趙 杰 榮 ，　李 永 濤，　李 悠 然，　蔡 東 寧，　曹　 帆，　鄒 念 育，　王 金 鵬

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連　116034；2.江蘇太古可口可樂(lè)飲料有限公司, 江蘇 南京　210007 )

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基于單片機(jī)的LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)

趙 杰 榮1，李 永 濤1，李 悠 然1，蔡 東 寧2，曹 帆1，鄒 念 育1，王 金 鵬1

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連116034；2.江蘇太古可口可樂(lè)飲料有限公司, 江蘇 南京210007 )

為實(shí)現(xiàn)在植物不同生長(zhǎng)階段按需精確定量補(bǔ)光，提出一種考慮植物不同生長(zhǎng)期所需光質(zhì)不同的LED補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境中不同光質(zhì)的光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)算法精確計(jì)算作物實(shí)際需要的補(bǔ)光量，并以PWM調(diào)光方式控制通過(guò)LED的電流進(jìn)而調(diào)控紅、藍(lán)LED植物補(bǔ)光燈的亮度。該補(bǔ)光系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)為植物提供最適合的光照條件的目標(biāo)，不存在光源浪費(fèi)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能化精確補(bǔ)光。

植物照明；LED；單片機(jī)；PWM調(diào)光；選擇性補(bǔ)光

0　引　言

光照影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的整個(gè)生命階段，是影響光合作用的重要因素之一。新型LED光源具有能效高、顯色性?xún)?yōu)良、更換周期長(zhǎng)、體積小、發(fā)熱低等諸多優(yōu)點(diǎn)。LED光源在植物栽培領(lǐng)域?qū)⒅饾u代替?zhèn)鹘y(tǒng)植物燈[1]。LED與目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常用的熒光燈或高壓鈉燈等人工光源相比較，具有生物能效高、提高植物栽培密度、節(jié)能效果顯著的優(yōu)點(diǎn)[2]，對(duì)環(huán)境相對(duì)封閉的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，如溫室、大棚等是一種非常適合的人工光源[3]。但現(xiàn)有的植物照明研發(fā)產(chǎn)品采用的光配比多為恒定模式，光譜單一，與植物的光合作用吸收光譜不匹配，且多采用連續(xù)照射方式，未能對(duì)光質(zhì)、光周期和光密度進(jìn)行精確地按需調(diào)整。由于現(xiàn)有產(chǎn)品沒(méi)有考慮不同植物在不同生長(zhǎng)階段所需要補(bǔ)光光量具有差異的問(wèn)題，造成補(bǔ)光不足和補(bǔ)光過(guò)度并存的現(xiàn)象[4]，能耗大、光源浪費(fèi)的問(wèn)題仍未能真正解決[5]。

研究表明，對(duì)植物光合作用有重大影響的主要是400～500 nm的藍(lán)光和600～700 nm 的紅光[6]。植物光合作用吸收光譜的主要波段是波長(zhǎng)600～650 nm的紅光部分和波長(zhǎng)為400～460 nm 的藍(lán)光部分[7]。不同波長(zhǎng)的紅光和藍(lán)光對(duì)植物生長(zhǎng)的影響結(jié)果不同。對(duì)植物進(jìn)行適量的藍(lán)光照射，有利于葉的生長(zhǎng)；對(duì)植物進(jìn)行適量紅光照射，促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)[8]。紅光與藍(lán)光過(guò)多會(huì)分別引起植物變矮和黃化[9]。因此，合適的光配比是種植高品質(zhì)農(nóng)作物的必要條件[10-11]。

本文在分析植物生長(zhǎng)發(fā)育必備條件——光的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)光能利用率提升、能耗降低的目標(biāo)，提出光質(zhì)按需精確可調(diào)的補(bǔ)光方法，并設(shè)計(jì)一套基于OT(分波段光強(qiáng)檢測(cè)技術(shù))[12]、TS(溫度傳感技術(shù))[13]和IC(智能控制技術(shù))[14]等現(xiàn)代電子科技信息技術(shù)的LED補(bǔ)光系統(tǒng)[15]，該系統(tǒng)所用核心處理器為單片機(jī)，單片機(jī)型號(hào)為STC12C5A60S2，LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊為PT4115[16]，根據(jù)傳感器所采集的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行判斷，利用PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)控制LED的電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的按需補(bǔ)光，以滿(mǎn)足植物在不同階段對(duì)補(bǔ)光量的需求，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

1　補(bǔ)光模式

在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中，光不僅是能源，也是一種信號(hào)。光是光合作用中的能量供應(yīng)者，也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的信號(hào)燈。植物的光照條件影響植物的隱花色素、光敏素，這些色素直接影響植物的生長(zhǎng)和分化，所以調(diào)節(jié)植物的光形態(tài)建成可通過(guò)改變光配比實(shí)現(xiàn)。對(duì)植株照射590～700 nm的紅光，可減小節(jié)間長(zhǎng)度，降低植株高度，其原因是植物體內(nèi)赤霉素的含量影響植株的生長(zhǎng)，而紅光是影響赤霉素含量的重要因素；因此光配比已成為控制植株形態(tài)的一個(gè)重要因子。在自然界中，季節(jié)不同，天氣不同，光強(qiáng)與光密度不同。冬季與春季相對(duì)其他季節(jié)光照弱，陰天雨天比晴天光照弱，不同的植物對(duì)光強(qiáng)的需求也不同，陰性植物需 500～3 000 lx，中性植物需 3 000～30 000 lx，陽(yáng)性植物則需光照大于30 000 lx。

不同光合色素在光合作用中的吸收光譜峰值不同，紅光的吸收峰值在 625～670 nm，藍(lán)光吸收峰值在 420～470 nm，包含了不同作物的不同吸收光譜峰值，因此選擇峰值波長(zhǎng)分別為660和450 nm的LED作為紅光與藍(lán)光補(bǔ)光光源[6]。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控植物生長(zhǎng)光環(huán)境，通過(guò)光照傳感器監(jiān)測(cè)400～500和600～700 nm兩個(gè)波段的光照強(qiáng)度；同時(shí)加入溫度檢測(cè)模塊，模塊即溫度傳感器，采集溫度數(shù)據(jù)判斷是否可以進(jìn)行補(bǔ)光，此種方法可提高光源利用率，防止由于溫度過(guò)高或過(guò)低引起補(bǔ)光過(guò)度，對(duì)植株造成傷害。

不同波段的光照對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育影響不同，植物實(shí)際所需的光強(qiáng)和光配比在不同生長(zhǎng)時(shí)期是不同的，光質(zhì)與光強(qiáng)恒定的補(bǔ)光模式不能滿(mǎn)足植物各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的需求。在補(bǔ)光環(huán)境中，光補(bǔ)償點(diǎn)與光飽和點(diǎn)是影響植物生長(zhǎng)的重要因素，不同階段農(nóng)作物的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)不同，光強(qiáng)低于或超過(guò)光飽和點(diǎn)，會(huì)造成補(bǔ)光不足或補(bǔ)光過(guò)量，并且造成無(wú)效消耗和光脅迫[7]。本文提出考慮植物不同生長(zhǎng)期所需光質(zhì)不同的LED補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，用戶(hù)可根據(jù)植株不同階段的光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)設(shè)置不同光質(zhì)與光密度，并通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)得到的當(dāng)前值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值計(jì)算下一周期植物所需的補(bǔ)光量，實(shí)現(xiàn)植物的按需補(bǔ)光。

2　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體分為5個(gè)模塊，分別是電源模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊、補(bǔ)光模塊、用戶(hù)模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中電源模塊采用蓄電池供電模式，紅光檢測(cè)模塊與藍(lán)光檢測(cè)模塊采用3 V供電；蓄電池將5 V電壓供給溫度檢測(cè)、蜂鳴器、指示燈、顯示模塊四個(gè)部分；控制模塊的核心為STC單片機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)中傳感器實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)以及預(yù)設(shè)極限值，由此計(jì)算得出PWM信號(hào)實(shí)際輸出的占空比； 檢測(cè)模塊的工作模式：首先紅藍(lán)光光強(qiáng)傳感器和溫度傳感器分別檢測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)和實(shí)時(shí)溫度，并將檢測(cè)結(jié)果以電信號(hào)形式進(jìn)行濾波、放大后輸入控制器，實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)環(huán)境中各項(xiàng)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)；補(bǔ)光模塊采用LED 補(bǔ)光燈組，補(bǔ)光燈組由兩路具有電流控制功能的PWM恒流驅(qū)動(dòng)電路控制，PWM電信號(hào)控制LED燈組的光強(qiáng)即燈的亮度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的按需精確補(bǔ)光； 顯示模塊采用LCD(液晶顯示屏)展示檢測(cè)結(jié)果中的數(shù)據(jù)，用戶(hù)可按需求在鍵盤(pán)上修改系統(tǒng)中預(yù)設(shè)值。

圖1　控制模塊原理圖

3　硬件設(shè)計(jì)

3.1控制模塊

采用STC12C5A60S2作為核心處理器，內(nèi)部具有專(zhuān)用復(fù)位電路和晶振時(shí)鐘電路，具有2路PWM輸出口、4個(gè)16 b定時(shí)器、8路10 b A/D轉(zhuǎn)換、56 kB Flash存儲(chǔ)空間、集成1 280 B RAM。信息采集與處理、預(yù)設(shè)值調(diào)整、系統(tǒng)智能控制等工作都是在核心處理器的基礎(chǔ)上完成，電路如圖2所示。核心處理器的引腳說(shuō)明如表1所示。

圖2　控制模塊原理圖

表1　引腳說(shuō)明

3.2光照檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊包括兩個(gè)部分：光照傳感器與溫度傳感器。光照傳感器進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)，光照檢測(cè)包括紅光和藍(lán)光光強(qiáng)檢測(cè)，采用濾光范圍在400～500和600～700 nm的濾光片對(duì)補(bǔ)光燈組光質(zhì)進(jìn)行處理，然后用ISL29010光照傳感器對(duì)經(jīng)過(guò)處理的紅藍(lán)光進(jìn)行檢測(cè)，傳感器檢測(cè)完成后將信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)。光照傳感器連接單片機(jī)的P1.6、P1.7口，完成兩個(gè)波段的光照檢測(cè)，并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，原理圖如圖3所示。

圖3　檢測(cè)模塊原理圖

3.3驅(qū)動(dòng)電路模塊

為了LED補(bǔ)光燈組有恒定的顏色輸出，LED 補(bǔ)光燈組采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)方式。所選用芯片為PT4115，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。PT4115是降壓恒流源，工作時(shí)連續(xù)電感電流導(dǎo)通，電壓范圍是6～30 V，輸出電流可調(diào)，最大可達(dá) 1.2 A，可同時(shí)滿(mǎn)足多顆LED串并聯(lián)的電路。DIM引腳的作用是實(shí)現(xiàn)范圍較寬的PWM調(diào)光，此引腳也可實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光。限流電阻R決定LED的最大平均電流，連接在VIN和CSN兩端。通過(guò)在DIM引腳加入占空比可調(diào)的PWM信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)LED的輸出電流以達(dá)到調(diào)光目的，可通過(guò)公式Iout=0.1D/R計(jì)算，式中D是PWM的占空比。

圖4　驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

3.4報(bào)警指示燈及鍵盤(pán)模塊

系統(tǒng)中檢測(cè)報(bào)警指示模塊的工作模式是通過(guò)計(jì)算相鄰兩次光照度的幅度變化，并與PWM輸出變化對(duì)比，由此判斷LED補(bǔ)光燈組是否正常工作。系統(tǒng)非正常工作情況下，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)異常，單片機(jī)輸出報(bào)警電信號(hào)，啟動(dòng)蜂鳴器響及預(yù)警燈亮，實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。用戶(hù)交互模塊主要包括顯示屏和鍵盤(pán)，顯示屏顯示傳感器測(cè)得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示。在進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)設(shè)值設(shè)置時(shí)，可在矩陣鍵盤(pán)上進(jìn)行操作。

3.5系統(tǒng)軟件

由于農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)階段，光合作用的有效溫度是不同的，用戶(hù)可自行設(shè)置補(bǔ)光溫度范圍，系統(tǒng)以恒定的時(shí)間間隔進(jìn)行溫度采集，軟件流程圖5所示。系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，首先進(jìn)行溫度采集，若植物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度超出上述補(bǔ)光溫度范圍，則不可進(jìn)行補(bǔ)光操作；在光補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)之間選擇合適的值作為紅藍(lán)光目標(biāo)光照度預(yù)設(shè)值范圍，系統(tǒng)工作過(guò)程中判斷采集到的光照數(shù)據(jù)是否在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，若超出范圍則關(guān)閉補(bǔ)光燈組。如果植物生長(zhǎng)環(huán)境中溫度適宜，則由光照傳感器分別檢測(cè)紅藍(lán)光光照度，通過(guò)濾光片進(jìn)行濾光，可得到紅藍(lán)光照度，判斷該照度值是否在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，如果檢測(cè)到的光照度大于預(yù)設(shè)光照度，則關(guān)閉補(bǔ)光燈，停止補(bǔ)光；反之則通過(guò)公式分別計(jì)算出植物實(shí)際所需紅藍(lán)光補(bǔ)光量，實(shí)際補(bǔ)光量=預(yù)設(shè)值-實(shí)際檢測(cè)值，繼而根據(jù)紅藍(lán)光所需補(bǔ)光量，分別調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比控制通過(guò)LED的電流，實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)光按需精確補(bǔ)光。再次檢測(cè)紅藍(lán)光強(qiáng)，通過(guò)對(duì)比判定LED燈組是否正常工作，若未正常工作，則啟動(dòng)蜂鳴器。

圖5　軟件流程圖

4　實(shí)　驗(yàn)

為了測(cè)試系統(tǒng)性能，選擇紅光LED(660 nm)9個(gè)，藍(lán)光LED(450 nm)6個(gè)作為L(zhǎng)ED補(bǔ)光燈模塊，進(jìn)行光譜與光功率的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)在不同的光環(huán)境中可進(jìn)行PWM調(diào)光，在光線較暗時(shí)(此時(shí)PWM占空比為20%)，系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)光，補(bǔ)光完成后，系統(tǒng)中PWM調(diào)光占空比達(dá)到60%。當(dāng)補(bǔ)光燈處于相對(duì)較明亮的環(huán)境中時(shí)，系統(tǒng)調(diào)整補(bǔ)光強(qiáng)度，此時(shí)測(cè)得占空比為5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基本功能，但是系統(tǒng)仍需進(jìn)行改進(jìn)，提升補(bǔ)光效率。

圖6　不同環(huán)境中補(bǔ)光燈光譜測(cè)試圖

5　結(jié)　論

通過(guò)分析植物生長(zhǎng)的光合作用過(guò)程與影響植物生長(zhǎng)的環(huán)境因子，針對(duì)植物生長(zhǎng)的不同階段所需溫度和光強(qiáng)不同，選擇植物生長(zhǎng)所必需的光質(zhì)，研發(fā)了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的植物補(bǔ)光系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)影響植物生長(zhǎng)的環(huán)境因子光強(qiáng)，通過(guò)占空比可調(diào)的PWM調(diào)光，控制LED，從而控制通過(guò)LED的工作電流，實(shí)現(xiàn)按需精確補(bǔ)光，避免了補(bǔ)光過(guò)度和補(bǔ)光不足的問(wèn)題。該系統(tǒng)可用于植物工廠溫室的植物栽培，針對(duì)性強(qiáng)、補(bǔ)光效率高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,可滿(mǎn)足植物在不同階段對(duì)補(bǔ)光的需求,具有可推廣性。

[1] 薛超群,王建偉,楊立均.不同光質(zhì)LED補(bǔ)光對(duì)日光溫室內(nèi)環(huán)境及煙苗生長(zhǎng)的影響[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào),2014,20(2):54-58.

[2] 劉文科,楊其長(zhǎng).人工光在植物工廠中的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào),2014,25(4):50-53.

[3] 孫爽.解讀植物培育人工照明光譜與植物需求效率[J].光源與照明,2014(3):12-16.

[4] JAVIER S N, MIGUEL A M R, CONCEPCION M, et al. D-Root: a system for cultivating plants with the roots in darkness or under different light conditions[J]. Plant Journal, 2015, 84(1): 244-255.

[5] GAGO J, MARTNEZ-NNEZ L, LANDN M, et al. Modeling the effects of light and sucrose on in vitro propagated plants: a multiscale system analysis using artificial intelligence technology[J]. PLos One, 2014, 9(1): e85989.

[6] 高鴻磊,諸定昌.植物生長(zhǎng)與光照的關(guān)系[J].燈與照明,2005,29(4):1-4.

[7] 劉文科,楊其長(zhǎng).植物工廠LED光源與光環(huán)境智能控制策略[J].照明工程學(xué)報(bào),2014,25(4)：7-8.

[8] 楊其長(zhǎng).植物工廠的發(fā)展策略[J].科技導(dǎo)報(bào),2014,32(10):20-23.

[9] 李文鵬,沈振華,李維德.植物工廠的智能補(bǔ)光系統(tǒng)的探討[J].光源與照明,2015(2):17-19.

[10] 李農(nóng),王鈞銳.植物照明的生態(tài)環(huán)保研究[J].照明工程學(xué)報(bào),2013,24(2):6-9.

[11] 蘇娜娜,崔瑾.LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)和光合特性的影響[J].中國(guó)蔬菜,2012(24):48-54.

[12] 張兆朋,趙德安,鄒應(yīng)全.基于C8051F340的物聯(lián)網(wǎng)智能大鵬[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(5):212-215.

[13] OLVERA-GONZALEZ E，ALANIZ-LUMBRERAS D，IVANOV-TSONCHEV R, et al. Intelligent lighting system for plant growth and development[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2013, 92(1): 48-53.

[14] 孫惠洋.植物智能補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2014.

[15] 王淑凡.LED光質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)特性影響及光源優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津:天津工業(yè)大學(xué),2013.

[16] 吳玉娟,陳志明,劉永華,等.基于ARM技術(shù)微型封閉式植物種植智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(1):393-394.

A supplementary lighting system for plant growth with lighting-emitting diode based on MCU

ZHAOJierong1,LIYongtao1,LIYouran1,CAIDongning2,CAOFan1,ZOUNianyu1,WANGJinpeng1

( 1.School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；2.Jiangsu Swire Coca-Cola Beverage Limited Company, Nanjing 210007, China )

AlightingsystemwithLEDprovidingdifferentlightqualitywasdesignedtoachievequantitativesupplementarylightingatdifferentstagesofplantgrowth.Thesystemcouldmonitorilluminationoflightqualitywithspecificwavelengthinreal-time,ambienttemperature,theamountoflightthatplantinneed,andcontrolthebrightnessofred,blueLEDlightsbypulsewidthmodulation(PWM)signal.Thesystemcouldbeusedforvariousplantsatdiversegrowthstagesunderdisparateenvironmentswithdifferentdemandinlightquantityandqualitywithaccurate,intelligent,low-powerfeatures.Thesystemcouldpreventplantsfromlightdeficiencyorexcessandimproveenergyefficiency.

plant lighting; LED; single chip; PWM dimming; selective supplementary lighting

2016-06-20.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(6167010052，61402069，61272369)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016020027)；大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A11GX050，2014A11GX052).

趙杰榮(1991-),女，碩士研究生；通信作者：王金鵬(1979-)，男，副教授.

X956

A

1674-1404(2016)05-0373-05

趙杰榮,李永濤,李悠然,蔡?hào)|寧,曹帆,鄒念育,王金鵬.基于單片機(jī)的LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,35(5):373-377.

ZHAO Jierong, LI Yongtao, LI Youran, CAI Dongning, CAO Fan, ZOU Nianyu, WANG Jinpeng. A supplementary lighting system for plant growth with lighting-emitting diode based on MCU[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(5): 373-377.