凌家良，魏曉慧

光環(huán)境是農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一.農(nóng)作物長(zhǎng)期的弱光生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致植株不健壯、落花落果嚴(yán)重、果實(shí)發(fā)育緩慢、含糖量降低、產(chǎn)量下降等.比如南方地區(qū)春季陰雨連綿，致使大棚的光照強(qiáng)度較低，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)極為不利.適當(dāng)?shù)娜斯ぱa(bǔ)光可使瓜果的成熟期提前［1-2］，產(chǎn)量提高，果實(shí)品質(zhì)優(yōu)良，大小均勻，含糖量提高，同時(shí)，植物生長(zhǎng)更加健壯.

農(nóng)作物補(bǔ)光燈的光源有很多種，如白熾燈、鈉燈、熒光燈等，近幾年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的LED燈(light emitting diode)，因其顯著的節(jié)能、光譜光強(qiáng)可控可調(diào)、冷光性以及良好的點(diǎn)光源等優(yōu)點(diǎn)，逐漸代替其他光源成為農(nóng)作物補(bǔ)光燈的首選.

1 大棚農(nóng)作物L(fēng)ED補(bǔ)光模型

本文設(shè)計(jì)的大棚如圖1所示.

圖1 大棚補(bǔ)光LED燈及數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)示意圖

其中，LED補(bǔ)光燈L1～L24，光照采集控制節(jié)點(diǎn)D1～D6.設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)D1控制L～L4四盞燈，D2控制L5～L8四盞燈，以此類推.

農(nóng)作物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)補(bǔ)光的要求也不一樣，如圖2所示，所以有必要對(duì)不同時(shí)期的作物采取不同的補(bǔ)光措施.

圖2 有不同生長(zhǎng)期的大棚示意圖

在已知光源光強(qiáng)的情況下我們可以得到該光源在不同采光點(diǎn)的光照強(qiáng)度E（ 單位lx）［2］：

式（1）中I 為光源發(fā)光強(qiáng)度，R為光源到被照物表面的距離.在大棚中，不同光照采集控制節(jié)點(diǎn) Dj所接收到的光強(qiáng)應(yīng)該包括各補(bǔ)光燈 Li和太陽(yáng)光的疊加.但補(bǔ)光燈 Li到節(jié)點(diǎn) Di往往不是垂直照射，如圖3所示，Li( xi, yi)，Dj( xj, yj)分別為補(bǔ)光燈 Li和節(jié)點(diǎn) Di坐標(biāo)［3-4］.

圖3 補(bǔ)光燈 L i到節(jié)點(diǎn) D i示意圖

由此可得補(bǔ)光燈 Li到節(jié)點(diǎn) Di的光照強(qiáng)度 Ei,j：

其中，hi為燈 Li到節(jié)點(diǎn) Dj所在平面的垂直距離，Ii為補(bǔ)光燈 Li的光強(qiáng).

因此，任一節(jié)點(diǎn) Dj的光強(qiáng) Ej可視為各補(bǔ)光燈 Li在節(jié)點(diǎn) Dj的疊加，再加上環(huán)境光照強(qiáng)度E0：

2 智能調(diào)光控制設(shè)計(jì)

2.1 PWM調(diào)光

對(duì)LED補(bǔ)光燈的調(diào)節(jié)采用PWM調(diào)光，設(shè)任一補(bǔ)光燈 Li的調(diào)節(jié)系數(shù)為 Ki（ ），設(shè)置不同時(shí)期的農(nóng)作物期待的光強(qiáng)為 Sm（如掛果期 S1，生長(zhǎng)期，幼苗期S3）：

將式（2）代入式（4）可得：

因此，智能調(diào)光的關(guān)鍵在于選擇合適的 Ki值.

表1 各補(bǔ)光燈位置坐標(biāo)（單位：m）

為簡(jiǎn)化控制，我們假設(shè)節(jié)點(diǎn)D1控制L1～L8八盞燈，對(duì)應(yīng)農(nóng)作物期待光照強(qiáng)度 S1，相應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù) K1，D2控制L9～L16八盞燈，對(duì)應(yīng)農(nóng)作物期待光強(qiáng) S2，相應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù) K2，D3控制L17～L24八盞燈，對(duì)應(yīng)農(nóng)作物期待光強(qiáng) S3，相應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù) K3，各補(bǔ)光燈位置如表1所示.為了便于分析，這里假設(shè) hi=1m，將各補(bǔ)光燈位置坐標(biāo)代入式（5），通過matlab仿真可得各調(diào)節(jié)系數(shù) Ki：

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)基于ZigBee組建一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及系統(tǒng)智能控制.系統(tǒng)框圖如圖4所示，溫濕度傳感器、環(huán)境光強(qiáng)傳感器等模塊分別采集的光照度和溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳到手機(jī)APP，手機(jī)APP經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將相應(yīng)指令通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳至Zigbee控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LED補(bǔ)光燈亮度調(diào)節(jié)及用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控.

圖4 大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)框圖

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)ZigBee傳感器終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè) ZigBee 協(xié)調(diào)器構(gòu)成［5］［6］，其中 ZigBee 模塊采用CC2530芯片.CC2530支持IEEE 802.15.4協(xié)議，特別適合超低功耗組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò).ZigBee協(xié)調(diào)器通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)透明傳輸給手機(jī)APP，本文采用的ESP8266 WIFI模塊.

為了方便用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚L(fēng)ED燈，通過使用Android Studio開發(fā)工具設(shè)計(jì)出了手機(jī)APP，界面如圖5所示.各LED燈組的發(fā)光強(qiáng)度 Ii可由所購(gòu)買的LED燈參數(shù)得到，環(huán)境光強(qiáng)E0由光強(qiáng)傳感器得到，輸入各區(qū)期待光強(qiáng) Sm，代入式（6）可得到相應(yīng)的調(diào)光系數(shù) Ki，發(fā)送到Zigbee終端控制節(jié)點(diǎn)，通過PWM控制LED燈亮度.

圖5 手機(jī)APP界面

3 總結(jié)

本文結(jié)合ZigBee技術(shù)、傳感器技術(shù)、WIFI技術(shù)和手機(jī)APP設(shè)計(jì)的溫室大棚L(fēng)ED光環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過環(huán)境光強(qiáng)傳感器、溫濕度傳感器等模塊采集數(shù)據(jù)，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳至手機(jī)APP，手機(jī)APP依據(jù)接收數(shù)據(jù)及一些參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生相應(yīng)指令，再通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳到Zigbee控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)大棚L(fēng)ED補(bǔ)光燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控.

該系統(tǒng)目前仍存在許多不足之處.比如，環(huán)境光強(qiáng)采集沒考慮到其他LED燈的影響；APP界面比較簡(jiǎn)單，功能不多；沒有考慮LED燈不同立體角的發(fā)光強(qiáng)度是不一樣的等等，有等于后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn).

參考文獻(xiàn)：

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