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設施農業(yè)LED智能系統論文
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，12V兩種供電電壓，為整個(gè)系統供電;智能控制模塊應用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。
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1280B、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。
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。
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。
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。
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)。
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