结构设计、光谱配方优化、灯珠阵列排布及智能补光控制方法等方面均存在明显不足，亟需提供一种专门面向北纬38°～42°寒冷地区、以工业大麻为目标作物的全光谱led补光灯具及其配套智能控制系统。

技术实现思路

1、本技术实施例通过提供一种工业大麻led补光灯具及控制方法，解决了现有技术中补光光谱配方针对性不足、补光控制策略缺乏地域气候适应性、以及日累积光量（dli）动态管理机制不完善的问题。

2、本技术实施例提供了一种工业大麻补光灯具，包括： 灯体外壳；散热结构；驱动电源；led灯珠阵列，其中，led灯珠阵列由2835封装灯珠和3030封装灯珠混合排列构成，所述2835封装灯珠的光束角为120°； 所述灯珠阵列输出的光谱为连续全光谱，覆盖380nm～780nm波段，其中蓝光峰值位于450nm～460nm，红光峰值位于655nm～665nm，远红光成分位于720nm～740nm，红蓝光量子比r:b为2.5:1～3.5:1。

3、进一步地，所述led灯珠阵列中，2835封装红光灯珠占总灯珠数量的35%～45%，2835封装全光谱灯珠占30%～40%，3030封装高功率灯珠占15%～25%；所述3030封装灯珠单颗光合光子通量不低于150μmol/s。

4、进一步地，所述驱动电源采用恒流驱动方式，整灯功率效率不低于2.5μmol/j；所述散热结构采用铝合金翅片式散热器，结温控制在85°c以下。

5、本技术实施例还提到了一种用于工业大麻种植的led补光光谱配方，所述光谱为连续全光谱，覆盖380nm～780nm波段；蓝光峰值位于450nm～460nm，红光峰值位于655nm～665nm，远红光成分位于720nm～740nm；红蓝光量子比r:b为2.5:1～3.5:1。

6、进一步地，所述光谱中紫外成分（380nm～400nm）占总光量子通量的2%～5%，用于促进工业大麻cbd/cbn等活性成分的合成积累；所述光谱中绿光成分（500nm～560nm）占比高于15%，以保障冠层穿透性。

7、本技术实施例还提到了一种适用于寒冷低日照地区工业大麻种植的智能补光控制系统，所述系统包括：

8、补光灯具模块，包括：1.灯珠阵列，所述灯珠阵列由第一类led灯珠和第二类led灯珠按预设比例混合排列构成；所述第一类led灯珠采用2835封装，光束角为120°，发射峰值波长为655nm～665nm的红色光谱；所述第二类led灯珠采用2835封装或3030封装，发射覆盖380nm～780nm的全光谱光；2.散热结构，与所述灯珠阵列热连接，用于维持灯珠工作结温；

9、环境感知模块，包括：1.光照传感器，用于实时采集种植区域冠层处的光合光子通量密度ppfd值，单位为μmol·m⁻²·s⁻¹；2.光周期计时单元，用于记录当日自然光照累计时长及补光累计时长；3.温湿度传感器，用于采集种植环境的温度和相对湿度；

10、中央控制模块，包括：1.地区参数存储单元，预存所述寒冷低日照地区对应的地理纬度范围 各月份平均日照时长阈值及季节性辐射强度基准值；2.生长周期识别单元，根据工业大麻的种植日期及预设生长阶段时长判断当前所处营养生长期或开花期；3.dli计算单元，根据光照传感器实时数据计算当日累计日光积分（dli），单位为mol/m2/d；4.补光决策单元，将实时dli与所述工业大麻当前生长阶段的目标dli阈值进行比对，生成补光启停指令及光强调节指令；5.pwm驱动控制单元，根据所述补光决策单元的指令，通过脉宽调制方式独立调节所述第一类灯珠和第二类灯珠的驱动电流及占空比；

11、通信与显示模块，包括：1.数据收发单元，用于与移动终端或上位机进行双向数据传输；2.显示单元，用于显示实时ppfd值、当日dli累计值、当前生长阶段及补光状态

12、进一步地，所述灯珠阵列中，第一类2835封装红光灯珠的数量占灯珠总数的35%～45%，第二类全光谱灯珠的数量占灯珠总数的30%～40%，采用3030封装的高功率全光谱灯珠占灯珠总数的15%～25%；

13、所述灯珠阵列的布置方式使得照射面均匀度不低于0.7，相邻灯珠中心间距根据安装高度按以下关系确定：间距（mm）=安装高度（mm）×tan（60°）；

14、所述第一类灯珠与第二类灯珠的红光与蓝光光子通量比（r:b）在2.5:1～3.5:1范围内可调，以适应工业大麻营养生长期（r:b = 2.5:1～3.0:1）和开花期（r:b = 3.0:1～3.5:1）的不同需求。

15、进一步地，所述地区参数存储单元中预存的地理纬度范围为北纬38°～42°，对应的冬季月份（11月至次年2月）日均有效光照时长阈值为不超过7小时，夏季月份（5月至8月）日均有效光照时长阈值为不低于12小时；

16、所述补光决策单元还包括光饱和点保护子单元，当光照传感器检测到冠层ppfd值超过1600μmol·m⁻²·s⁻¹时，所述光饱和点保护子单元强制降低pwm占空比，将补光输出功率降低至不触发光抑制的安全水平；

17、所述系统还包括分区控制单元，将种植区域划分为至少两个独立补光分区，各分区的补光灯具可根据各自区域的光照传感器数据独立调节，以补偿温室内自然光分布不均匀造成的光照差异。

18、本技术实施例还提供了一种适用于寒冷低日照地区工业大麻种植的补光控制方法，应用于所述的智能补光控制系统，所述方法包括以下步骤：

19、s1：1.读取地区参数存储单元中预存的地理纬度范围及各月份日照时长基准值；

20、2.根据工业大麻种植日期及预设生长阶段时长，判断当前生长阶段为营养生长期或开花期；

21、3.根据当前生长阶段调取对应的目标dli阈值：营养生长期目标dli为20～30mol/m2/d，开花期目标dli为35～45mol/m2/d；

22、s2：1.通过光照传感器以预设采样频率连续采集冠层处ppfd值；

23、2.按下式实时累计当日dli：dli（mol/m2/d）= s[par（mmol/m2/s） 采样间隔（s）]10-6；

24、3.判断当前时刻距日落时间是否满足补光窗口条件；

25、s3：1.将当前dli累计值与目标dli阈值进行比对；

26、2.若当前dli累计值低于目标dli阈值且当前处于有效补光时段，则启动补光，通过pwm驱动控制单元输出补光指令；

27、3.根据当前生长阶段，调节第一类红光灯珠与第二类全光谱灯珠的驱动占空比，使输出光谱的r:b比值满足当前生长阶段需求；

28、4.若当前dli累计值已达到目标dli阈值，或光照传感器检测到冠层ppfd值超过光饱和点1600μmol·m⁻²·s⁻¹，则停止或降低补光输出；

29、s4：1.在每月第一日，将当月预存日照时长基准值与上月实际日照时长记录值进行比对；

30、2.若当月预存基准值低于上月实际值的80%，则判定进入低日照季节，将目标dli阈值上调10%～15%，以补偿自然光照不足；

31、3.将上述调整结果更新至地区参数存储单元，并通过数据收发单元推送至移动终端；

32、s5：1.将每日实际dli累计值、补光时长、补光功率及植物生长状态数据存储至本地数据库；

33、2.基于历史数据对目标dli阈值进行滚动修正，逐步优化适用于当地气候条件的工业大麻补光参数模板。

34、进一步地，在所述步骤s3中，补光时段的确定还包括光周期控制策略：

35、在工业大麻营养生长期，通过补光将日照时长延长至18小时/天，剩余6小时为暗期，不进行任何补光；

36、在工业大麻开花诱导期，将日照时长严格控制为12小时/天，超出部分通过遮光或停止补光实现，以触发工业大麻的短日照开花响应；

37、在所述步骤s3中，pwm调节还包括分时段节能策略：

38、在电网峰值电价时段（通常为08:00～22:00），优先使用自然光补充，将补光功率降低至额定功率的60%～80%；

39、在电网谷值电价时段（通常为22:00～次日08:00），在不违反暗期要求的前提下，适当提高补光功率至额定功率的90%～100%，以利用低谷电价降低运营成本；

40、在所述步骤s4中，季节性气候补偿还包括对大同地区沙尘暴、雾霾等特殊天气的识别：当连续3天实际dli累计值低于目标dli阈值的50%时，系统自动触发强制补光模式，将补光时长延长至满足目标dli阈值所需的最大允许时长。

41、本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

42、1.本发明采用光束角120°2835与3030封装灯珠混合排列，配合380nm~780nm连续全光谱配方，有效解决了现有补光灯具封装单一、光谱针对性不足的技术问题，使灯具照射均匀度不低于0.7、功率效率不低于2.5μmol/j，精准匹配工业大麻光合特性并促进cbd等活性成分积累。

43、2.本发明针对北纬38°～42°,尤其涵盖山西大同寒冷低日照地区，预存当地冬季日照不足7小时/日等气候基准值，并设置低日照季节自动识别与dli阈值滚动修正机制，有效解决了现有补光方法缺乏地域气候适应性、难以应对大同地区冬季寡照及沙尘极端天气的技术问题，实现补光策略的本地化自适应调节。

44、3.本发明构建以实时dli计算与生长阶段目标阈值比对为核心的动态补光决策机制，并设置光饱和点保护与分区独立控制，有效解决了补光决策缺乏量化依据、易致光抑制及温室光照不均的技术问题，实现按需精准补光。

45、本发明通过pwm独立调光实现r:b比值分期切换并联动光周期控制，结合峰谷电价分时段调度，有效解决了补光灯具难以适应大麻分期需求且能耗偏高的技术问题，在精准调控开花的同时降低大同等地区种植运营成本。