基于LED的设施农业智能补光系统

引言

在农作物生长过程中，光照条件对农作物的生长速度、产量以及品质都具有重要的影响[1，2]。现阶段我国大部分设施农业仍依靠白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯等作为光源对植物进行补光[3 - 4]，这些传统的补光方法存在着光谱匹配不理想[5 - 6]、光能利用率低、未考虑其他环境因素的影响等缺点，其能耗过高导致难以在实际生产中形成较高投入产出比。随着半导体技术的发展，采用LED冷光源作为补光灯光源的方案也已被提出[7]，可在一定程度解决上述补光光源的问题。但由于大部分研发方案和产品仍采用定光强、定光质的补光方式，未考虑不同植物不同阶段需光量的差异，造成补光不足和补光过度并存的现象，仍未能真正意义上解决低能耗精准化补光的问题[8]。

针对以上问题，本文研发了一种智能、精确、节能的补光系统，该系统充分考虑不同植物在不同阶段不同环境对补光需光量的影响。基于分波段光强检测技术、智能控制技术等现代电子信息技术，采用STC12C5A60S2 单片机作为核心处理器[9]，PT4115 为LED 驱动模块[10]，根据温度和光强检测结果，实现对各类植物在合适环境下按需分波长定量补光。在满足其生长所需光照前提下，最大程度的提高输出光能的利用率，具有误差低、响应速度快、成本低、维护简单等特点。

1 系统整体设计

本系统采用模块化设计，分为电源模块、检测模块、控制模块、补光模块、用户交互模块，总体结构如图1 所示。其中，电源模块采用太阳能供电，分别提供5V，1 2V 两种供电电压，为整个系统供电; 智能控制模应用STC 系列单片机为核心，根据系统采集到的数据、设置阈值，实现对应PWM 控制信号的占空比计算和两路PWM 控制信号输出; 检测模块分波段检测红、蓝光强和实时温度，并将检测信号进行滤波、放大后传入单片机，实现相关环境信息的检测; 补光模块采用两路带有PWM 电流控制功能的恒流驱动电路，分别控制红、蓝光LED补光阵列灯的亮度，从而实现定量精确补光; 用户交互模块采用液晶屏完成检测结果显示，键盘实现按需阈值修改等功能，完成阈值修改与设置，有效提高系统使用的方便性、扩展性。

2 硬件设计

2. 1 电源模块

本系统电源模块由太阳能电池板、蓄电池和控制电路组成，整个系统利用太阳能电池供电，原理图如图2 所示。其中，控制电路的输入端与太阳能电池连接，输入电压通过LM317 及其外围标准电路对12V蓄电池充电，蓄电池为整个系统供电。蓄电池输出端利用MIC29302 稳压变压模块输出12V 稳压电源信号，并调整匹配电阻产生5V 稳压电源信号，从而提供本系统需要12V 和5V 两个供电电源。其中，单片机、检测模块以及用户交互模块均使用5V 电源供电，LED 补光模块采用12V 电源供电。

图1、电源模块原理图

2. 2 控制模块

控制模块选用STC12C5A60S2 单片机作为核心处理器，采用5V 电源供电，具有8 路10 位A/D 接口、2 路PWM 输出口、Flash 存储空间56K、静态存取内存1 280B、可编程只读存储器1K，完成节点任务调度、数据采集、智能管理、控制信号输出、阈值的调整、数据转储等工作，电路如图3 所示。其中，P0 口连接液晶屏的8 路数据口; P1 口负责与采样信号连接，P1. 0 接入温度检测信号、P1. 1 接入红光检测信号、P1. 2 接入蓝光检测信号，从而完成对传感器监测数据的采集;P2 口连接4 × 4 矩阵键盘，P3. 0，P3. 1 用于单片机与串口连接的数据读写线，完成程序的下载; P3. 2 ～ P3.7 位液晶控制端; P4. 2，P4. 3 为单片机PWM 控制端输出口，其根据单片机计算出与两波段所需补光量对应的PWM 信号占空比，输出PWM 信号对LED 灯组的亮度进行控制。

图：控制模块电路设计

2. 3 检测模块

检测模块利用光照传感器、温度传感器实时检测设施内部光照强度和温度，并将采集数据提供给单片机进行处理，原理图如图4 所示。其中，温度检测模块由温度传感器18B20 及其标准调理电路组成，数据线接入单片机P1. 0 口，实现对温度的采集。光照检测包括红光光强检测和蓝光光强检测，采用波长范围在400 ～ 500nm 的蓝光2BU6 硅光电池和波长范围600 ～ 700nm 的红光2BU6 硅光电池作为检测元件。采用4 路运算放大器LM324 设计运算放大器将硅光电池的微弱模拟信号分别进行转换和放大，最终将模拟信号接入单片机P1. 1，P1. 2 端口进行A/D 转换，从而实现分波段光强检测。

图、检测模块原理图

2. 4 补光模块

补光模块包括LED 灯组及其驱动电路，驱动电路采用PT4115 驱动模块电路，红光和蓝光两个模块独立工作，原理图如图5 所示。其中，LED 灯组采用额定功率1W、中心波长为660nm 的窄带红光LED 阵列和中心波长为450nm 的窄带蓝光LED 阵列。由单片机输出的两路PWM 信号分别与红蓝光两路PT4115的DIM 控制端相连，其中红光驱动芯片与P4. 2 产生的PWM 信号接通，蓝光则与P4. 3 产生的PWM 信号接通。利用PWM 的信号控制驱动芯片PT4115 的输出电流，由此实现LED 灯组的定量补光。

图、补光模块原理图

2. 5 用户交互模块

用户交互模块主要包括液晶显示屏和键盘两部分，其中显示屏采用OCM12864 - 3 液晶屏，可实现系统数据的查询显示; 而键盘采用4 × 4 矩阵键盘，实现对系统相关数据的设定及改变。

3 软件设计

该系统软件主要包括传感器解析函数、数据管理与参数设定程序、PWM 信号控制程序和显示程序，实现3 类参数设置、环境因子采集以及对受控灯组的自动控制功能，软件流程如图6 所示。系统工作时，首先需要对温度，红蓝光强阈值进行设置，温度传感器周期对设施内温度监测，判断温度是否超出不利于光合作用的阈值范围，超出则关断 LED 补光灯组。当温度在所设阈值范围内，再分别对红、蓝光进行光强检测，实际光强在阈值之内时，系统进入自动定量补光状态，根据所设阈值与实际值之差计算实际需光量，进而再根据与实际需光量对应的两路PWM 控制信号的占空比，分别产生对应的PWM 信号，达到控制LED 灯的亮度对植物实施精确补光的目的。

4 运行结果分析

该系统充分考虑了植物补光时的各种影响因素，通过对各因素的监测、设置、数据管理和决策程序，精确计算植物所需光照与实际光照总体差值，采用均值方式计算每个LED 的输出光强; 基于LED 驱动电流和输出光强的关系式，系统就可以通过对PWM 输出电流的控制，从而实现对补光量的控制。该系统已于2010 年在西北农林科技大学甜瓜基地投入试用，实现了设计方案中各类部分功能，可长期有效实现定量精确补光，图7 为设备原型界面。

图、软件流程图

5 结论

本文研发了一种基于STC12C5A60S2 单片机的植物智能精确补光系统。该系统利用太阳能供电，根据温度、光照传感器监测结果，通过核心处理器STC12C5A60S2 利用PWM 信号，控制特定波长的红、蓝光两路LED 灯组驱动电流，从而控制光源亮度，解决现有补光设备的不足，实现了对农作物的智能化、精确化补光。系统试验证明其具有良好的稳定性，可满足在不同生长阶段对不同植物进行智能化、精确化的补光要求，作物产品产量、品质提高，耗能明显降低。同时，具有误差低、响应速度快、使用方便、部署灵活、成本低廉、维护简单等特点。