基于LED的設施農業(yè)智能補光系統

標簽：LED 照明 光源

引言

在農作物生長(cháng)過(guò)程中，光照條件對農作物的生長(cháng)速度、產(chǎn)量以及品質(zhì)都具有重要的影響[1，2]?，F階段我國大部分設施農業(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(jìn)行補光[3 - 4]，這些傳統的補光方法存在著(zhù)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)高導致難以在實(shí)際生產(chǎn)中形成較高投入產(chǎn)出比。隨著(zhù)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(wèn)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(guò)度并存的現象，仍未能真正意義上解決低能耗精準化補光的問(wèn)題[8]。

針對以上問(wèn)題，本文研發(fā)了一種智能、精確、節能的補光系統，該系統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?；诜植ǘ喂鈴姍z測技術(shù)、智能控制技術(shù)等現代電子信息技術(shù)，采用STC12C5A60S2 單片機作為核心處理器[9]，PT4115 為LED 驅動(dòng)模塊[10]，根據溫度和光強檢測結果，實(shí)現對各類(lèi)植物在合適環(huán)境下按需分波長(cháng)定量補光。在滿(mǎn)足其生長(cháng)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(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1 系統整體設計

本系統采用模塊化設計，分為電源模塊、檢測模塊、控制模塊、補光模塊、用戶(hù)交互模塊，總體結構如圖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)系統供電; 智能控制模應用STC 系列單片機為核心，根據系統采集到的數據、設置閾值，實(shí)現對應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(shí)時(shí)溫度，并將檢測信號進(jìn)行濾波、放大后傳入單片機，實(shí)現相關(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動(dòng)電路，分別控制紅、藍光LED補光陣列燈的亮度，從而實(shí)現定量精確補光; 用戶(hù)交互模塊采用液晶屏完成檢測結果顯示，鍵盤(pán)實(shí)現按需閾值修改等功能，完成閾值修改與設置，有效提高系統使用的方便性、擴展性。

2 硬件設計

2. 1 電源模塊

本系統電源模塊由太陽(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 及其外圍標準電路對12V蓄電池充電，蓄電池為整個(gè)系統供電。蓄電池輸出端利用MIC29302 穩壓變壓模塊輸出12V 穩壓電源信號，并調整匹配電阻產(chǎn)生5V 穩壓電源信號，從而提供本系統需要12V 和5V 兩個(gè)供電電源。其中，單片機、檢測模塊以及用戶(hù)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)存取內存1 280B、可編程只讀存儲器1K，完成節點(diǎn)任務(wù)調度、數據采集、智能管理、控制信號輸出、閾值的調整、數據轉儲等工作，電路如圖3 所示。其中，P0 口連接液晶屏的8 路數據口; 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測數據的采集;P2 口連接4 × 4 矩陣鍵盤(pán)，P3. 0，P3. 1 用于單片機與串口連接的數據讀寫(xiě)線(xiàn)，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(jìn)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(shí)時(shí)檢測設施內部光照強度和溫度，并將采集數據提供給單片機進(jìn)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 及其標準調理電路組成，數據線(xiàn)接入單片機P1. 0 口，實(shí)現對溫度的采集。光照檢測包括紅光光強檢測和藍光光強檢測，采用波長(cháng)范圍在400 ～ 500nm 的藍光2BU6 硅光電池和波長(cháng)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(jìn)行轉換和放大，最終將模擬信號接入單片機P1. 1，P1. 2 端口進(jìn)行A/D 轉換，從而實(shí)現分波段光強檢測。

圖、檢測模塊原理圖

2. 4 補光模塊

補光模塊包括LED 燈組及其驅動(dòng)電路，驅動(dòng)電路采用PT4115 驅動(dòng)模塊電路，紅光和藍光兩個(gè)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(cháng)為660nm 的窄帶紅光LED 陣列和中心波長(cháng)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，其中紅光驅動(dòng)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 的信號控制驅動(dòng)芯片PT4115 的輸出電流，由此實(shí)現LED 燈組的定量補光。

圖、補光模塊原理圖

2. 5 用戶(hù)交互模塊

用戶(hù)交互模塊主要包括液晶顯示屏和鍵盤(pán)兩部分，其中顯示屏采用OCM12864 - 3 液晶屏，可實(shí)現系統數據的查詢(xún)顯示; 而鍵盤(pán)采用4 × 4 矩陣鍵盤(pán)，實(shí)現對系統相關(guān)數據的設定及改變。

3 軟件設計

該系統軟件主要包括傳感器解析函數、數據管理與參數設定程序、PWM 信號控制程序和顯示程序，實(shí)現3 類(lèi)參數設置、環(huán)境因子采集以及對受控燈組的自動(dòng)控制功能，軟件流程如圖6 所示。系統工作時(shí)，首先需要對溫度，紅藍光強閾值進(jìn)行設置，溫度傳感器周期對設施內溫度監測，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，再分別對紅、藍光進(jìn)行光強檢測，實(shí)際光強在閾值之內時(shí)，系統進(jìn)入自動(dòng)定量補光狀態(tài)，根據所設閾值與實(shí)際值之差計算實(shí)際需光量，進(jìn)而再根據與實(shí)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(shí)施精確補光的目的。

4 運行結果分析

該系統充分考慮了植物補光時(shí)的各種影響因素，通過(guò)對各因素的監測、設置、數據管理和決策程序，精確計算植物所需光照與實(shí)際光照總體差值，采用均值方式計算每個(gè)LED 的輸出光強; 基于LED 驅動(dòng)電流和輸出光強的關(guān)系式，系統就可以通過(guò)對PWM 輸出電流的控制，從而實(shí)現對補光量的控制。該系統已于2010 年在西北農林科技大學(xué)甜瓜基地投入試用，實(shí)現了設計方案中各類(lèi)部分功能，可長(cháng)期有效實(shí)現定量精確補光，圖7 為設備原型界面。

圖、軟件流程圖

5 結論

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。該系統利用太陽(yáng)能供電，根據溫度、光照傳感器監測結果，通過(guò)核心處理器STC12C5A60S2 利用PWM 信號，控制特定波長(cháng)的紅、藍光兩路LED 燈組驅動(dòng)電流，從而控制光源亮度，解決現有補光設備的不足，實(shí)現了對農作物的智能化、精確化補光。系統試驗證明其具有良好的穩定性，可滿(mǎn)足在不同生長(cháng)階段對不同植物進(jìn)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(shí)，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(jiǎn)單等特點(diǎn)。