基于LED光源的植物智能補(bǔ)光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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羅斯瀚2，陳婷1，夏梓祥1，彭文1，王白娟1*
1．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)（昆明650201）；2．南京政治學(xué)院(南京210000)
摘要 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，植物對(duì)光照的需求越來越高。介紹了一種基于單片機(jī)、傳感器和CPRS遠(yuǎn)-4空制技術(shù)的三基色LED智能補(bǔ)光控制系統(tǒng)。根據(jù)操作人員對(duì)植物生長的光照需求的了解，按需控制系統(tǒng)的工作條件，滿足植物的補(bǔ)光需求，從而避免不同植物在不同生長階段以及不同地區(qū)補(bǔ)光不足或過度的問題。此外，此系統(tǒng)具有提高資源利用、準(zhǔn)確化、無污染、低耗能的特點(diǎn)。結(jié)果表明，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程人工管理和光強(qiáng)、系統(tǒng)溫濕度的查詢功能。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；CJPRS;傳感器：三基色LED;智能補(bǔ)光
光照是地球上各種生物生長發(fā)育的能量與信號(hào)的來源，動(dòng)植物的形態(tài)建成于新陳代謝過程與光照有著密切關(guān)系。長期以來在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素?zé)�、白熾燈等；這些光源的突出缺點(diǎn)是能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高、壽命短，光譜匹配不理想。因此，開發(fā)高光效節(jié)能光源是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域人工光植物栽培的重要課題。
隨著光電技術(shù)的發(fā)展，LED（Light emitting diode．發(fā)光二極管）研制成功，使得低能耗LED光源在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。單顆的紅光或藍(lán)光LED光源光照強(qiáng)度還不能滿足植物的生長發(fā)育，單色的紅光或藍(lán)光LED組合又不能完全滿足植物對(duì)光的需求，但LED組合光源能克服光強(qiáng)不足和光色單一的缺點(diǎn)，成為植物利用比較高的光源。多年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞
LED光源在植物照明領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了不懈的探索，取得了重要進(jìn)展。首先，就紅藍(lán)光及其組合光源對(duì)植物生長發(fā)育的影響進(jìn)行了研究，充分證明了紅藍(lán)光作為光源栽培植物的可行性。Tanaka等利用LED進(jìn)行植物栽培，結(jié)果表明，占空比達(dá)25%—50%時(shí)，可加速植物生長，復(fù)合光質(zhì)比單一光質(zhì)更適合植物生長，可以正常培育植物。到目前為止，LED已成功用于植物的栽培，并在植物補(bǔ)光、組培、植物工廠以及航天航空領(lǐng)域取得重要進(jìn)展．
系統(tǒng)根據(jù)不同植物在不同生長階段的光照需求，結(jié)合光的三基色原理設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)光控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上引入GPRS遠(yuǎn)程控制技術(shù)，利用C8051F350 MCU與CPRS模塊SIM300通過UARTS實(shí)現(xiàn)通信，由手機(jī)發(fā)送控制命令，控制單片機(jī)PWM輸出功能調(diào)節(jié)其占空比，控制基于三基色原理的LED光源的光照強(qiáng)度；通過I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)MCU與溫度傳感器SHT11、光強(qiáng)傳感器ISL29020的通信，實(shí)時(shí)查詢溫濕度及光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)智能化補(bǔ)光和實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1 系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)由六個(gè)子模塊構(gòu)成：分別是MCU主控模塊、GPRS模塊、傳感器模塊、電源模塊、LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊和三基色LED光源，如圖1。電源模塊分別產(chǎn)生4.0和3.3 V的穩(wěn)壓直流電給其他模塊供電。
1.1功能模塊介紹
1.1.1單片機(jī)控制模塊
控制系統(tǒng)使用的單片機(jī)是C8051F350。MCU通過UART（MCU-RX和MCU-TX）與GPRS模塊SIM300進(jìn)行通信，其中MCU-RX、MCU-TX分別對(duì)應(yīng)MCU的P0.5管腳和P0.4管腳。MCU主控模塊的電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。
1.1.2 GPRS通信模塊
系統(tǒng)使用GPRS SIM300無線模塊。其內(nèi)部集成了TC P/IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了TCP/IP/AT指令，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得非常簡單方便。通過對(duì)串口傳送過來的命令進(jìn)行調(diào)制，并將控制命令和采集到的數(shù)據(jù)打包成短信，通過CPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)用戶端與LED光源雙向通信，電路原理圖如圖3。
1.1.3傳感器模塊
SHTxx系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。
ISL29020具有其他產(chǎn)品無法匹敵的性能、寬動(dòng)態(tài)范圍、最佳的光譜響應(yīng)，低光照條件下的靈敏度(<0.015 l u x)、以及最佳的紅外和紫外抑制等特點(diǎn)。
系統(tǒng)利用溫濕度傳感器SHT11和光數(shù)字傳感器ISL29020采集LED光源的系統(tǒng)溫濕度和光照強(qiáng)度。通過I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器與C8051F350之間的通信，將其采集到的數(shù)據(jù)交由MCU處理，最后將溫濕度及光強(qiáng)信息以短信形式發(fā)送給用戶端。電路圖如圖4。
1.1.4電源模塊
電源模塊是利用直流穩(wěn)壓芯片NCP1117-3.3和LM317將固定的12 V穩(wěn)壓直流電分別轉(zhuǎn)化為3.3和4V，給MCU和GPRS模塊SIM300供電（電路如圖5）。
1.1.5 LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊
LED驅(qū)動(dòng)電路分為恒流型和恒壓型。由于LED正向壓降的任何變化都會(huì)導(dǎo)致流過LED電流的變化，從而影響亮度的變化。因此，為了消除LED正向壓降變化導(dǎo)致的電流變化，相對(duì)于恒壓驅(qū)動(dòng)器而言，恒流驅(qū)動(dòng)器是更好的選擇。系統(tǒng)所采用的驅(qū)動(dòng)電路是基于NUD4001的三路恒流驅(qū)動(dòng)電路（圖6）。
1.1.6三基色LED光源
系統(tǒng)使用的是低能耗、壽命長、無污染的新型節(jié)能LED光源，并根據(jù)光的三基色原理設(shè)計(jì)了一款三基色LED光源。
三基色是指紅、綠、藍(lán)三色。人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)最為敏感，大多數(shù)的顏色可以通過紅、綠、藍(lán)三色按照不同的比例合成產(chǎn)生。同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅綠藍(lán)三種色光。這是色度學(xué)的最基本原理，即三基色原理。紅綠藍(lán)三基色按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色，可根據(jù)需要相加相減調(diào)配顏色。
1.2軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用的開發(fā)環(huán)境為Kei14，使用C語言編程。利用單片機(jī)C8051F350與SIM300進(jìn)行通信。對(duì)C8051F350和SIM300進(jìn)行初始化（讀模塊的地址、合成相應(yīng)的指令等），然后MCU通過UART傳輸協(xié)議來讀取存在SIM300中的命令。由手機(jī)發(fā)送控制命令，MCU接收命令并輸出PWM方波，控制LED光源亮度及顏色，并返回相關(guān)數(shù)據(jù)到用戶�；贑8051F350單片機(jī)的下位機(jī)程序總構(gòu)架如圖7。
2功能實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能有：對(duì)植物的按需補(bǔ)光、實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)工作狀態(tài)（溫濕度和光照強(qiáng)度）。不同用戶根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置系統(tǒng)基本情況：設(shè)置特定電話號(hào)碼以獲取信息、短信接受。系統(tǒng)根據(jù)短信控制驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM方波，從而控制三基色LED光源的工作狀態(tài)，滿足植物的光照需求，避免不同植物在不同生長階段以及不同地區(qū)補(bǔ)光不足或過度的問題，以及提高資源利用率，達(dá)到準(zhǔn)確化、無污染、低耗能的特點(diǎn)。此外，系統(tǒng)可以發(fā)送查詢信息命令查詢?nèi)獿ED光源和系統(tǒng)的工作狀態(tài)（溫度、濕度和光照強(qiáng)度），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人工管理。
試驗(yàn)結(jié)果表明，由于植物在不同生長階段的光照需求不同，自然光往往不能滿足其需求而導(dǎo)致植物光合作用弱，所以當(dāng)自然光照條件不能滿足其最優(yōu)的光合作用時(shí)要進(jìn)行智能補(bǔ)光（如圖8和圖9所示）。
3結(jié)語
設(shè)計(jì)了一種基于C8051F350單片機(jī)的植物補(bǔ)光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了植物的按需、定量補(bǔ)光方式。設(shè)計(jì)采用的PWM補(bǔ)光控制模式中，其輸出光照度正比于能量消耗。因此，在滿足植物生長所需光照前提下，最大程度的提高了輸出光能的利用率，滿足了不同植物在不同生長階段、不同生長環(huán)境中智能化、精確化的補(bǔ)光要求。同時(shí)，系統(tǒng)具有操作簡單易懂、靈活性好、成本低、反應(yīng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者既能提高經(jīng)濟(jì)效益又能提高其生產(chǎn)的積極性，促進(jìn)溫室大棚技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。此外，LED在食品方面有著相當(dāng)不錯(cuò)的應(yīng)用前景：(1) LED在食品照明中的應(yīng)用，德國研究人員研發(fā)出了新型超高亮度LED食品均勻照明技術(shù)，該技術(shù)對(duì)LED照明與反射技術(shù)進(jìn)行了集成，將很好解決食品照明問題；(2) LED在食品安全中的應(yīng)用，廣州市明美光電技術(shù)有限公司研發(fā)了紫外LED熒光顯微鏡，該設(shè)備能快速檢測(cè)方便面中熒光劑的存在；(3) LED在冰箱農(nóng)藥降解方面的應(yīng)用。“凡帝羅”系列冰箱采用UV LED農(nóng)藥降解，有效殺死冰箱內(nèi)空氣以及食品表面的細(xì)菌、農(nóng)藥殘留，還原食物本來的健康狀態(tài)。因此，隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED在現(xiàn)代市場(chǎng)中將占有不可忽略的地位。
