基于LED的設施農(nóng)業(yè)智能補光系統(tǒng)

標簽：LED 照明 光源

引言

在農(nóng)作物生長過程中，光照條件對農(nóng)作物的生長速度、產(chǎn)量以及品質(zhì)都具有重要的影響[1，2]。現(xiàn)階段我國大部分設施農(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植物進行補光[3 - 4]，這些傳統(tǒng)的補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，其能耗過高導致難以在實際生產(chǎn)中形成較高投入產(chǎn)出比。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，采用LED冷光源作為補光燈光源的方案也已被提出[7]，可在一定程度解決上述補光光源的問題。但由于大部分研發(fā)方案和產(chǎn)品仍采用定光強、定光質(zhì)的補光方式，未考慮不同植物不同階段需光量的差異，造成補光不足和補光過度并存的現(xiàn)象，仍未能真正意義上解決低能耗精準化補光的問題[8]。

針對以上問題，本文研發(fā)了一種智能、精確、節(jié)能的補光系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分考慮不同植物在不同階段不同環(huán)境對補光需光量的影響。基于分波段光強檢測技術(shù)、智能控制技術(shù)等現(xiàn)代電子信息技術(shù)，采用STC12C5A60S2 單片機作為核心處理器[9]，PT4115 為LED 驅(qū)動模塊[10]，根據(jù)溫度和光強檢測結(jié)果，實現(xiàn)對各類植物在合適環(huán)境下按需分波長定量補光。在滿足其生長所需光照前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，具有誤差低、響應速度快、成本低、維護簡單等特點。

1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)采用模塊化設計，分為電源模塊、檢測模塊、控制模塊、補光模塊、用戶交互模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，電源模塊采用太陽能供電，分別提供5V，1 2V 兩種供電電壓，為整個系統(tǒng)供電; 智能控制模應用STC 系列單片機為核心，根據(jù)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)、設置閾值，實現(xiàn)對應PWM 控制信號的占空比計算和兩路PWM 控制信號輸出; 檢測模塊分波段檢測紅、藍光強和實時溫度，并將檢測信號進行濾波、放大后傳入單片機，實現(xiàn)相關(guān)環(huán)境信息的檢測; 補光模塊采用兩路帶有PWM 電流控制功能的恒流驅(qū)動電路，分別控制紅、藍光LED補光陣列燈的亮度，從而實現(xiàn)定量精確補光; 用戶交互模塊采用液晶屏完成檢測結(jié)果顯示，鍵盤實現(xiàn)按需閾值修改等功能，完成閾值修改與設置，有效提高系統(tǒng)使用的方便性、擴展性。

2 硬件設計

2. 1 電源模塊

本系統(tǒng)電源模塊由太陽能電池板、蓄電池和控制電路組成，整個系統(tǒng)利用太陽能電池供電，原理圖如圖2 所示。其中，控制電路的輸入端與太陽能電池連接，輸入電壓通過LM317 及其外圍標準電路對12V蓄電池充電，蓄電池為整個系統(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，并調(diào)整匹配電阻產(chǎn)生5V 穩(wěn)壓電源信號，從而提供本系統(tǒng)需要12V 和5V 兩個供電電源。其中，單片機、檢測模塊以及用戶交互模塊均使用5V 電源供電，LED 補光模塊采用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 存儲空間56K、靜態(tài)存取內(nèi)存1 280B、可編程只讀存儲器1K，完成節(jié)點任務調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、智能管理、控制信號輸出、閾值的調(diào)整、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲等工作，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 口負責與采樣信號連接，P1. 0 接入溫度檢測信號、P1. 1 接入紅光檢測信號、P1. 2 接入藍光檢測信號，從而完成對傳感器監(jiān)測數(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PWM 控制端輸出口，其根據(jù)單片機計算出與兩波段所需補光量對應的PWM 信號占空比，輸出PWM 信號對LED 燈組的亮度進行控制。

圖：控制模塊電路設計

2. 3 檢測模塊

檢測模塊利用光照傳感器、溫度傳感器實時檢測設施內(nèi)部光照強度和溫度，并將采集數(shù)據(jù)提供給單片機進行處理，原理圖如圖4 所示。其中，溫度檢測模塊由溫度傳感器18B20 及其標準調(diào)理電路組成，數(shù)據(jù)線接入單片機P1. 0 口，實現(xiàn)對溫度的采集。光照檢測包括紅光光強檢測和藍光光強檢測，采用波長范圍在400 ～ 500nm 的藍光2BU6 硅光電池和波長范圍600 ～ 700nm 的紅光2BU6 硅光電池作為檢測元件。采用4 路運算放大器LM324 設計運算放大器將硅光電池的微弱模擬信號分別進行轉(zhuǎn)換和放大，最終將模擬信號接入單片機P1. 1，P1. 2 端口進行A/D 轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)分波段光強檢測。

圖、檢測模塊原理圖

2. 4 補光模塊

補光模塊包括LED 燈組及其驅(qū)動電路，驅(qū)動電路采用PT4115 驅(qū)動模塊電路，紅光和藍光兩個模塊獨立工作，原理圖如圖5 所示。其中，LED 燈組采用額定功率1W、中心波長為660nm 的窄帶紅光LED 陣列和中心波長為450nm 的窄帶藍光LED 陣列。由單片機輸出的兩路PWM 信號分別與紅藍光兩路PT4115的DIM 控制端相連，其中紅光驅(qū)動芯片與P4. 2 產(chǎn)生的PWM 信號接通，藍光則與P4. 3 產(chǎn)生的PWM 信號接通。利用PWM 的信號控制驅(qū)動芯片PT4115 的輸出電流，由此實現(xiàn)LED 燈組的定量補光。

圖、補光模塊原理圖

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，實現(xiàn)對系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的設定及改變。

3 軟件設計

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)設定程序、PWM 信號控制程序和顯示程序，實現(xiàn)3 類參數(shù)設置、環(huán)境因子采集以及對受控燈組的自動控制功能，軟件流程如圖6 所示。系統(tǒng)工作時，首先需要對溫度，紅藍光強閾值進行設置，溫度傳感器周期對設施內(nèi)溫度監(jiān)測，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 補光燈組。當溫度在所設閾值范圍內(nèi)，再分別對紅、藍光進行光強檢測，實際光強在閾值之內(nèi)時，系統(tǒng)進入自動定量補光狀態(tài)，根據(jù)所設閾值與實際值之差計算實際需光量，進而再根據(jù)與實際需光量對應的兩路PWM 控制信號的占空比，分別產(chǎn)生對應的PWM 信號，達到控制LED 燈的亮度對植物實施精確補光的目的。

4 運行結(jié)果分析

該系統(tǒng)充分考慮了植物補光時的各種影響因素，通過對各因素的監(jiān)測、設置、數(shù)據(jù)管理和決策程序，精確計算植物所需光照與實際光照總體差值，采用均值方式計算每個LED 的輸出光強; 基于LED 驅(qū)動電流和輸出光強的關(guān)系式，系統(tǒng)就可以通過對PWM 輸出電流的控制，從而實現(xiàn)對補光量的控制。該系統(tǒng)已于2010 年在西北農(nóng)林科技大學甜瓜基地投入試用，實現(xiàn)了設計方案中各類部分功能，可長期有效實現(xiàn)定量精確補光，圖7 為設備原型界面。

圖、軟件流程圖

5 結(jié)論

本文研發(fā)了一種基于STC12C5A60S2 單片機的植物智能精確補光系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽能供電，根據(jù)溫度、光照傳感器監(jiān)測結(jié)果，通過核心處理器STC12C5A60S2 利用PWM 信號，控制特定波長的紅、藍光兩路LED 燈組驅(qū)動電流，從而控制光源亮度，解決現(xiàn)有補光設備的不足，實現(xiàn)了對農(nóng)作物的智能化、精確化補光。系統(tǒng)試驗證明其具有良好的穩(wěn)定性，可滿足在不同生長階段對不同植物進行智能化、精確化的補光要求，作物產(chǎn)品產(chǎn)量、品質(zhì)提高，耗能明顯降低。同時，具有誤差低、響應速度快、使用方便、部署靈活、成本低廉、維護簡單等特點。