麥強(qiáng)

東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院（東莞 523808）

蔬菜作為我國(guó)第一大農(nóng)產(chǎn)品，是日常中不可缺少的食物之一，但由于貯藏保鮮技術(shù)落后，蔬菜采后在運(yùn)輸和銷售過程中損失率達(dá)到30%，嚴(yán)重制約中國(guó)蔬菜發(fā)展[1-3]。由于蔬菜采后呈鮮活狀態(tài)，內(nèi)部組織仍然會(huì)進(jìn)行蒸騰作用、呼吸作用等新陳代謝運(yùn)動(dòng)，蔬菜的感官和食用品質(zhì)會(huì)隨采后保鮮時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減低。為延緩蔬菜的衰老，目前主要采用物理保鮮技術(shù)、化學(xué)保鮮技術(shù)和生物保鮮技術(shù)三大類。其中，物理保鮮技術(shù)由于無(wú)毒無(wú)殘留、操作方法簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)主要采用低溫高濕保鮮方法，通過0～5 ℃冷庫(kù)環(huán)境延長(zhǎng)蔬菜保鮮期。但由于冷庫(kù)體積大、能耗高、價(jià)格高昂、移動(dòng)不方便等問題，難以得到普通菜農(nóng)和菜販的廣泛采用。

光照在蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育過程中具有重要的作用，還會(huì)影響采后蔬菜的新陳代謝。將光照引入蔬菜的貯藏保鮮環(huán)境中，使蔬菜進(jìn)行光合作用，維持蔬菜品質(zhì)，延緩衰老，延長(zhǎng)貨架期。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)光照波長(zhǎng)、光配比、光強(qiáng)及均勻性對(duì)蔬菜的貯藏保鮮有一定影響。

隨著人工光源LED技術(shù)快速發(fā)展，LED光源具有高光能利用率、單色性好、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，使其在植物工廠領(lǐng)域應(yīng)用備受關(guān)注。LED光源能精確控制波長(zhǎng)、光配比、光強(qiáng)等參數(shù)，與自動(dòng)化控制、傳感器技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的精確控制與監(jiān)測(cè)。近幾年，興起研究紅藍(lán)組合LED光源對(duì)蔬菜生理活動(dòng)的影響機(jī)理，為光照條件對(duì)蔬菜貯藏保鮮提供重要依據(jù)。因此，對(duì)由LED紅藍(lán)組合光源構(gòu)成的蔬菜貯藏保鮮系統(tǒng)進(jìn)行介紹，對(duì)系統(tǒng)的光強(qiáng)均勻性進(jìn)行測(cè)定，確保光源滿足蔬菜保鮮需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

蔬菜貯藏保鮮系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、LED紅藍(lán)組合光源控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

整套系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，通過傳感器系統(tǒng)檢測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)人機(jī)交互系統(tǒng)中用戶設(shè)置的參數(shù)，對(duì)環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。環(huán)境控制系統(tǒng)由LED紅藍(lán)組合光源控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)構(gòu)成。LED光源通過PWM控制460 nm及660 nm LED輸出光通量，并根據(jù)不同參數(shù)要求設(shè)置不同光配比。濕度控制系統(tǒng)根據(jù)AM2301溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置參數(shù)要求，利用PID算法調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的高低。

1.2 設(shè)備系統(tǒng)工作過程

用戶通過在人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)置貯藏保鮮蔬菜的品種，并啟動(dòng)設(shè)備。單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)選定蔬菜設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制。

環(huán)境控制系統(tǒng)的工作過程中，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境光強(qiáng)與濕度。在LED紅藍(lán)組合光源控制過程中，利用帶濾光的PIN光電二極管對(duì)紅藍(lán)環(huán)境光進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，通過驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整紅藍(lán)光的光強(qiáng)；在濕度控制過程中，利用溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境濕度，如果實(shí)際的濕度環(huán)境低于蔬菜保鮮所需，則啟動(dòng)超聲波霧化器，通過風(fēng)扇將水汽吹進(jìn)貯藏區(qū)域，提高環(huán)境濕度；當(dāng)濕度滿足要求時(shí)，則關(guān)閉加濕系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用STC15F2K60S2單片機(jī)，通過單片機(jī)的獨(dú)立按鍵和液晶屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；利用I/O連接的繼電器控制各系統(tǒng)的電源通斷；通過I/O輸出PWM信號(hào)到DD311驅(qū)動(dòng)芯片的使能端口，控制各路LED輸出的光通量；利用AD模數(shù)轉(zhuǎn)化讀取PIN光電傳感器檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)；利用單線制串行方式讀取環(huán)境濕度參數(shù)。

2.2 濕度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)由AM2301溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，利用串口通信發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)采用PID算法控制繼電器啟動(dòng)或關(guān)閉超聲波霧化器和風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度控制作用。

2.3 LED光源系統(tǒng)

LED光源系統(tǒng)采用460 nm及660 nm波長(zhǎng)的高亮度單色LED燈珠，采用DD311電流驅(qū)動(dòng)芯片，通過PWM調(diào)節(jié)芯片輸出電流大小。系統(tǒng)由4條LED燈具構(gòu)成，每條燈具上各有2路460 nm和660 nm LED，每一路由6顆燈珠串聯(lián)構(gòu)成，每路LED間采用并聯(lián)方式。LED光源系統(tǒng)電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件控制流程為：設(shè)備開機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化保鮮參數(shù)、傳感器參數(shù)等；初始化后設(shè)備等待用戶在人機(jī)交互界面選擇蔬菜品種及啟動(dòng)指令，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)；單片機(jī)接收溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，與設(shè)置蔬菜保鮮參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否啟動(dòng)或關(guān)閉增濕程序，并將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)在液晶屏顯示；單片機(jī)根據(jù)PIN光電傳感器檢測(cè)到光強(qiáng)數(shù)據(jù)與紅藍(lán)光配比進(jìn)行比較，通過PWM調(diào)節(jié)LED紅藍(lán)光源光強(qiáng)。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖3所示。

圖2 LED光源系統(tǒng)電路

圖3 系統(tǒng)軟件控制流程圖

4 功能性驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)光均勻性研究

LED光源由紅藍(lán)光源組合構(gòu)成。通過采用遠(yuǎn)方SPIC-200光譜儀對(duì)光源波長(zhǎng)進(jìn)行分析，如圖4和圖5所示，紅光波峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為660 nm，藍(lán)光波峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為460 nm，均為理想的紅藍(lán)光源。

為探究不同光強(qiáng)照射均勻性特性，在接收平面上均勻布置16個(gè)光強(qiáng)測(cè)試點(diǎn)，如圖6所示。調(diào)節(jié)LED紅藍(lán)光輸出量，3種光強(qiáng)接收平面上不同點(diǎn)處光強(qiáng)如表1所示。光強(qiáng)1的最大與最小光強(qiáng)值相差1 μmol/（m2·s），光強(qiáng)2和光強(qiáng)3的最大與最小光強(qiáng)值相差3 μmol/（m2·s）。在不同光強(qiáng)照射下，整體光強(qiáng)分布均勻性好。

圖4 紅光LED相對(duì)光譜曲線

圖5 藍(lán)光LED相對(duì)光譜曲線

圖6 光強(qiáng)測(cè)試點(diǎn)分布

表1 不同光強(qiáng)下接收平面光強(qiáng)分布

4.2 系統(tǒng)光通量控制結(jié)果

LED光源系統(tǒng)采用PWM控制紅藍(lán)光LED的光量子通量密度。測(cè)量不同PWM值對(duì)應(yīng)2種波長(zhǎng)的LED光量子通量密度。運(yùn)用MATLAB對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)擬合曲線，并得出曲線的函數(shù)表達(dá)式。PWM值與460 nm和660 nm LED光通量折線圖如圖7所示。

圖7 PWM占空比與460 nm和660 nm LED光量子通量密度變化折線圖

擬合得到PWM占空比與460 nm LED光量子通量密度變化曲線函數(shù)表達(dá)式：g（x）=-0.000 321 6x2+0.815 6x-0.396 8。

PWM占空比與660 nm LED光量子通量密度變化曲線函數(shù)表達(dá)式：f（x）=（-6.497e-05）x3+0.013 17x2+0.111 9x+7.757。

基于PWM值與LED光量子通量密度的函數(shù)關(guān)系，可得到PWM控制LED輸出光通量算法b。根據(jù)蔬菜貯藏保鮮光環(huán)境參數(shù)，采用算法b可輸出相應(yīng)要求的LED光通量。

4.3 設(shè)備濕度控制測(cè)試結(jié)果分析

濕度控制系統(tǒng)的控制同樣采用增量式PID算法控制增濕操作的通斷，根據(jù)溫濕度傳感器采集設(shè)備內(nèi)實(shí)際的濕度變化數(shù)據(jù)，控制設(shè)備內(nèi)的濕度。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行濕度控制功能試驗(yàn)，得到其濕度隨時(shí)間變化曲線，如圖8所示。

圖8 濕度隨時(shí)間變化曲線

由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，實(shí)際濕度增加30%時(shí)，用時(shí)440 s，設(shè)備能有效控制濕度，其濕度控制情況適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育所需。

5 結(jié)論

通過對(duì)紅藍(lán)光波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試，波峰為460 nm和660 nm具有良好的單色性，并在不同光強(qiáng)照射下光強(qiáng)分布均勻，光量子通量密度在8～80 μmol/（m2·s）范圍內(nèi)精確控制，濕度調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)為蔬菜貯藏保鮮提供有效光環(huán)境。