基于LED光源的温室光环境监测与控制系统设计

0 引言
    LED作为新一代光源，除了环保节能的特点外，相较于目前农业领域常用的荧光灯或高压钠灯等人工光源，具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等优点，对封闭有环控的农业生产环境，如植物组织培养室等是一种非常适合的人工光源。对温室中植物生长的光环境参数准确监测及控制非常重要，为了实现对光环境参数的准确检测及智能控制，在做了需求分析的基础上，提出并设计了一种基于LED光源的温室光环境监测与控制系统(以下简称“监测与控制系统”)设计方案。该系统能够完成对其光环境准确监测与控制。

1 监控需求分析
    LED理想的工作温度通常为25℃。在该温度时，发光强度具有最大值。温度升高，则导通电流将相应地增加。过热的短期影响是颜色漂移，这种颜色漂移是不可逆的。过热的长期影响是发光强度和LED寿命的永久降低。针对为满足温室光环境参数进行监测与控制的需求，结合植物对LED光源的光合作用的关系，经过分析得到光环境监测与控制的主要参数：LED光源的光照度信号、光源板中央温度等信号。要想完成信号的监测与控制，要从三个方面入手：首先该监测与控制系统应能采集处于各种状况的输入参数，并检测系统的输出信号，判断出温室在各种状态下是否按要求工作；其次，应能将检测的数据与PC机通信；再次，还应具有将数据显示和存储，并将数据处理后控制温室光环境的功能。

2 总体设计
    本监测与控制系统结构如图1所示，系统主要由上位机、MCU数据采集单元及执行机构3部分组成，在对温室光环境参数的监测过程中，通过各传感器对温室内光源板温度和光照度等参数进行实时检测，监测各参数是否正常。采集的数据经转换后送入单片机，完成数据采集：STC12C5A60S2单片机为核心控制器，PC机与Labview软件作为监控模块，两者通过RS232串口进行通信，借助温室环境数据(光照度、LED光源板中央温度)，构筑温室光环境的监测与控制系统。

3 系统硬件设计
    监测系统硬件主要由RS232串行通信接口电路、STC12C5A60S2控制器、LED阵列光源模块、LED驱动电路、DS18B20光源板温度采集电路和TSL2561光照度参数采集电路等组成。为实现温室光环境调控，需要实时自动采集温室光照度与LED温度，反馈给控制器。控制器根据设定值的照度，调节LED驱动电路PWM的占空比，进而调节流过LED的正向电流，使温室光照度近似等于设定值，最终达到照度的调控。同时，控制器根据光源板反馈的温度值与设定值比较，当温度超过设定值时启动降温风扇。对于系统LED光环境调控的原理如图2所示。

3．1 LED阵列光源板
    理想情况下，单个LED光源的光强分布是观察角度的余弦函数。实际上，由于封装和芯片形状的原因，LED的光强分布不是一个理想的余弦分布，该分布可以表示为式(1)，照度的实际近似分布应该为式(2)：
   
    式(1)和(2)中，θ是观察角，I0(单位：cd)表示法线方向上的最大光强，E0(单位：Lx)是轴向与LED距离为r处的照度值。m值为一常数(可查LED技术手册)。
    LED阵列的照度是以多个LED照度线性叠加的方法得到的照度。在坐标系(x，y，z)下修改照度公式(2)，设目标和光源距离为z，单个LED在空间的光照度E可用式(3)表示。
   
    在由两个LED组成的阵列情况下，如果LED间距为d，目标面上的照度如式(4)所示。
   
    当z=1 cm，m=81时，代入式(5)可得dmax=0．218cm。为保证光照度较为均匀，两个LED之间距离d的最大值为0．218cm。因此，LED阵列光源设计可以选择这个值作为各LED之间的距离，可由多个LED组合为方形阵列，完成较为均匀的光源设计。
3．2 光照度与光源板中心温度检测电路
    本文检测电路运用TSL2561光传感芯片与DS18B20温度传感器，完成对光照度和光源中心温度的数据采集。硬件电路如图3所示。

    TSL2561是一种光强度传感器芯片，它具有数字式输出端口和标准I2C总线接口，涵盖1～70000Lx的宽照度范围。其内部通道0和通道1是两个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。积分式A／D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。当转换完成后，从通道0寄存器和通道1寄存器读取相应的值CH0和CH1计算光照度Lx。
    DS18B20是一种温度传感器，内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL配置寄存器。DS1 8B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0．0625℃／LSB形式表达，其中S为符号位。根据DS18B20的通讯协议，单片机严格按照DS18B20的时序进行控制，可完成光源板中心温度的测量。
3．3 LED驱动电路
    LED光源流明效率(ηe)是指输入每瓦电功率所产生的流明光通，计量单位1m／W，计算公式如式(6)所示：
   
    式中：ηe是流明效率，φ1um是光通量，U是LED正向电压，I是LED正向电流。
    照度(E)是指1流明的光通量均匀分布在1m2表面上所产生的光照度，单位为勒克斯(Lx)，计算公式如式(7)所示：

    可见，LED的亮度几乎和它的驱动电流直接成正比关系，可以通过调整正向驱动电流的大小来调整LED的亮度。

    LED阵列采用恒流驱动方式，LED可获得恒定的颜色输出。系统选择PT4115恒流驱动芯片，驱动电路如图4所示。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，它具有直流8V到30V的较宽输入电压范围，击穿电压大于45V，输出200～1200mA恒定直流，可满足驱动点亮N颗串并联的小功率LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0．3V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。LED的最大平均电流由连接在VIN和CSN两端的电阻RS决定，通过在DIM管脚加入可变占空比的PWM信号可以调小输出电流以实现调光，计算方法如式(9)所示：
   
    式中，D是PWM的占空比，Vpilse为PWM的高电平值，Rs为限流电阻。
3．4 控制器算法设计及实现
    STC12C5A60S2作主控制器，该芯片自带两路PWM控制器、两个定时器、十位AD转换器等。系统光照度调整使用增量式的PID算法，根据变换量按比例调整PWM定时器CCAP1L、CCAP1H的值，输出不同占空比的PWM信号调节LED的照度。其中PID如式(10)
     △uk=Aek-Bek-1+Cek-2                (10)
    式中：△uk为控制量的增量；k为采样序号；ek为第k次采样的输入偏差值：ek-1为第k-1次采样的输入偏差值。
    光照度调整分两种状态：1)如果当前值小于输入的设定值，则PWM波形占空比增加，输出光照度增大，直到输出值等于设定值。2)如果输出值大于或等于设定值，则PWM输出占空比减小，输出光照度减小，直到输出值等于设定值。通过不断的检测与调整，让光照度保持恒定。
     LED光源板的温度通过温度传感器检测，当检测温度高于设定温度时，启动降温风扇。当检测温度低于或等于设定温度时，停止降温风扇。
4 系统软件设计
4．1 上位机软件设计
    本监测系统的软件采用Labview编程，Labview是专为数据采集、仪器控制、数据分析与数据表达的图形化编程环境，它是一个开放的开发环境，具有PCI、RS-232／485、USB等各种仪器通讯总线标准的所有功能函数，可以利用这些函数与不同总线标准接口的数据采集硬件交互工作。本系统采用NI VISA串口Serial函数来访问和控制串口，从而实现串口通信功能。首先，利用VISA Con2figureSerial Port．vi进行串口初始化，然后利用VISA write．vi向写缓冲区发送数据读取指令，最后利用VISAread．vi以字符串形式读取数据缓冲区的8位二进制数，并利用HexadecimalString To Number节点将8位字符串数据转变成数字型数据，提供给控制电路。图5为上位机Labview软件握手协议子VI程序
部分框图。

    上位机软件完成如下功能：初始化系统；根据温室控制要求向下位机发送控制指令；控制串口和下位机的收发；判断下位机数据采集状态并发送相应控制指令；读取和解析来自下位机的数据；显示实时或非实时数据；保存数据；根据环境需求控制系统状态。图6为上位机软件流程图。
4．2 下位机软件设计
    下位机软件采用C51语言编写。完成的功能有：根据上位机控制指令控制下位机的光环境参数采集、环境参数的给定值；向上位机发送环境参数；根据环境参数与设定值调控光环境。下位机软件流程如图7所示。

5 实验应用
    本系统用于简易温室光照度的测试。在进行测试时，首先运行监测应用软件，初始化后，通过完成检测设置和通信配置等相关设置，然后通过点击主程序界面的相应模块检测按钮进行相应的测试，其中上位机发送控制命令字，然后接收下位机发回的数据；并将结果进行显示，2串串并联1W红光阵列光源光照度测试的数据如表1所示。实验结果表明，温室照度稳定在设定值左右，调光系统基本维持设定照度的稳定。

6 结论
    本文设计的LED光源环境监测与控制系统，既可对温室环境参数进行实时的采集与显示，又可实现数据的远程控制，能够满足系统的监测与控制需求。本测试系统已在简易温室系统进行测试，实际应用表明，其具有检测准确、稳定可靠、人机界面友好等特点，达到了设计要求。而且系统扩展后可运用于多个光源板工作站的远程数据监测与测控。