基于LED光源的溫室光環(huán)境監測與控制系統設計

摘要：為了降低照明能耗費用及多層立體式培養的需求，提出了一種基于LED光源的智能溫室光環(huán)境監測與控制系統設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統通過(guò)MCU進(jìn)行控制來(lái)改變溫室的光環(huán)境。系統監控采用Labview進(jìn)行編程，完成對其參數的實(shí)時(shí)監測。實(shí)際應用表明，該系統具有操作簡(jiǎn)便、檢測準確的特點(diǎn)，具有很強的實(shí)用性和推廣性。
關(guān)鍵詞：智能溫室；光照度；串口通信；實(shí)時(shí)監測

0 引言
LED作為新一代光源，除了環(huán)保節能的特點(diǎn)外，相較于目前農業(yè)領(lǐng)域常用的熒光燈或高壓鈉燈等人工光源，具有光量可調整、光質(zhì)可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等優(yōu)點(diǎn)，對封閉有環(huán)控的農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，如植物組織培養室等是一種非常適合的人工光源。對溫室中植物生長(cháng)的光環(huán)境參數準確監測及控制非常重要，為了實(shí)現對光環(huán)境參數的準確檢測及智能控制，在做了需求分析的基礎上，提出并設計了一種基于LED光源的溫室光環(huán)境監測與控制系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“監測與控制系統”)設計方案。該系統能夠完成對其光環(huán)境準確監測與控制。

1 監控需求分析
LED理想的工作溫度通常為25℃。在該溫度時(shí)，發(fā)光強度具有最大值。溫度升高，則導通電流將相應地增加。過(guò)熱的短期影響是顏色漂移，這種顏色漂移是不可逆的。過(guò)熱的長(cháng)期影響是發(fā)光強度和LED壽命的永久降低。針對為滿(mǎn)足溫室光環(huán)境參數進(jìn)行監測與控制的需求，結合植物對LED光源的光合作用的關(guān)系，經(jīng)過(guò)分析得到光環(huán)境監測與控制的主要參數：LED光源的光照度信號、光源板中央溫度等信號。要想完成信號的監測與控制，要從三個(gè)方面入手：首先該監測與控制系統應能采集處于各種狀況的輸入參數，并檢測系統的輸出信號，判斷出溫室在各種狀態(tài)下是否按要求工作；其次，應能將檢測的數據與PC機通信；再次，還應具有將數據顯示和存儲，并將數據處理后控制溫室光環(huán)境的功能。

2 總體設計
本監測與控制系統結構如圖1所示，系統主要由上位機、MCU數據采集單元及執行機構3部分組成，在對溫室光環(huán)境參數的監測過(guò)程中，通過(guò)各傳感器對溫室內光源板溫度和光照度等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，監測各參數是否正常。采集的數據經(jīng)轉換后送入單片機，完成數據采集：STC12C5A60S2單片機為核心控制器，PC機與Labview軟件作為監控模塊，兩者通過(guò)RS232串口進(jìn)行通信，借助溫室環(huán)境數據(光照度、LED光源板中央溫度)，構筑溫室光環(huán)境的監測與控制系統。

3 系統硬件設計
監測系統硬件主要由RS232串行通信接口電路、STC12C5A60S2控制器、LED陣列光源模塊、LED驅動(dòng)電路、DS18B20光源板溫度采集電路和TSL2561光照度參數采集電路等組成。為實(shí)現溫室光環(huán)境調控，需要實(shí)時(shí)自動(dòng)采集溫室光照度與LED溫度，反饋給控制器?？刂破鞲鶕O定值的照度，調節LED驅動(dòng)電路PWM的占空比，進(jìn)而調節流過(guò)LED的正向電流，使溫室光照度近似等于設定值，最終達到照度的調控。同時(shí)，控制器根據光源板反饋的溫度值與設定值比較，當溫度超過(guò)設定值時(shí)啟動(dòng)降溫風(fēng)扇。對于系統LED光環(huán)境調控的原理如圖2所示。

3．1 LED陣列光源板
理想情況下，單個(gè)LED光源的光強分布是觀(guān)察角度的余弦函數。實(shí)際上，由于封裝和芯片形狀的原因，LED的光強分布不是一個(gè)理想的余弦分布，該分布可以表示為式(1)，照度的實(shí)際近似分布應該為式(2)：

式(1)和(2)中，θ是觀(guān)察角，I0(單位：cd)表示法線(xiàn)方向上的最大光強，E0(單位：Lx)是軸向與LED距離為r處的照度值。m值為一常數(可查L(cháng)ED技術(shù)手冊)。