基于LED光源的溫室光環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設計

摘要：為了降低照明能耗費用及多層立體式培養(yǎng)的需求，提出了一種基于LED光源的智能溫室光環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設計。該系統(tǒng)通過MCU進行控制來改變溫室的光環(huán)境。系統(tǒng)監(jiān)控采用Labview進行編程，完成對其參數的實時監(jiān)測。實際應用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、檢測準確的特點，具有很強的實用性和推廣性。
關鍵詞：智能溫室；光照度；串口通信；實時監(jiān)測

0 引言
    LED作為新一代光源，除了環(huán)保節(jié)能的特點外，相較于目前農業(yè)領域常用的熒光燈或高壓鈉燈等人工光源，具有光量可調整、光質可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等優(yōu)點，對封閉有環(huán)控的農業(yè)生產環(huán)境，如植物組織培養(yǎng)室等是一種非常適合的人工光源。對溫室中植物生長的光環(huán)境參數準確監(jiān)測及控制非常重要，為了實現對光環(huán)境參數的準確檢測及智能控制，在做了需求分析的基礎上，提出并設計了一種基于LED光源的溫室光環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)(以下簡稱“監(jiān)測與控制系統(tǒng)”)設計方案。該系統(tǒng)能夠完成對其光環(huán)境準確監(jiān)測與控制。

1 監(jiān)控需求分析
    LED理想的工作溫度通常為25℃。在該溫度時，發(fā)光強度具有最大值。溫度升高，則導通電流將相應地增加。過熱的短期影響是顏色漂移，這種顏色漂移是不可逆的。過熱的長期影響是發(fā)光強度和LED壽命的永久降低。針對為滿足溫室光環(huán)境參數進行監(jiān)測與控制的需求，結合植物對LED光源的光合作用的關系，經過分析得到光環(huán)境監(jiān)測與控制的主要參數：LED光源的光照度信號、光源板中央溫度等信號。要想完成信號的監(jiān)測與控制，要從三個方面入手：首先該監(jiān)測與控制系統(tǒng)應能采集處于各種狀況的輸入參數，并檢測系統(tǒng)的輸出信號，判斷出溫室在各種狀態(tài)下是否按要求工作；其次，應能將檢測的數據與PC機通信；再次，還應具有將數據顯示和存儲，并將數據處理后控制溫室光環(huán)境的功能。

2 總體設計
    本監(jiān)測與控制系統(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)主要由上位機、MCU數據采集單元及執(zhí)行機構3部分組成，在對溫室光環(huán)境參數的監(jiān)測過程中，通過各傳感器對溫室內光源板溫度和光照度等參數進行實時檢測，監(jiān)測各參數是否正常。采集的數據經轉換后送入單片機，完成數據采集：STC12C5A60S2單片機為核心控制器，PC機與Labview軟件作為監(jiān)控模塊，兩者通過RS232串口進行通信，借助溫室環(huán)境數據(光照度、LED光源板中央溫度)，構筑溫室光環(huán)境的監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設計
    監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要由RS232串行通信接口電路、STC12C5A60S2控制器、LED陣列光源模塊、LED驅動電路、DS18B20光源板溫度采集電路和TSL2561光照度參數采集電路等組成。為實現溫室光環(huán)境調控，需要實時自動采集溫室光照度與LED溫度，反饋給控制器?？刂破鞲鶕O定值的照度，調節(jié)LED驅動電路PWM的占空比，進而調節(jié)流過LED的正向電流，使溫室光照度近似等于設定值，最終達到照度的調控。同時，控制器根據光源板反饋的溫度值與設定值比較，當溫度超過設定值時啟動降溫風扇。對于系統(tǒng)LED光環(huán)境調控的原理如圖2所示。

3．1 LED陣列光源板
    理想情況下，單個LED光源的光強分布是觀察角度的余弦函數。實際上，由于封裝和芯片形狀的原因，LED的光強分布不是一個理想的余弦分布，該分布可以表示為式(1)，照度的實際近似分布應該為式(2)：
   
    式(1)和(2)中，θ是觀察角，I0(單位：cd)表示法線方向上的最大光強，E0(單位：Lx)是軸向與LED距離為r處的照度值。m值為一常數(可查LED技術手冊)。
    LED陣列的照度是以多個LED照度線性疊加的方法得到的照度。在坐標系(x，y，z)下修改照度公式(2)，設目標和光源距離為z，單個LED在空間的光照度E可用式(3)表示。
   
    在由兩個LED組成的陣列情況下，如果LED間距為d，目標面上的照度如式(4)所示。
   
    當z=1 cm，m=81時，代入式(5)可得dmax=0．218cm。為保證光照度較為均勻，兩個LED之間距離d的最大值為0．218cm。因此，LED陣列光源設計可以選擇這個值作為各LED之間的距離，可由多個LED組合為方形陣列，完成較為均勻的光源設計。
3．2 光照度與光源板中心溫度檢測電路
    本文檢測電路運用TSL2561光傳感芯片與DS18B20溫度傳感器，完成對光照度和光源中心溫度的數據采集。硬件電路如圖3所示。

    TSL2561是一種光強度傳感器芯片，它具有數字式輸出端口和標準I2C總線接口，涵蓋1～70000Lx的寬照度范圍。其內部通道0和通道1是兩個光敏二極管，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A／D轉換器對流過光敏二極管的電流進行積分，并轉換為數字量，在轉換結束后將轉換結果存入芯片內部通道0和通道1各自的寄存器中。當轉換完成后，從通道0寄存器和通道1寄存器讀取相應的值CH0和CH1計算光照度Lx。
    DS18B20是一種溫度傳感器，內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL配置寄存器。DS1 8B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0．0625℃／LSB形式表達，其中S為符號位。根據DS18B20的通訊協(xié)議，單片機嚴格按照DS18B20的時序進行控制，可完成光源板中心溫度的測量。
3．3 LED驅動電路
    LED光源流明效率(ηe)是指輸入每瓦電功率所產生的流明光通，計量單位1m／W，計算公式如式(6)所示：
   
    式中：ηe是流明效率，φ1um是光通量，U是LED正向電壓，I是LED正向電流。
    照度(E)是指1流明的光通量均勻分布在1m2表面上所產生的光照度，單位為勒克斯(Lx)，計算公式如式(7)所示：

    可見，LED的亮度幾乎和它的驅動電流直接成正比關系，可以通過調整正向驅動電流的大小來調整LED的亮度。

    LED陣列采用恒流驅動方式，LED可獲得恒定的顏色輸出。系統(tǒng)選擇PT4115恒流驅動芯片，驅動電路如圖4所示。PT4115是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源，它具有直流8V到30V的較寬輸入電壓范圍，擊穿電壓大于45V，輸出200～1200mA恒定直流，可滿足驅動點亮N顆串并聯(lián)的小功率LED。PT4115內置功率開關，采用高端電流采樣設置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調光和很寬范圍的PWM調光。當DIM的電壓低于0．3V時，功率開關關斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態(tài)。LED的最大平均電流由連接在VIN和CSN兩端的電阻RS決定，通過在DIM管腳加入可變占空比的PWM信號可以調小輸出電流以實現調光，計算方法如式(9)所示：
   
    式中，D是PWM的占空比，Vpilse為PWM的高電平值，Rs為限流電阻。
3．4 控制器算法設計及實現
    STC12C5A60S2作主控制器，該芯片自帶兩路PWM控制器、兩個定時器、十位AD轉換器等。系統(tǒng)光照度調整使用增量式的PID算法，根據變換量按比例調整PWM定時器CCAP1L、CCAP1H的值，輸出不同占空比的PWM信號調節(jié)LED的照度。其中PID如式(10)
     △uk=Aek-Bek-1+Cek-2                (10)
    式中：△uk為控制量的增量；k為采樣序號；ek為第k次采樣的輸入偏差值：ek-1為第k-1次采樣的輸入偏差值。
    光照度調整分兩種狀態(tài)：1)如果當前值小于輸入的設定值，則PWM波形占空比增加，輸出光照度增大，直到輸出值等于設定值。2)如果輸出值大于或等于設定值，則PWM輸出占空比減小，輸出光照度減小，直到輸出值等于設定值。通過不斷的檢測與調整，讓光照度保持恒定。
     LED光源板的溫度通過溫度傳感器檢測，當檢測溫度高于設定溫度時，啟動降溫風扇。當檢測溫度低于或等于設定溫度時，停止降溫風扇。

4 系統(tǒng)軟件設計
4．1 上位機軟件設計
    本監(jiān)測系統(tǒng)的軟件采用Labview編程，Labview是專為數據采集、儀器控制、數據分析與數據表達的圖形化編程環(huán)境，它是一個開放的開發(fā)環(huán)境，具有PCI、RS-232／485、USB等各種儀器通訊總線標準的所有功能函數，可以利用這些函數與不同總線標準接口的數據采集硬件交互工作。本系統(tǒng)采用NI VISA串口Serial函數來訪問和控制串口，從而實現串口通信功能。首先，利用VISA Con2figureSerial Port．vi進行串口初始化，然后利用VISA write．vi向寫緩沖區(qū)發(fā)送數據讀取指令，最后利用VISAread．vi以字符串形式讀取數據緩沖區(qū)的8位二進制數，并利用HexadecimalString To Number節(jié)點將8位字符串數據轉變成數字型數據，提供給控制電路。圖5為上位機Labview軟件握手協(xié)議子VI程序
部分框圖。

    上位機軟件完成如下功能：初始化系統(tǒng)；根據溫室控制要求向下位機發(fā)送控制指令；控制串口和下位機的收發(fā)；判斷下位機數據采集狀態(tài)并發(fā)送相應控制指令；讀取和解析來自下位機的數據；顯示實時或非實時數據；保存數據；根據環(huán)境需求控制系統(tǒng)狀態(tài)。圖6為上位機軟件流程圖。
4．2 下位機軟件設計
    下位機軟件采用C51語言編寫。完成的功能有：根據上位機控制指令控制下位機的光環(huán)境參數采集、環(huán)境參數的給定值；向上位機發(fā)送環(huán)境參數；根據環(huán)境參數與設定值調控光環(huán)境。下位機軟件流程如圖7所示。

5 實驗應用
    本系統(tǒng)用于簡易溫室光照度的測試。在進行測試時，首先運行監(jiān)測應用軟件，初始化后，通過完成檢測設置和通信配置等相關設置，然后通過點擊主程序界面的相應模塊檢測按鈕進行相應的測試，其中上位機發(fā)送控制命令字，然后接收下位機發(fā)回的數據；并將結果進行顯示，2串串并聯(lián)1W紅光陣列光源光照度測試的數據如表1所示。實驗結果表明，溫室照度穩(wěn)定在設定值左右，調光系統(tǒng)基本維持設定照度的穩(wěn)定。

6 結論
    本文設計的LED光源環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，既可對溫室環(huán)境參數進行實時的采集與顯示，又可實現數據的遠程控制，能夠滿足系統(tǒng)的監(jiān)測與控制需求。本測試系統(tǒng)已在簡易溫室系統(tǒng)進行測試，實際應用表明，其具有檢測準確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。而且系統(tǒng)擴展后可運用于多個光源板工作站的遠程數據監(jiān)測與測控。