智能LED植物补光灯控制系统设计

顾立明

摘要：伴随着社会的发展，依靠气象农业很难满足人们对植物的需求，所以温室农业才得以启动和迅速发展。但是，自然光强度仍然限制着植物的生长速度。因此，使用人工光源补充植物的光是人工干预的有效手段。常见的人造灯光是卤化物灯、白炽灯和荧光灯，它们消耗大量能量，限制了植物光补充的人造灯光的发展。随着LED技术的发展，环保节能的LED光源迅速进入植物光补充领域，受到国内外众多研究者的青睐。因此，本文采用LED光源设计了具有频谱结构的智能动态可调光补充系统。该系统可以利用相应的传感器采集当前自然光线谱中红蓝光的照度和共混比，并根据植物当前生长周期光谱的需求调整光增益参数，以满足不同植物的照明需求，使植物能够在更好的生长环境中生长。这将缩短增长阶段，提高经济效益。本文主要分析了智能LED植物填充光控制系统的设计。

关键词：人工光源；光环境；ＬＥＤ；光电传感器；ＰＷＭ

引言

光是植物生命的源泉，植物的选育、生长、开花和果实形成离不开光的参与。根据研究，参与植物光合作用的光谱位于380 ~ 760 nm可见光区，主要吸收红蓝光光谱带；同一植物的不同植物和不同生长阶段对红蓝光比有不同的要求；光线不足或过多阻碍了植物的生长发育。但是，受自然因素的限制，灯光强度越低，纬度越高。春冬雨燕影响自然光的光照强度。

1、系统设计

该系统的主要功能是实时检测环境中红色和蓝色光的强度，并控制LED，结合预设光电参数动态调整光增益值。该系统可以通过钥匙输入改变输出功率和红蓝光比，并显示当前环境参数和预设参数。同时，该系统还配备了温度检测功能。温度过高时，可以启动散热管理系统，有利于系统的长期稳定工作。此外，它还配备了错误开关和灯光防盗开关，可在您不知情的情况下防止出现系统问题。智能LED植物填充光灯的主要功能是:实时检测红蓝光的室内环境；计算光填充值；控制红色和蓝色指示灯的动态调整。该处理器采用STM32F103单片机，是智能LED植物光补充灯的控制核心。该光源模块实现了植物的光补充功能，主要由具有特定排列的LED阵列组成，利用少量紫外线和红外线杀死植物表面的细菌；光源驱动模块是直接调制光源阵列的电路，单片机通过改变输出PWM信号来控制LED光源。传感器模块采用光敏电阻传感器的设计来检测室内光环境。

1.1系统硬件设计

微处理器模块，本系统采用STC15 W410AS系列单片机作为主控芯片。该单片机为单时钟周期单片机，具有宽电压、高可靠性、低功耗、超强抗干扰等特点。其内部晶振和外部复位电路、8个高速10位A/D转换器(每秒30万次)、3个CCP/PWM/PCA通道、1组高速同步串行通信端口SPI等资源几乎包括

自然光采集模块，系统利用光敏电阻实时采集环境光，并将采集到的信息发送给单片机进行处理。系统主要控制红光和蓝光，其他光谱波段不考虑。为了更好的检测当前环境中红光和蓝光的强度和混合比例，采集模块分为两路进行采集，红光带通滤波器和蓝光带通滤波器分别设置在光敏电阻的前端。由于选用的单片机有8路10位A/D转换器，滤波后的信号可以直接接到单片机对应的管脚上，不需要额外增加A/D转换芯片。

1.2系统软件设计

该系统的软件是由c语言设计和开发的。该系统可分为比例匹配模式和阈值控制模式两种工作模式。初始化系统的预置参数，从光阻中采集外部红蓝光的光强，发送到单片机。系统通过组合功率和红蓝光混合比等参数来计算红蓝光的光补充量，并确定光补充策略。然后微处理器模块调整两个PWM波的键比，驱动LED补充光，使红蓝光混合比根据预设值发光。系统在此状态运行一段时间后，检查灯光环境是否再次变化，以确定是否需要调整灯光补充参数。在阈值控制模式下，系统初始化预设参数，光阻采集外部红蓝光强度，并将其发送到单片机。系统会自动判断当前灯光强度是否达到预设值，如果灯光强度大于预设值，则会自动关闭相应的LED。否则，系统会根据光强度差计算光增益策略，然后微处理器模块调整PWM波的键比，驱动LED补充光，使红、蓝光强度达到预设值，实现智能光增益调节。系统在此状态运行一段时间后，检查灯光环境是否再次变化，以确定是否需要调整灯光补充参数。

2、系统测试分析

本文设计的自适应智能LED植物光补充灯的相关参数进行了测试，如Tracepro光均匀性的验证实验。对光填料柜进行光跟踪仿真，实现光填料柜底部的照明分布。测试照明强度数据下四角和光操作机柜中心，以评估所设计系统的光均匀性；并测量红色和蓝色光在位置上的光质量比，以确定光补充实现是否符合方案。同时，将培养皿中培养的一些植物或一些有价值的植物作为实验演示的实验对象，并将其中几个植物:叶面积、叶片数、植物高度、重量和生命周期作为检测指标，以测量植物生命周期和产量的变化，并进行相关实验。初步实验验证发现，最初设计的光填充系统目前具有良好的效益，大大提高了作物产量(叶面积、叶数、植物高度和重量)，大致增加了30%，明显缩短了约25%的生命周期。

3、植物补光灯

对于植物的生长来说，不同颜色的光会对植物产生不同的影响，其主要体现在植物的生长发育等方面。目前全光谱ＬＥＤ在不断发展，所谓全光谱其实就是覆盖植物所需波长。该设计具有较长的波长覆盖，相比于红蓝光谱增加了其他光质，例如绿光、青光、紫光，增强了光谱的连续性，对植物的生长具有重要意义。从植物叶绿素的光谱吸收率谱图可以看到叶绿素的两个吸收峰的中心波长分别为0.45um(蓝光)和0.65um（红光），有一个反射峰的中心波长0.54um（绿色）。因此，红光和蓝光对植物生长起的作用最为明显。该系统采用模块化设计概念，整个系统分为温室光补充模型的设计、硬件模块的设计和软件模块，其中硬件模块包括植物光补充柜框架、LED光补充面板、环境检测模块和控制模块。该软件模块主要是上部计算机模块，采用智能LED植物光补充系统对不同光密度和光谱混合比下植物光补充进行了研究。本文设计了一种智能LED植物光补充灯，包括处理器模块、光源模块、光源驱动模块和传感器模块。采用嵌入式操作系统和传感器技术以及闭环控制思想，可以实时调整频谱。对光源均匀性进行测量后，可以确定本文设计的植物生长灯满足了光源强度和光质量的设计要求。根据光灯条件下种植的生菜与自然条件下种植的生菜的比较试验，智能植物生长灯可以大大促进植物生长，作物产量提高50%。

结束语

本文针对既有植物光填充灯的单纯性填充模式和简单控制模式问题，开发了智能LED植物光饱和灌篮控制系统。该设计有两种光填充模式，即红蓝光混合比控制模式和红蓝光阈值调节模式。在不同的光插入模式下，系统结合当前光环境分析计算光填充参数，在需要时实现光填充，并以数字方式设置相应的光填充参数。同时，为了使系统在系统温度超过通风阈值时保持稳定运行，启动通风散热装置，当温度超过报警阈值时，系统停止工作，发出声光和视觉报警。该设计从植物光补充装置的实际需求出发，有效地结合了各种功能和能量，满足了不同生长阶段和生长环境中不同植物的光补充需求。

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