基于LED的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能補(bǔ)光系統(tǒng)

標(biāo)簽：LED 照明 光源

引言

在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中，光照條件對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)速度、產(chǎn)量以及品質(zhì)都具有重要的影響[1，2]?，F(xiàn)階段我國(guó)大部分設(shè)施農(nóng)業(yè)仍依靠白熾燈、鹵鎢燈、高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈等作為光源對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光[3 - 4]，這些傳統(tǒng)的補(bǔ)光方法存在著光譜匹配不理想[5 - 6]、光能利用率低、未考慮其他環(huán)境因素的影響等缺點(diǎn)，其能耗過(guò)高導(dǎo)致難以在實(shí)際生產(chǎn)中形成較高投入產(chǎn)出比。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，采用LED冷光源作為補(bǔ)光燈光源的方案也已被提出[7]，可在一定程度解決上述補(bǔ)光光源的問(wèn)題。但由于大部分研發(fā)方案和產(chǎn)品仍采用定光強(qiáng)、定光質(zhì)的補(bǔ)光方式，未考慮不同植物不同階段需光量的差異，造成補(bǔ)光不足和補(bǔ)光過(guò)度并存的現(xiàn)象，仍未能真正意義上解決低能耗精準(zhǔn)化補(bǔ)光的問(wèn)題[8]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文研發(fā)了一種智能、精確、節(jié)能的補(bǔ)光系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分考慮不同植物在不同階段不同環(huán)境對(duì)補(bǔ)光需光量的影響?；诜植ǘ喂鈴?qiáng)檢測(cè)技術(shù)、智能控制技術(shù)等現(xiàn)代電子信息技術(shù)，采用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為核心處理器[9]，PT4115 為LED 驅(qū)動(dòng)模塊[10]，根據(jù)溫度和光強(qiáng)檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類植物在合適環(huán)境下按需分波長(zhǎng)定量補(bǔ)光。在滿足其生長(zhǎng)所需光照前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，具有誤差低、響應(yīng)速度快、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為電源模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊、補(bǔ)光模塊、用戶交互模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，電源模塊采用太陽(yáng)能供電，分別提供5V，1 2V 兩種供電電壓，為整個(gè)系統(tǒng)供電; 智能控制模應(yīng)用STC 系列單片機(jī)為核心，根據(jù)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)、設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)PWM 控制信號(hào)的占空比計(jì)算和兩路PWM 控制信號(hào)輸出; 檢測(cè)模塊分波段檢測(cè)紅、藍(lán)光強(qiáng)和實(shí)時(shí)溫度，并將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后傳入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)環(huán)境信息的檢測(cè); 補(bǔ)光模塊采用兩路帶有PWM 電流控制功能的恒流驅(qū)動(dòng)電路，分別控制紅、藍(lán)光LED補(bǔ)光陣列燈的亮度，從而實(shí)現(xiàn)定量精確補(bǔ)光; 用戶交互模塊采用液晶屏完成檢測(cè)結(jié)果顯示，鍵盤實(shí)現(xiàn)按需閾值修改等功能，完成閾值修改與設(shè)置，有效提高系統(tǒng)使用的方便性、擴(kuò)展性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2. 1 電源模塊

本系統(tǒng)電源模塊由太陽(yáng)能電池板、蓄電池和控制電路組成，整個(gè)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池供電，原理圖如圖2 所示。其中，控制電路的輸入端與太陽(yáng)能電池連接，輸入電壓通過(guò)LM317 及其外圍標(biāo)準(zhǔn)電路對(duì)12V蓄電池充電，蓄電池為整個(gè)系統(tǒng)供電。蓄電池輸出端利用MIC29302 穩(wěn)壓變壓模塊輸出12V 穩(wěn)壓電源信號(hào)，并調(diào)整匹配電阻產(chǎn)生5V 穩(wěn)壓電源信號(hào)，從而提供本系統(tǒng)需要12V 和5V 兩個(gè)供電電源。其中，單片機(jī)、檢測(cè)模塊以及用戶交互模塊均使用5V 電源供電，LED 補(bǔ)光模塊采用12V 電源供電。

圖1、電源模塊原理圖

2. 2 控制模塊

控制模塊選用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為核心處理器，采用5V 電源供電，具有8 路10 位A/D 接口、2 路PWM 輸出口、Flash 存儲(chǔ)空間56K、靜態(tài)存取內(nèi)存1 280B、可編程只讀存儲(chǔ)器1K，完成節(jié)點(diǎn)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、智能管理、控制信號(hào)輸出、閾值的調(diào)整、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)等工作，電路如圖3 所示。其中，P0 口連接液晶屏的8 路數(shù)據(jù)口; P1 口負(fù)責(zé)與采樣信號(hào)連接，P1. 0 接入溫度檢測(cè)信號(hào)、P1. 1 接入紅光檢測(cè)信號(hào)、P1. 2 接入藍(lán)光檢測(cè)信號(hào)，從而完成對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集;P2 口連接4 × 4 矩陣鍵盤，P3. 0，P3. 1 用于單片機(jī)與串口連接的數(shù)據(jù)讀寫線，完成程序的下載; P3. 2 ～ P3.7 位液晶控制端; P4. 2，P4. 3 為單片機(jī)PWM 控制端輸出口，其根據(jù)單片機(jī)計(jì)算出與兩波段所需補(bǔ)光量對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)占空比，輸出PWM 信號(hào)對(duì)LED 燈組的亮度進(jìn)行控制。

圖：控制模塊電路設(shè)計(jì)

2. 3 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊利用光照傳感器、溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)施內(nèi)部光照強(qiáng)度和溫度，并將采集數(shù)據(jù)提供給單片機(jī)進(jìn)行處理，原理圖如圖4 所示。其中，溫度檢測(cè)模塊由溫度傳感器18B20 及其標(biāo)準(zhǔn)調(diào)理電路組成，數(shù)據(jù)線接入單片機(jī)P1. 0 口，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集。光照檢測(cè)包括紅光光強(qiáng)檢測(cè)和藍(lán)光光強(qiáng)檢測(cè)，采用波長(zhǎng)范圍在400 ～ 500nm 的藍(lán)光2BU6 硅光電池和波長(zhǎng)范圍600 ～ 700nm 的紅光2BU6 硅光電池作為檢測(cè)元件。采用4 路運(yùn)算放大器LM324 設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器將硅光電池的微弱模擬信號(hào)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，最終將模擬信號(hào)接入單片機(jī)P1. 1，P1. 2 端口進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)分波段光強(qiáng)檢測(cè)。

圖、檢測(cè)模塊原理圖

2. 4 補(bǔ)光模塊

補(bǔ)光模塊包括LED 燈組及其驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路采用PT4115 驅(qū)動(dòng)模塊電路，紅光和藍(lán)光兩個(gè)模塊獨(dú)立工作，原理圖如圖5 所示。其中，LED 燈組采用額定功率1W、中心波長(zhǎng)為660nm 的窄帶紅光LED 陣列和中心波長(zhǎng)為450nm 的窄帶藍(lán)光LED 陣列。由單片機(jī)輸出的兩路PWM 信號(hào)分別與紅藍(lán)光兩路PT4115的DIM 控制端相連，其中紅光驅(qū)動(dòng)芯片與P4. 2 產(chǎn)生的PWM 信號(hào)接通，藍(lán)光則與P4. 3 產(chǎn)生的PWM 信號(hào)接通。利用PWM 的信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)芯片PT4115 的輸出電流，由此實(shí)現(xiàn)LED 燈組的定量補(bǔ)光。

圖、補(bǔ)光模塊原理圖

2. 5 用戶交互模塊

用戶交互模塊主要包括液晶顯示屏和鍵盤兩部分，其中顯示屏采用OCM12864 - 3 液晶屏，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢顯示; 而鍵盤采用4 × 4 矩陣鍵盤，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定及改變。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主要包括傳感器解析函數(shù)、數(shù)據(jù)管理與參數(shù)設(shè)定程序、PWM 信號(hào)控制程序和顯示程序，實(shí)現(xiàn)3 類參數(shù)設(shè)置、環(huán)境因子采集以及對(duì)受控?zé)艚M的自動(dòng)控制功能，軟件流程如圖6 所示。系統(tǒng)工作時(shí)，首先需要對(duì)溫度，紅藍(lán)光強(qiáng)閾值進(jìn)行設(shè)置，溫度傳感器周期對(duì)設(shè)施內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)，判斷溫度是否超出不利于光合作用的閾值范圍，超出則關(guān)斷 LED 補(bǔ)光燈組。當(dāng)溫度在所設(shè)閾值范圍內(nèi)，再分別對(duì)紅、藍(lán)光進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)，實(shí)際光強(qiáng)在閾值之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)定量補(bǔ)光狀態(tài)，根據(jù)所設(shè)閾值與實(shí)際值之差計(jì)算實(shí)際需光量，進(jìn)而再根據(jù)與實(shí)際需光量對(duì)應(yīng)的兩路PWM 控制信號(hào)的占空比，分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)，達(dá)到控制LED 燈的亮度對(duì)植物實(shí)施精確補(bǔ)光的目的。

4 運(yùn)行結(jié)果分析

該系統(tǒng)充分考慮了植物補(bǔ)光時(shí)的各種影響因素，通過(guò)對(duì)各因素的監(jiān)測(cè)、設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和決策程序，精確計(jì)算植物所需光照與實(shí)際光照總體差值，采用均值方式計(jì)算每個(gè)LED 的輸出光強(qiáng); 基于LED 驅(qū)動(dòng)電流和輸出光強(qiáng)的關(guān)系式，系統(tǒng)就可以通過(guò)對(duì)PWM 輸出電流的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)光量的控制。該系統(tǒng)已于2010 年在西北農(nóng)林科技大學(xué)甜瓜基地投入試用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案中各類部分功能，可長(zhǎng)期有效實(shí)現(xiàn)定量精確補(bǔ)光，圖7 為設(shè)備原型界面。

圖、軟件流程圖

5 結(jié)論

本文研發(fā)了一種基于STC12C5A60S2 單片機(jī)的植物智能精確補(bǔ)光系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能供電，根據(jù)溫度、光照傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)核心處理器STC12C5A60S2 利用PWM 信號(hào)，控制特定波長(zhǎng)的紅、藍(lán)光兩路LED 燈組驅(qū)動(dòng)電流，從而控制光源亮度，解決現(xiàn)有補(bǔ)光設(shè)備的不足，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物的智能化、精確化補(bǔ)光。系統(tǒng)試驗(yàn)證明其具有良好的穩(wěn)定性，可滿足在不同生長(zhǎng)階段對(duì)不同植物進(jìn)行智能化、精確化的補(bǔ)光要求，作物產(chǎn)品產(chǎn)量、品質(zhì)提高，耗能明顯降低。同時(shí)，具有誤差低、響應(yīng)速度快、使用方便、部署靈活、成本低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。