許 堃，楊澤楨，余建波

(1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072; 2.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 200092)

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基于多元通訊集中控制器的LED植物促生長智能照明控制系統(tǒng)

許 堃1，楊澤楨1，余建波2

(1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072; 2.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 200092)

LED可以高效地釋放特定波長的光線，促進植物光合作用;然而市場上較多采用的植物生長燈缺乏系統(tǒng)化的控制，訂制成本高，可靠性和靈活性低;為了解決這些問題，開發(fā)了一套LED植物促生長智能照明控制系統(tǒng);該系統(tǒng)采用集中分布式的架構(gòu)，拓展了可控制的地域范圍和優(yōu)化了系統(tǒng)的響應(yīng)能力;特別是系統(tǒng)采用了多元通訊模式，巧妙地融合了多種數(shù)據(jù)傳輸方式，其中包括多種遠程通訊和局域網(wǎng)絡(luò)通訊，極大地提高了控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性;在該模式下，控制設(shè)備中嵌入了可配置的優(yōu)先級列表，集中控制器實時檢測并動態(tài)地選擇高優(yōu)先級且連接狀態(tài)良好的通訊方式;在局域無線組網(wǎng)通訊中，提出了一套具有自愈和自維護功能的系統(tǒng)組網(wǎng)策略，極大地提高了下行網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定程度;最后搭建了實驗平臺，測試了相關(guān)功能，試驗結(jié)果良好;該控制系統(tǒng)具有高可靠性和高靈活性的特點，適應(yīng)多種農(nóng)業(yè)現(xiàn)場狀況，擁有良好的市場潛力。

多元通訊；植物促生長；LED智能控制；遠程控制；局域無線自組網(wǎng)

0 引言

作為新興的光源，LED照明應(yīng)用在植物生長領(lǐng)域也有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)植物設(shè)施栽培中使用的光源一般是熒光燈、金屬鹵化物燈和白熾燈。

這些光源有很多不必要的波長,但是LED可以實現(xiàn)植物生長所需要的非常窄的波段[1]，通常波長在400～700 nm(藍色)以及610～720 nm(紅色)的光線對于光合作用貢獻最大[2]，因此可以大幅度提高能量利用效率；另外LED是一種冷光源，可以近距離放置而不燒傷植物。鑒于以上優(yōu)點，LED植物生長燈的應(yīng)用前景非常廣闊。

采用LED取代傳統(tǒng)的植物生長燈已經(jīng)是市場發(fā)展的必然趨勢，LED可以與智能系統(tǒng)完美結(jié)合，實現(xiàn)從遠程或者近端對光線的波長﹑強度和時間進行任意的控制[3]。然而市場上出現(xiàn)的植物LED生長燈訂制成本高，智能化水平低，為了解決上述問題，關(guān)于LED植物生長照明系統(tǒng)的研究成為熱點。文獻[4]綜述了當前植物照明的研究進展，并從當前的設(shè)備和技術(shù)論述了植物照明應(yīng)用的現(xiàn)狀，探討了植物照明的發(fā)展趨勢。文獻[5]從需求上闡述了智能LED促生長系統(tǒng)應(yīng)當具有的功能、特點和關(guān)鍵技術(shù)，包括發(fā)射頻譜的中心波長范圍，光強和光質(zhì)的調(diào)節(jié)功能和穩(wěn)定的智能控制系統(tǒng)等。文獻[6]設(shè)計了一種用于擬南芥生長補光的照明系統(tǒng)，這種系統(tǒng)只能針對特別的植物，每次生產(chǎn)都需要根據(jù)對象的不同而單獨訂制，成本高，研發(fā)周期長。文獻[7]基于CPLD提出了一種多參數(shù)可編程的全數(shù)字LED植物補光燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以滿足不同植物在不同生長階段的光質(zhì)需求，但是系統(tǒng)缺乏必要的信息反饋系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)。文獻[8]提出了一種新型智能LED植物組培光照系統(tǒng)，系統(tǒng)由ZigBee無線通訊、光照度傳感器以及單片機系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)中架設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)可有效地控制多點光源。但實際的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場狀況非常復(fù)雜，而該系統(tǒng)缺乏必要的系統(tǒng)管理，緊依靠Zigbee無線通訊又容易遭到干擾，只能適用于有限場合。綜上所述，缺乏系統(tǒng)化管理，只依靠某種單一的通訊方式，在可靠性上和靈活性上已經(jīng)無法滿足自動化農(nóng)業(yè)的需求。

針對現(xiàn)有植物照明系統(tǒng)中存在的問題，設(shè)計了一種基于多元通訊集中控制器的LED植物促生長智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但可以對每一個光源進行單獨控制，還能對一定區(qū)域內(nèi)的燈源進行集中控制。多種通訊方式的融合，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)更加靈活地適應(yīng)各種農(nóng)業(yè)的實際需要。無論是對于大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還是小規(guī)模的植物栽培，此系統(tǒng)都可根據(jù)需要進行靈活配置，滿足不同場合的重構(gòu)需求。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，根據(jù)遠程控制和集中管理的思想，整個系統(tǒng)采用遠程分布式的整體架構(gòu)，由遠程控制中心、集中控制器、補光終端和LED燈源所組成。

遠程控制中心：實現(xiàn)對植物LED補光的遠程控制，在遠端構(gòu)建服務(wù)器，實時負責LED管理和處理來自下行的數(shù)據(jù)。

集中控制器：主要負責對補光終端的集中控制和自動輪詢，處理來自補光終端的數(shù)據(jù)反饋。農(nóng)業(yè)設(shè)施通常都是極為龐大的，因此要處理的數(shù)據(jù)量會非常大，集中控制器可以很大程度地分擔遠程控制中心的壓力。

補光終端：系統(tǒng)的執(zhí)行單元，由傳感器模塊、調(diào)光模塊、存儲模塊、通訊模塊和實時時鐘模塊等組成，通過PWM調(diào)光、嵌入式通訊、傳感器等技術(shù)實現(xiàn)對燈源的穩(wěn)定高效控制。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)正常工作時，遠程控制中心可以向集中控制器發(fā)送控制命令。集中控制器解析命令，回復(fù)上位機的同時向補光終端傳送控制命令。補光終端執(zhí)行集中控制器的指令，將執(zhí)行狀態(tài)和采集的傳感器參數(shù)經(jīng)由集中控制器處理后發(fā)給遠程控制中心控制。

2 集中控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 集中控制器的硬件設(shè)計

集中控制器同時與遠程控制中心和補光終端互動，管理一定區(qū)域內(nèi)的所有照明終端，因此處理的數(shù)據(jù)量較大，功能要求比較高，硬件設(shè)計應(yīng)當要從穩(wěn)定性﹑可靠性﹑擴展性和處理速度等多方面進行考慮。集中控制器由電源模塊，以太網(wǎng)模塊、通訊擴展模塊、看門狗模塊、實時時鐘模塊、掉電存儲模塊、總線通訊模塊和液晶顯示模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

集中控制器選擇型號為stm32F207的互聯(lián)型系列微控制器，此芯片強大的功能和處理速度，可以很好的滿足設(shè)備的需要。電源模塊采用效率高的開關(guān)電源和低紋波的低壓差線性穩(wěn)壓電源組合的方式?？撮T狗模塊具有電壓檢測和可以防止程序跑飛的功能，保證控制器正常工作。

圖2 集中控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計集中控制器時，為了更好地支持系統(tǒng)的多元通訊功能，也為了避免尺寸過大和有效降低成本，采用模塊化設(shè)計的思想。除了以太網(wǎng)部分和總線部分集成在集中控制器上，其他的通訊都采用模塊串口擴展的方式與集中控制器相連，這樣既能夠根據(jù)實際需要靈活選擇所需要的通訊方式，又可以避免不必要的功能浪費。核心處理器的串口資源有限，所以在外圍增添了兩個多串口微處理器。集中控制器以微控制器為核心，集成或者外擴多種通訊模塊。其中，串口1連接多串口MCU1可擴展上行通訊模塊。串口3連接多串口MCU2可擴展下行無線通訊模塊，實現(xiàn)補光終端的無線局域組網(wǎng)通信。串口2單獨用于擴展下行電力載波模塊。

2.2 集中控制器的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

集中控制器的應(yīng)用程序運行在RT-Thread 操作系統(tǒng)上[9]，此操作系統(tǒng)具有輕型的TCP/IP協(xié)議棧和多窗口多線程圖形用戶界面，非常符合此系統(tǒng)多線程和多元通訊的開發(fā)需求。

集中控制器的軟件流程如圖3所示，設(shè)備上電之后，讀取EEPROM中的配置信息，初始化外設(shè)參數(shù)，其中包括設(shè)備參數(shù)﹑串口參數(shù)﹑通訊參數(shù)和通訊方式選擇等。隨后程序會進入系統(tǒng)主程序循環(huán)，實時檢測是否接收到來自遠程控制中心的協(xié)議指令、來自外部的配置指令或者來自終端的反饋參數(shù)。如果有，則對收到的數(shù)據(jù)進行解析并完成相應(yīng)操作。

圖3 軟件系統(tǒng)流程

為了更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的多元通訊功能，應(yīng)用程序支持專用軟件對集中控制器的通訊模式進行配置，將所需要的通訊方式激活，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，并按照一定的優(yōu)先級排序，詳細實現(xiàn)過程請參照多元通訊功能的具體實現(xiàn)。

2.3 多元通訊設(shè)計方案

為了使系統(tǒng)具有系統(tǒng)化﹑多元化﹑可配置和可重構(gòu)的特點，設(shè)計了融合多種通訊方式的集中控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 集中控制器的多元通訊結(jié)構(gòu)

構(gòu)圖上方為集中控制器與控制中心的遠程通訊方式，即系統(tǒng)的上行通訊結(jié)構(gòu)，包括以太網(wǎng)、GPRS和3G等通訊技術(shù)。結(jié)構(gòu)圖的下方為集中控制器與補光終端的通訊方式，即系統(tǒng)的下行通訊方式，主要有工業(yè)現(xiàn)場總線﹑電力載波和無線局域通訊等。每種通訊方式都有自己的特點，適宜不同的場合，用戶可以根據(jù)需要選擇一種或者多種通訊方式，見表1。

表1 通訊方式特點比較

3 多元通訊技術(shù)方案設(shè)計

3.1 多元通訊模式的優(yōu)先級排序

為了有效地支持系統(tǒng)通訊的多元性，我們設(shè)定了一個通訊優(yōu)先級列表，分為上行通訊優(yōu)先級列表和下行通訊優(yōu)先級列表，上行列表共有8級優(yōu)先級，下行列表有16級優(yōu)先級，所示列表中剩余的空間可以繼續(xù)對通訊方式進行擴展，見表2?？紤]到補光終端有成本要求，擴展能力有限，所以下行的擴展方式中，局域組網(wǎng)通訊不能超過兩個，否則無法實現(xiàn)。

表2 上行通訊優(yōu)先級列表

用戶可以用專用軟件將需要激活的通訊方式按照優(yōu)先級加入列表中。 優(yōu)先級列表會以結(jié)構(gòu)體的形式存于專門的存儲空間里。集中控制器按照列表中的順序跟遠程控制中心或者補光進行握手，將通訊狀態(tài)良好的方式記錄下來，以協(xié)議格式發(fā)給遠程控制中心，并自動采用狀態(tài)良好并且優(yōu)先級最高的通訊方式。系統(tǒng)在運行過程中，按照配置的時間間隔或者觸發(fā)事件，向上位機發(fā)送心跳包，檢測通信是否正常。如果檢測到通信不正常等情況，則選擇低一級的通訊方式，因此多元通訊可以使系統(tǒng)具有一定的自愈能力。

通訊方式和對應(yīng)優(yōu)先級的配置有專門的軟件去實現(xiàn)。配置軟件支持串口和網(wǎng)絡(luò)配置，其中網(wǎng)絡(luò)配置采用UDP局域網(wǎng)廣發(fā)的方式與設(shè)備進行握手和交互，因此要求集中控制器和配置它的設(shè)備一定要在同一局域網(wǎng)段內(nèi)。

3.2 多元遠程通訊設(shè)計

多元遠程通訊包括以太網(wǎng)、GPRS和3G方式，系統(tǒng)中留下了可以升級的空間。以太網(wǎng)通訊集成在集中控制器上，詳細實現(xiàn)流程見圖5，以太網(wǎng)通訊速度快，可靠性較高，但是要求現(xiàn)場必須能夠接入以太網(wǎng)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)連接流程圖

GPRS與3G都是以模塊擴展的方式與集中控制器進行連接，它們都是比較通用的遠程無線解決方案。GPRS信號較好，費用也相對便宜，當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大的時候，是比較理想的選擇。用戶可根據(jù)實際需要，選擇一種或者是幾種的通訊方式。當同時選擇幾種通訊方式的時候，所帶來的成本相對較高，然而系統(tǒng)就具有自愈性，可靠性高。

3.3 多元局域網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的多元局域通訊主要分為有線和無線兩種。有線方式包括485總線、can總線和電力載波總線，無線的方案主要包括Zigbee﹑2.4 G和433 M等。485總線和Can總線是標準的工業(yè)總線，可靠性好，對于布線難度不大的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場是很好的選擇方案。電力載波通訊可以將高頻信號耦合在電源線中，通過單相的電源線傳遞信號。這種通訊方式不需要單獨布置信號線，簡化了現(xiàn)場的布線難度，并且可靠程度比無線通訊要更高。

局域無線通訊都采用樹形自組網(wǎng)的方式實現(xiàn)，采用一般的星型組網(wǎng)只能滿足短距離和小空間內(nèi)的無線通訊，而采用樹形組網(wǎng)可以很大程度上在空間上進行拓展，符合農(nóng)業(yè)現(xiàn)場通常規(guī)模比較大的特點。根據(jù)需要設(shè)計了一個通用路由表來支持樹狀的自組網(wǎng)通訊，將集中控制器設(shè)置為協(xié)調(diào)器，所有的終端都設(shè)置為路由節(jié)點。每個設(shè)備都擁有獨一無二的物理地址，且不能修改。采用多層樹狀組網(wǎng)的方式，集中控制器作為父節(jié)點，以固定時序隨機信道跳頻的技術(shù)向周圍空間廣播，其隨機序列采用軟件生成的M偽隨機序列[10]，如圖6所示。隨機信道跳頻技術(shù)的使用可以很大程度上避免多節(jié)點通訊沖突的發(fā)生。收到廣播數(shù)據(jù)的節(jié)點以同樣的跳頻方式答復(fù)集中控制器。集中控制器將信號強度滿足要求的子節(jié)點以物理地址由小到大的順序并入第一層網(wǎng)絡(luò)，寫入路由表中。然后將第一層節(jié)點作為父節(jié)點，按照同樣的方式去尋找子節(jié)點，將信號強度滿足要求的節(jié)點并入自己的子網(wǎng)，編號后寫入路由表，同理進行下一層的組網(wǎng)。每添加一個節(jié)點，路由表上會記錄節(jié)點的物理地址以及網(wǎng)絡(luò)編號，重復(fù)物理地址的節(jié)點不會被重復(fù)添加，這樣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備就可以根據(jù)路由表上的樹形結(jié)構(gòu)進行路由尋址通訊了。

圖6 樹狀自組網(wǎng)與跳頻通訊

為了保障無線通訊的可靠性，避免當某個節(jié)點出現(xiàn)問題的時候，造局域網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，采用了一個網(wǎng)絡(luò)自愈機制，當某個節(jié)點失去連接的時候，那么此節(jié)點的子節(jié)點肯定與網(wǎng)絡(luò)也失去了連接的途徑，此時采用分層捕撈的方式嘗試重新與這些節(jié)點建立連接。當協(xié)調(diào)器與某個或者某些節(jié)點失去連接達到一定時間時，則丟棄這個節(jié)點，然后由這個節(jié)點的父層按照物理地址從小到大的順序，分別取打撈這個丟失節(jié)點的子節(jié)點，如果父層沒有打撈完全，則由上一層的節(jié)點去尋找，直到全部尋找到或者協(xié)調(diào)器也沒有找到的時候，認為網(wǎng)絡(luò)建立完全，并且將路由表中重連失敗的節(jié)點都刪除掉。

無線局域網(wǎng)絡(luò)通訊非常適合那些空間狹小或者地域不適合布線的場合。同時采用多種無線通訊方式或者采用有線與無線組合的通訊方式，將有助于保障通訊的可靠性。

4 實驗驗證

本實驗將紅藍LED模擬植物生長燈，PC作為遠程控制中心，搭建植物促生長智能照明控制系統(tǒng)，對功能進行驗證，主要包括遠程控制中心的遠程控制和監(jiān)測功能、集中控制器的多元通訊功能以及無線局域網(wǎng)絡(luò)的自愈功能。

實驗系統(tǒng)中選擇以太網(wǎng)和GPRS作為上行通訊方式，以太網(wǎng)優(yōu)先級較高，下行選擇2.4 G和485總線作為通訊方式，2.4 G的優(yōu)先級較高。實驗時，先配置好系統(tǒng)參數(shù)，遠程控制中心在遠端控制和檢測整個系統(tǒng)的運作，如圖7所示。

圖7 遠程控制中心

系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，將以太網(wǎng)手動斷開，此時集中控制器與上位機失去連接，遠程控制中心無法正常收到集中控制器發(fā)送的心跳包，當失去連接一段時間后，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為GPRS通訊，遠程服務(wù)器顯示切換信息。然后將任意一個2.4 G模塊斷電，此模塊和其子模塊會與協(xié)調(diào)器失去連接，一段時間后，其子模塊都被重新找到，并建立連接。最后人工斷掉集中控制器的2.4 G通訊，由于集中控制器無法收到任何模塊的信息，認定下行無線網(wǎng)絡(luò)失去連接，然后會由優(yōu)先級較低的485總線替代，測試結(jié)果良好，符合實驗的預(yù)期結(jié)果。

5 結(jié)束語

針對市場上通用的植物生長燈訂制成本高、可靠性低和靈活性差等問題，開發(fā)了一套LED植物促生長智能照明控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用多元通訊的方法極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場狀況。針對最復(fù)雜和最容易遭到干擾的無線局域通訊，進行了自組網(wǎng)和自愈功能的優(yōu)化。最后進行了功能驗證，測試結(jié)果良好。該控制系統(tǒng)有很強的拓展性，在后續(xù)研究中，將繼續(xù)添加更多的通訊方式，并且深入優(yōu)化通訊方式的切換過程。與此相對應(yīng)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度會進一步增加，如何使系統(tǒng)對于使用者更加友好也將是重要的研究方向。

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Intelligent LED Control System for Promoting Plant Growth Based on Multi-Communication Centralized Controller

Xu Kun1，Yang Zezheng1，Yu Jianbo2

(1.School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China;2.School of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

LED can effectively release the light of a specific wavelength to promote the plant photosynthesis. However, the plant growth lights mostly used on the market are lack of systematic control, which generally have the disadvantage of high cost, low reliability and low flexibility.In order to solve these problems, a set of intelligent LED control system for promoting plant growth is developed. The system uses a centralized and distributed architecture, which can greatly expand the control range and optimize the system's response capability. In particular, the multi-communication mode used in system integrates a variety of data transmission mode, which includes various kinds of remote communications and local area network communications. In this way, it will greatly improve the flexibility and reliability of the control system. In the multi-communication mode,the control device is embedded with a configurable priority list and centralized controller completes the real-time detection to dynamically select the steady communication mode with high priority.In the local area wireless network communication,a set of network strategy with the function of self-maintenance and self-healing is proposed, which greatly improves the reliability of the wireless network. Finally, an actual test has been carried on and the result is good. The control system with the characteristics of high reliability and high flexibility can adapt to various kinds of agricultural field conditions .It will have good market potential.

multi-communication; promote plant growth;LED intelligent control;remote control; local area wireless ad hoc network

2015-11-09；

2015-12-06。

國家自然科學基金資助項目(51375290)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(13YZ002)。

許 堃(1989-)，男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事燈光智能控制、設(shè)備遠程控制等方向研究。

余建波(1978-)，男，浙江寧波人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事設(shè)備智能預(yù)診等方向的研究。

1671-4598(2016)06-0080-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TM

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