唐　宇，駱少明，黃偉鋒，張偉鵬，侯超鈞

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，廣州　501225；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 精準(zhǔn)智能裝備，廣州　501225)

0　引言

人工溫室大棚能解除自然環(huán)境對(duì)藍(lán)莓生長(zhǎng)的限制，可顯著降低藍(lán)莓生長(zhǎng)對(duì)季節(jié)的敏感性，使其部分或完全擺脫對(duì)氣候條件的依賴，在不適宜生長(zhǎng)的季節(jié)或地域中得到正常的發(fā)育，并保持甚至增加產(chǎn)量。正是由于溫室大棚內(nèi)種植藍(lán)莓能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使得該技術(shù)越來越普及，成為廣大農(nóng)民創(chuàng)收的重要手段[1]。

在溫室大棚內(nèi)種植環(huán)境的諸多控制因素中，光照是影響溫室大棚內(nèi)藍(lán)莓生長(zhǎng)發(fā)育的首要環(huán)境因子，不同的光照與光質(zhì)決定著藍(lán)莓生長(zhǎng)的快慢[2]、生育期的長(zhǎng)短和產(chǎn)量的高低。因此，適當(dāng)補(bǔ)充光照，使藍(lán)莓生長(zhǎng)前期早生快發(fā)，是提高藍(lán)莓產(chǎn)量的重要舉措之一[3]。傳統(tǒng)的光照控制是以人工的方式開關(guān)遮陽簾和照明燈具實(shí)現(xiàn)的，耗時(shí)費(fèi)力，控制手段單一，控制精度低，有一定的局限性。通過引入嵌入式控制方法，采用數(shù)控恒流技術(shù)控制溫室大棚內(nèi)的補(bǔ)光LED光源[4]，可顯著提高控制效率和控制精度[5]，靈活便捷，且光照強(qiáng)度和照射時(shí)間均可被精確調(diào)控至符合藍(lán)莓生長(zhǎng)的需求[6]，加快藍(lán)莓的發(fā)育速度和土肥營養(yǎng)吸收速率[7]，進(jìn)而提高藍(lán)莓的質(zhì)量和產(chǎn)量。國內(nèi)外針對(duì)作物光照調(diào)控技術(shù)已有相關(guān)的研究報(bào)道。Cao等人[8]分別使用純紅色、80%紅色+20%藍(lán)色、50%紅色+50%藍(lán)色、純藍(lán)色等4種LED光源照射藍(lán)莓，并測(cè)定了對(duì)藍(lán)莓生長(zhǎng)的影響。何國榮[9]設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)的大棚自動(dòng)卷簾控制器，可增加作物的6.97%日均光照時(shí)間。王明達(dá)[10]結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了溫室光照調(diào)控系統(tǒng)，利用遮陽幕實(shí)現(xiàn)溫室中光照環(huán)境的智能調(diào)節(jié)和控制。

目前的光照調(diào)控大多集中在對(duì)被動(dòng)光源的調(diào)整和對(duì)主動(dòng)光源的分級(jí)調(diào)節(jié)，而在藍(lán)莓種植環(huán)境中根據(jù)外界自然光強(qiáng)度的主動(dòng)光源自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制未見報(bào)道。本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)合嵌入式技術(shù)和數(shù)控恒流LED調(diào)光技術(shù)的藍(lán)莓種植環(huán)境光照調(diào)節(jié)器，通過光強(qiáng)傳感模塊采集光照信息[11]，以STM32嵌入式處理器為核心，通過數(shù)字PID算法控制驅(qū)動(dòng)LED光源的恒流電路輸出電流[12]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光照強(qiáng)度的精確調(diào)控。

1　調(diào)節(jié)器硬件設(shè)計(jì)

光照調(diào)節(jié)器由STM32核心模塊、光照強(qiáng)度信息采集模塊、恒流源電路模塊、LED光源模組、鍵盤、OLED(Organic Light-Emitting Diode)顯示模塊、工作電源模塊和接口電路等組成，如圖1所示。處理器模塊以STM32F070嵌入式處理器為核心，以I2C接口與光照強(qiáng)度信息采集模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)莓內(nèi)光照強(qiáng)度的檢測(cè)。STM32通過內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，Analog to digital Converter)采集恒流源電路的電流強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC，Digital to Analog Converter)輸出電壓形式的控制信號(hào)，使恒流源電路模塊輸出期望的電流值，進(jìn)而控制LED光源發(fā)出預(yù)期強(qiáng)度的光。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1　STM32核心模塊電路設(shè)計(jì)

光照調(diào)節(jié)器采用的控制核心是意法半導(dǎo)體公司推出的一款實(shí)用、多功能和低能耗處理器STM32F072VBT6。該處理器基于ARM Cortex-M0的32-bit RISC嵌入式內(nèi)核，內(nèi)置能以零等待周期進(jìn)行讀寫訪問的128kB Flash閃存存儲(chǔ)器和 16KB SRAM靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。該處理器片內(nèi)含有2個(gè)I2C接口、精度為12-bit的16通道ADC和2通道DAC，可滿足調(diào)節(jié)器功能需要。調(diào)節(jié)器中的核心模塊由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和串口調(diào)試電路構(gòu)成，并引出相應(yīng)的I/O引腳與其它外圍模塊電路連接，如圖2所示。

圖2　STM32核心模塊電路

1.2　工作電源模塊電路設(shè)計(jì)

STM32F072VBT6的供電電壓范圍為DC +2.0～3.6V，為滿足其它外圍電路模塊的電能需求，調(diào)節(jié)器的工作電源設(shè)計(jì)為DC +3.3V。工作電源將市電AC220V經(jīng)過交流變壓、整流、濾波和線性直流穩(wěn)壓處理后變換成低壓直流電，如圖3所示。

圖3　工作電源模塊電路

圖3中的穩(wěn)壓環(huán)節(jié)采用三端穩(wěn)壓集成電路LM317，其輸入端和輸入端均加有LC濾波環(huán)節(jié)以進(jìn)一步降低紋波對(duì)電路性能的影響。電路的輸出電壓可由公式(1)計(jì)算得到，通過調(diào)節(jié)R3的阻值可令電源輸出端VCC的電壓為DC +3.3V。

VO=VREF(1+R3/R2)+(IADJ×R2)

(1)

其中，參考電壓VREF為1.25V；校準(zhǔn)電流IADJ為0.05mA。

1.3　恒流源電路模塊設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)器中的恒流源電路模塊以LM2576S-ADJ降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器芯片為核心，該芯片的應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出電流高達(dá)3A，能滿足用于溫室大棚內(nèi)區(qū)域照明補(bǔ)光的LED光源模組的需要。恒流源電路中加入LM358運(yùn)算放大器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行變換，以形成STM32F072VBT6處理器ADC能識(shí)別的幅值范圍的電壓信號(hào)，如圖4所示。

圖4　恒流源電路模塊

電路中，通過電流采樣電阻采集輸出電流信息，并經(jīng)過LM358進(jìn)行信號(hào)變換后被STM32F072VBT6處理器的ADC接收，經(jīng)過算法處理后由該處理器通過DAC發(fā)出電壓信號(hào)到LM2576S-ADJ的反饋信號(hào)輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)其輸出電流的恒定控制。

1.4　光照強(qiáng)度信息采集模塊接口電路設(shè)計(jì)

溫室大棚的光照強(qiáng)度信由TSL2561數(shù)字式光強(qiáng)傳感器采集后，通過標(biāo)準(zhǔn)I2C接口傳送給STM32F072VBT6處理器，如圖5所示。TSL2561是TAOS公司推出的第2代光強(qiáng)數(shù)字I2C接口轉(zhuǎn)換芯片, 具有轉(zhuǎn)換速度高、功耗低、量程寬和配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，用于將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。其內(nèi)部連接1個(gè)對(duì)紅外與可見光均敏感的光敏二極管(CH0)和1個(gè)僅對(duì)紅外光敏感的光敏二極管(CH1)，CH0和CH1各能提供16位精度的光強(qiáng)數(shù)據(jù)。

圖5　光照強(qiáng)度信息采集模塊接口電路

1.5　OLED顯示模塊接口電路設(shè)計(jì)

OLED模塊采用SSD1306芯片驅(qū)動(dòng)OLED矩陣，分別為128列×64行的像素字符、單色、圖形顯示的模塊。SSD1306芯片內(nèi)部集成了8 912個(gè)單元的RAM，對(duì)應(yīng)與OLED顯示屏的8 912個(gè)像素點(diǎn)，分成了0～7頁，1頁中又分成8行，可滿足光照調(diào)節(jié)器相關(guān)電流和光強(qiáng)信息的顯示需要。該部分接口電路如圖6所示。

圖6　OLED顯示模塊接口電路

1.6　LED光源模組電路設(shè)計(jì)

用于溫室大棚內(nèi)區(qū)域環(huán)境光亮度補(bǔ)償?shù)腖ED光源模組采用串并混聯(lián)方式，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　光源模組中的LED排列結(jié)構(gòu)

每個(gè)光源模組采用9顆LX5730D型高亮度LED，以3串聯(lián)后再3并聯(lián)的方式連接，該型號(hào)的LED相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　LX5730D的電氣與光學(xué)參數(shù)

2　調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計(jì)

光照調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計(jì)采用C語言編寫，分為處理器主程序和子程序兩大部分。主程序主要完成系統(tǒng)中各功能單元的初始化工作，如圖8所示。

圖8　調(diào)節(jié)器主程序流程圖

接收用戶通過鍵盤錄入的亮度增強(qiáng)或降低指令，并根據(jù)用指令發(fā)出控制命令，實(shí)時(shí)采集并顯示光照傳感器模塊輸出的光強(qiáng)檢測(cè)信息和恒流源輸出的電流強(qiáng)度信息，通過數(shù)字PID算法控制LED光源發(fā)出強(qiáng)度恒定的光。子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)子功能，主要包括傳感信息采集程序、按鍵掃描程序、顯示程序和數(shù)字PID調(diào)光程序等模塊。

2.1　傳感信息采集程序

調(diào)節(jié)器的傳感信息有恒流源電路模塊輸出電流強(qiáng)度和溫室大棚區(qū)域環(huán)境光照強(qiáng)度兩種：前者直接由STM32F072VBT6處理器的ADC接收并經(jīng)過線性變換后存儲(chǔ)和顯示；后者涉及I2C總線通信協(xié)議和TSL2561的命令控制。其程序流程如圖9所示。

圖9　振動(dòng)信息采集程序流程圖

2.2　按鍵掃描程序

調(diào)節(jié)器中設(shè)置了4個(gè)按鍵，分別代表“系統(tǒng)復(fù)位”“亮度增加”“亮度減少”“回車確定”4個(gè)功能。采用獨(dú)立式連接，在軟件中只需要進(jìn)行I/O口的掃描判斷，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。該部分程序流程如圖10所示。

圖10　按鍵掃描程序流程圖

2.3　數(shù)字PID調(diào)光程序

為保證LED光源模組以用戶設(shè)定的強(qiáng)度值發(fā)光并保持恒定，調(diào)光算法采用閉環(huán)控制方式，由光強(qiáng)傳感器反饋亮度值采用數(shù)字PID算法[12]。根據(jù)擴(kuò)充臨界比例度PID參數(shù)整定法，結(jié)合Ziegler-Nichle條件可得

ΔP(k)=KP[2.45E(k)-3.5E(k-1)+

1.25E(k-2)]

(2)

其中，E(k)、E(k-1)和E(k-2)為最近3次采樣后算得的偏差值；KP為歸一化控制參數(shù)。

在程序中，預(yù)置3個(gè)緩存單元，每采樣得到1個(gè)新的偏差值，替換先前的偏差值。根據(jù)式(2)，對(duì)最近的3次采樣偏差值進(jìn)行運(yùn)算，即可得到控制增量ΔP(k)。在本調(diào)節(jié)器中，光照強(qiáng)度的采樣周期定制為200ms，程序流程如圖11所示。

圖11　PID調(diào)光程序流程圖

3　光照調(diào)節(jié)器運(yùn)行測(cè)試

將本調(diào)節(jié)器放置于廣州市從化區(qū)街口鎮(zhèn)的從化華隆果菜保鮮有限公司的藍(lán)莓種植大棚內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，安裝示意圖如圖12所示。LED光源模組固定在藍(lán)莓大棚頂架上，光路垂直向下；光照強(qiáng)度傳感模塊水平放置在該區(qū)域的藍(lán)莓冠層頂部上，與光源的垂直距離約2m。

圖12　光照調(diào)節(jié)器安裝示意圖

3.1　PID參數(shù)整定

為得到效果較優(yōu)的控制參數(shù)Kp，人為調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)日光燈的通和斷，測(cè)試光照調(diào)節(jié)器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。開啟日光燈后恢復(fù)到預(yù)設(shè)的亮度值(200 Lux)所用的時(shí)間，使用HT-860型照度計(jì)測(cè)量光照強(qiáng)度并用秒表計(jì)時(shí)。試驗(yàn)重復(fù)3次，PID控制參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　PID控制參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

KP>0.8時(shí)，不能進(jìn)行正常的控制。

由表2可以看出：KP的最佳值為0.7，精度為10-1。另外，KP精度和采樣周期的長(zhǎng)短都會(huì)影響PID控制的品質(zhì)。

3.2　恒流源電流顯示精度測(cè)試

光照調(diào)節(jié)器上電后，通過按鍵設(shè)定電流的輸出值，以約50mA的步進(jìn)幅度遞增，記錄顯示屏上顯示的對(duì)應(yīng)DAC轉(zhuǎn)換輸出值的電流大小。通過外部電流表檢測(cè)電流源輸出電流的大小來進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3中的最大相對(duì)誤差為3.96%，平均相對(duì)誤差為2.23%。由此可見，恒流源的電流輸出控制得當(dāng)，精度較高。

表3　電流顯示精度測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3　工作穩(wěn)定性測(cè)試

當(dāng)工作一段時(shí)間，電流外部測(cè)量值隨著系統(tǒng)工作時(shí)間延長(zhǎng)稍有減少，但顯示輸出值基本不變。造成這種誤差的主要原因如下：當(dāng)系統(tǒng)工作的時(shí)間加長(zhǎng)時(shí)，元器件的溫度不斷上升，雖然比較緩慢，當(dāng)時(shí)間一長(zhǎng)，采樣電阻和負(fù)載電阻的阻值不斷變大，造成輸出電流減少而采樣電阻兩端的電壓不變。測(cè)試的結(jié)果如表4所示。

表4　長(zhǎng)時(shí)間工作電流變化趨勢(shì)

結(jié)果表明：調(diào)節(jié)器的工作電流存在溫度漂移現(xiàn)象，是由于相關(guān)元器件工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量排散效果不好所致。為此，擬在后續(xù)的改進(jìn)工作中加入風(fēng)扇和散熱片等專用散熱器具，以降低溫漂現(xiàn)象。

4　結(jié)語

基于數(shù)控恒流技術(shù)的藍(lán)莓光照調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚內(nèi)區(qū)域光照強(qiáng)度的精確控制，克服了傳統(tǒng)人工調(diào)光方式靈敏度低、耗時(shí)低效的局限性。測(cè)試結(jié)果表明：該調(diào)節(jié)器軟硬件設(shè)計(jì)合理，具有良好的擴(kuò)展性，在此基礎(chǔ)上可以掛接更多傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)莓大棚的溫度、濕度和空氣成分等更多參數(shù)的檢測(cè)和監(jiān)控，能較好地滿足大棚內(nèi)藍(lán)莓生長(zhǎng)發(fā)育的光照補(bǔ)償需要，并具有使用靈活、安裝簡(jiǎn)便和成本低廉的特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)方案不僅能應(yīng)用在藍(lán)莓大棚光照強(qiáng)度監(jiān)控領(lǐng)域，還可以推廣到其它照度監(jiān)控領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)最終的藍(lán)莓光照按需供給及其它溫室大棚全方位智能監(jiān)控提供了技術(shù)參考。