田會娟，柳建新，洪 振，劉 歡，張 輝，郝甜甜

(1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 天津市電工電能新技術(shù)重點實驗室，天津 300387; 2.大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387;3.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387)

基于云平臺的PWM智能LED補光方法研究

田會娟1,2，柳建新2,3，洪 振2,3，劉 歡2,3，張 輝1,2，郝甜甜2,3

(1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 天津市電工電能新技術(shù)重點實驗室，天津 300387; 2.大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387;3.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387)

基于不同植物對環(huán)境光質(zhì)、光強、光周期多種需求，本文提出了一種云平臺遠程監(jiān)控和近距離無線動態(tài)LED調(diào)光方法。實現(xiàn)手機客戶端設(shè)置環(huán)境紅、藍光照度閾值，利用脈沖寬度調(diào)制法(PWM)，采用兩塊無線NRF24L01模塊，經(jīng)動態(tài)循環(huán)調(diào)節(jié)，使得環(huán)境的光照強度與設(shè)定閾值趨于一致，且紅、藍調(diào)光偏差分別在5 lx和1 lx以內(nèi)，并同時實現(xiàn)對設(shè)施環(huán)境內(nèi)溫濕度實時監(jiān)控。該方法具有植物補光位置與LED光源距離可調(diào)、調(diào)光精確高、操作簡單、節(jié)省人力等優(yōu)點，具有廣泛的發(fā)展前景。

LED；云平臺；NRF24L01；PWM；智能控制

引言

光照條件對溫室植物的生長速度、產(chǎn)量和品質(zhì)都有很重要的影響，由于冬春季節(jié)陰雨雪天氣時有發(fā)生，溫室內(nèi)部會出現(xiàn)光照不足和光質(zhì)組成不平衡的現(xiàn)象，造成大幅減產(chǎn)和品質(zhì)降低，因此，利用人工光源進行植物生長的補光研究逐漸受到重視[1-2]。用于植物生長的人工光源包括白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等[3]，但這些傳統(tǒng)人工光源普遍存在著光譜不匹配、功率大、發(fā)光效率低、發(fā)熱量大等缺點，直接限制了行業(yè)的發(fā)展。LED作為一種新型溫室照明光源具有壽命長、體積小、能耗低等優(yōu)點[4-6]，最重要的是可發(fā)出單色波長光，作為溫室光源可根據(jù)植物不同階段對光譜的需求，實現(xiàn)特定光強和光質(zhì)要求的補光。

研究表明[7]，在可見光譜中，植物葉片吸收利用的光能約占生理輻射的60%～65%，其中主要為波長610～720 nm的紅橙光和400～510 nm的藍紫光，分別占光源生理輻射量的55%左右和8%～10%；當(dāng)作物處在光補償點以下時，總光合作用產(chǎn)物將減少，不利于有機物的積累，且不同的室內(nèi)植物對光周期的要求也不同。因此，對溫室植物進行補光時，需要同時考慮植物生長環(huán)境光質(zhì)、光強、光周期等因數(shù)[8]。然而，目前多數(shù)LED智能補光方法是光檢測傳感器與補光燈共用控制器，其一般適應(yīng)于光源與被照作物距離固定的情況[9-10]，當(dāng)兩者距離不是設(shè)定值時(一般有變化)，植物所需要的光環(huán)境就很難保證，且調(diào)節(jié)精度不高。

針對上述問題，本文提出來一種基于云平臺的智能LED補光方法，該方法采用云平臺控制技術(shù)，當(dāng)手機通過WIFI或4G等連接到設(shè)備時，則管理員隨時通過客戶端設(shè)置溫室植物所需紅、藍光照閾值，同時實現(xiàn)對溫室環(huán)境溫濕度、紅藍光照強度的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計分為環(huán)境參數(shù)檢測端和LED調(diào)光端，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。其中圖1(a)為環(huán)境參數(shù)檢測端，其主要功能實現(xiàn)通過WIFI模塊建立與云服務(wù)器的聯(lián)系，將手機客戶端發(fā)送的指令傳入控制中心，微控制器接收到該信號后，會根據(jù)具體的信息類型進行相應(yīng)的操作，例如，光源的開關(guān)、灌溉及通風(fēng)的管控；將采集到各傳感器參數(shù)以及設(shè)備狀態(tài)上傳至云服務(wù)器，以便客戶端能實時更新數(shù)據(jù)；微控制器通過光照檢測模塊采集環(huán)境紅、藍光照強度，與客戶端設(shè)定的照度閾值比較，得出需要的調(diào)光標(biāo)示符后，通過NRF24L01模塊將其發(fā)送出去。

圖1(b)為LED調(diào)光端，其通過NRF24L01模塊實時監(jiān)測和接收環(huán)境參數(shù)采集端發(fā)送來的信號，當(dāng)收到有效信號后，會根據(jù)根據(jù)具體調(diào)光標(biāo)示符，分別調(diào)整輸出兩路PWM信號占空比(每次改變0.2%)，最終通過控制驅(qū)動模塊輸出電壓，實現(xiàn)紅、藍LED光照模組的發(fā)光強度的變化。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System diagram

2 硬件設(shè)計

2.1 控制模塊

微控制器采用STM32F103RCT6，其具有2個基本定時器、5個串口、1個SDIO接口及51個通用I/O口等。STM32F103RCT6作為微控制器，在環(huán)境參數(shù)檢測端，通過WIFI模塊建立與云服務(wù)器的聯(lián)系，當(dāng)收到來自客戶端的指令時，實現(xiàn)對灌溉、通風(fēng)系統(tǒng)的控制，以及對環(huán)境所需要的光照閾值進行賦值；微控制器通過傳感器獲得環(huán)境參數(shù)變量，并將采集數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)上報云服務(wù)器；微控制器通過光照檢測模塊采集環(huán)境光照強，并與設(shè)定的閾值比較，得出需要調(diào)節(jié)的信息后，會將調(diào)節(jié)LED亮度的標(biāo)示符通過NRF24L01模塊發(fā)送出去。在LED調(diào)光控制端，控制模塊實時監(jiān)測并接收發(fā)送來的信號，當(dāng)收到有效調(diào)光標(biāo)示符后，調(diào)整輸出兩路PWM信號占空比，控制紅藍LED的發(fā)光強度。

2.2 WIFI模塊

本系統(tǒng)所使用的WIFI模塊是ATK-ESP8266，為ALIENTEK推出的一款高性能的UART-WIFI(串口-無線WIFI)模塊，其采用串口與MCU通信，模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持串口轉(zhuǎn)WIFI STA、串口轉(zhuǎn)AP和WIFI STA+WIFI AP三種模式，本文使用的是STA模式連入局域網(wǎng)絡(luò)。連接微控制器的的WIFI模塊，主要用來建立云服務(wù)器與環(huán)境參數(shù)檢測端的聯(lián)系，并通過串口與微控制器進行數(shù)據(jù)交換，將手機客戶端發(fā)送的控制指令送至微處理器，并上報設(shè)備狀態(tài)和傳感器采集的參數(shù)。

2.3 NRF24L01模塊

無線NRF24L01通信模塊，采用FSK調(diào)制方式，內(nèi)部集成NORDIC的Enhanced Short Burst 協(xié)議，可以實現(xiàn)點對點或是1對6的無線通信。在環(huán)境參數(shù)檢測端，該模塊主要接收來自微控制器調(diào)光標(biāo)示符并將其發(fā)送出去。在LED調(diào)光端則收到數(shù)據(jù)后，及時傳遞給微控制器進行相應(yīng)處理。

2.4 檢測模塊

光照強度的檢測使用GY-30 數(shù)字光模塊，其為BH1750FVI的簡單擴展電路，通過I2C通信協(xié)議與微控制器進行數(shù)據(jù)交換。在本實驗中要通過其檢測環(huán)境中波長為400～510 nm藍紫光和610～720 nm紅橙的光照度值，因此，需要對檢測模塊進行一定的處理，具體方法為使用透光波段分別為600～700 nm、400～500 nm的濾光片進行光照傳感器的處理，原理如圖2所示，然后，并將檢測結(jié)果送入單片機微控制器。

圖2 光照檢測模塊原理圖Fig.2 The principle diagram of the light detection module

DHT11是一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。DHT11與處理器之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個I/O口。其主要功能是將檢測到的環(huán)境溫度及濕度，通過一根數(shù)據(jù)線送入微控制器。

2.5 LED驅(qū)動模塊

光源驅(qū)動模塊使用同時兼容電位器模擬調(diào)光和外接PWM信號調(diào)光功能的PT4115芯片，該芯片具有極少的外部元件，擴展電路如圖3所示。該驅(qū)動模塊具有很寬的電壓輸入范圍：從6 V到30 V，最大輸出電流為1.2 A，輸出電流精度±2%，且高達97 %的效率。PWM調(diào)光工作頻率建議為300～20 kHz，輸入電壓3～5 V，模塊通過復(fù)用DIM和地線與控制模塊建立聯(lián)系，實現(xiàn)微控制器輸入不同PWM占空比時，驅(qū)動模塊輸出電壓值隨之改變，進而控制LED發(fā)光強度。

圖3 LED驅(qū)動模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of LED driver module

2.6 繼電器模塊

繼電器模塊主要為通過微控制器輸出的高低電平，實現(xiàn)外接電路的通斷。在本系統(tǒng)中，主要用于控制灌溉用的水泵及通風(fēng)用的風(fēng)機等。

3 程序設(shè)計

3.1 環(huán)境參數(shù)檢測端程序設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，使用Keil uVision5為軟件開發(fā)平臺，利用C語言完成程序的開發(fā)。該系統(tǒng)程序包括兩大獨立部分：環(huán)境參數(shù)檢測端程序和LED調(diào)光端程序，環(huán)境參數(shù)檢測端程序流程圖如圖4(a)所示，具體操作流程如下：首先，系統(tǒng)進行初始化，主要進行系統(tǒng)內(nèi)部配置、外設(shè)硬件引腳設(shè)置等，之后，在手機客戶端軟件輔助之下，將硬件設(shè)備連入云服務(wù)器。然后，系統(tǒng)進入外循環(huán)程序段，微處理器通過串口接收WIFI傳來的指令，并對需要操作的對象，進行相應(yīng)的調(diào)整。而后，采集環(huán)境參數(shù)變量，如溫室內(nèi)溫濕度、紅藍光光照強度值，并將參數(shù)賦予相應(yīng)結(jié)構(gòu)變量中，以便系統(tǒng)能上報最新的環(huán)境參數(shù)。再后，通過分別比較紅、藍光照強度采集值與設(shè)定閾值的大小關(guān)系，得出需要調(diào)光的標(biāo)示符(當(dāng)數(shù)據(jù)大于(小于)設(shè)定值時，會反饋出一個負(fù)(正)號；在設(shè)定范圍內(nèi)時，返回零值)，將調(diào)節(jié)信號通過無線發(fā)射出去。最后，將傳感器參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)上傳至云服務(wù)器。

3.2 LED調(diào)光端程序設(shè)計

在LED調(diào)光端，主要實現(xiàn)調(diào)光信號的接收及補光。首先，系統(tǒng)進行初始化，當(dāng)NRF24L01接收到數(shù)據(jù)后，會先判斷收到的是有效調(diào)光標(biāo)示符，若收到“+”、“-”，則分別增加或減少相應(yīng)一定比例的PWM占空比，且PWM信號占空比為零時，收到負(fù)信號；相反為百分百是，收到正信號時，系統(tǒng)不做任何調(diào)光處理，軟件流程如圖4(b)所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow diagram

4 實驗測試與結(jié)果分析

4.1 光源參數(shù)及光譜圖

本文選用81顆0.2 W貼片型RRGB燈珠組成的光源模組進行實驗研究，測試設(shè)備采用遠方光電的HAAS-1200精密快速光譜分析系統(tǒng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)的測量，測得光源模組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 紅、藍LED光源參數(shù)Table 1 Optical source parameters of red and blue LED

紅、藍光LED光譜如圖5所示。從紅、藍光譜圖可以看出，其主要部分都落在400～510 nm、610～720 nm波段，適合本實驗的要求。

4.2 驅(qū)動性能測試

本文所所使用的調(diào)光方法為脈寬調(diào)制法(PWM)，即通過微控制器輸出不同占空比的方波信號，改變輸出LED驅(qū)動模塊輸出電壓，實現(xiàn)紅、藍LED亮度的調(diào)節(jié)，且調(diào)光的均勻性對補光的效果影響很大，通過測試不同占空比條件下，紅、藍LED光照模組發(fā)出的光通量，繪制出PWM占空比與光通量的關(guān)系圖，如圖6所示。

圖5 光源光譜圖Fig.5 Spectrum chart

圖6 驅(qū)動性能測試Fig.6 Driver performance test

從圖6中可以看出，紅、藍光LED光通量隨輸入PWM占空比的變化，呈漸進變化的過程，滿足通過微調(diào)占空比，改變一定量的環(huán)境照度。

4.3 系統(tǒng)性能測試

為對系統(tǒng)進行性能的測試，選擇實驗室模擬溫室環(huán)境，使用由天津工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體研發(fā)中心和天津工大海宇半導(dǎo)體照明有限公司合作開發(fā)的植物生長箱系統(tǒng)，設(shè)定光源與植物補光處間距為30 cm。用手機客戶端打開光源按鈕，并設(shè)置環(huán)境紅藍光照強度分別為599 lx、100 lx，將系統(tǒng)搭設(shè)完畢，然后對系統(tǒng)的主要性能進行測試。實驗測試時間為8:00—19:00，每整點對環(huán)境各參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，得到表2數(shù)據(jù)。

從表2中可以得出，系統(tǒng)補光功能具有較高的精確性，環(huán)境紅、藍光照強度與設(shè)定閾值偏差控制5 lx、1 lx以內(nèi)；當(dāng)環(huán)境光照強度高(低)時，光源功耗就減小(增大)，其功率的波動性，使得其在滿足植物所需的光環(huán)境時，起到節(jié)約能源的作用；實驗室環(huán)境因受外界影響較小，溫度及濕度變化不大。

表2 系統(tǒng)性能測試Table 2 System performance test

4.4 補光效果圖

手機客戶端操作界面如圖7所示，其實現(xiàn)光源開關(guān)、通風(fēng)、灌溉以及光照強度的設(shè)置，且環(huán)境紅、藍光照最大值設(shè)定為1 000 lx、300 lx，同時，在界面上顯示設(shè)施環(huán)境紅、藍光照強度及溫濕度。用本方法進行小白菜的種植實驗，得到如圖8效果圖，其中圖(a)、(b)是在環(huán)境光照強分別為599 lx、100 lx時的效果圖，圖(c)為兩種光源共同作用的效果。

圖7 手機客戶端Fig.7 Mobile phone client

圖8 LED補光效果圖Fig.8 The effect picture of LED fill light

5 結(jié)論

基于溫室植物對環(huán)境光質(zhì)、光強、光周期多種需求，本文提出了一種云平臺的PWM智能LED補光方法，該方法采用云平臺控制技術(shù)，通過手機客戶端設(shè)置溫室植物所需紅、藍光照閾值及控制繼電器，實現(xiàn)對溫室內(nèi)紅藍LED光照強度、溫度、濕度的管控。系統(tǒng)經(jīng)實驗測試表明：當(dāng)智能手機通過WIFI或移動4G等連接設(shè)備時，客戶端均能實現(xiàn)對設(shè)施內(nèi)紅、藍光照強度閾值的設(shè)置，利用PWM調(diào)光法，經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié)，使被照植物所需光環(huán)境與設(shè)定值趨于一致，且紅、藍調(diào)光偏差控制在5 lx、1 lx以內(nèi)。該系統(tǒng)通過兩塊無線NRF24L01模塊協(xié)調(diào)實現(xiàn)動態(tài)補光，具有光檢測與LED補光距離可調(diào)、調(diào)光精確高等優(yōu)點，不僅可用在植物補光方面，還可以用于對光線強度要求比較嚴(yán)格的場所，具有較大的實用價值和廣闊的市場前景。

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PWM Intelligent LED Lighting System Research Based on the Cloud Platform

TIAN Huijuan1,2， LIU Jianxin2,3， HONG Zhen2,3， LIU Huan2,3， ZHANG Hui1,2， HAO Tiantian2,3

(1.TianjinKeyLaboratoryofAdvancedElectricalEngineeringandEnergyTechnologySchoolofElectricalEngineeringandAutomationTianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.EngineeringResearchCenterofHighPowerSolidStateLightingApplicationSystem,Tianjin300387,China; 3.CollegeofElectronicsandInformationEngineeringTianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

Based on different plants to the needs of environmental light quality, light intensity, light cycle and various needs, we propose a cloud platform for remote monitoring and short-range wireless dynamic LED dimming approach. Mobile client realizes to set red and blue light illumination threshold, using pulse width modulation (PWM), making environmental light intensity and threshold tends to be consistent by the dynamic cycle regulation using two wireless NRF24L01 modules and red, blue light deviation respectively in less than 5 lx and 1 lx, Meanwhile, the real-time monitoring of temperature and relative humidity in the greenhouse. The system has distance adjustable between the plants fill position and LED light source, high precision, simple operation, saving manpower, etc, it has broad prospects for development.

LED; cloud platform; NRF24L01; PWM; intelligent control

國家自然科學(xué)基金資助項目——室內(nèi)照明用LED眩光效應(yīng)研究及理論分析(編號：61504095),國家中小企業(yè)科技創(chuàng)新基金項目——高性能LED植物生長燈驅(qū)動電源關(guān)鍵技術(shù)研究(編號：16JCTPJC46600)

TP273

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.019