基于LED的设施农业智能补光系统[1]

　　在农作物生长过程中，光照条件对农作物的生长速度、产量以及品质都具有重要的影响[1，2]。现阶段我国大部分设施农业仍依靠白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯等作为光源对植物进行补光[3 - 4]，这些传统的补光方法存在着光谱匹配不理想[5 - 6]、光能利用率低、未考虑其他环境因素的影响等缺点，其能耗过高导致难以在实际生产中形成较高投入产出比。随着半导体技术的发展，采用LED 冷光源作为补光灯光源的方案也已被提出[7]，可在一定程度解决上述补光光源的问题。但由于大部分研发方案和产品仍采用定光强、定光质的补光方式，未考虑不同植物不同阶段需光量的差异，造成补光不足和补光过度并存的现象，仍未能真正意义上解决低能耗精准化补光的问题[8]。

　　针对以上问题，本文研发了一种智能、精确、节能的补光系统，该系统充分考虑不同植物在不同阶段不同环境对补光需光量的影响。基于分波段光强检测技术、智能控制技术等现代电子信息技术，采用STC12C5A60S2 单片机作为核心处理器[9]，PT4115 为LED 驱动模块[10]，根据温度和光强检测结果，实现对各类植物在合适环境下按需分波长定量补光。在满足其生长所需光照前提下，最大程度的提高输出光能的利用率，具有误差低、响应速度快、成本低、维护简单等特点。

　　1 系统整体设计

　　本系统采用模块化设计，分为电源模块、检测模块、控制模块、补光模块、用户交互模块，总体结构如

　　图1 所示。其中，电源模块采用太阳能供电，分别提供5V，1 2V 两种供电电压，为整个系统供电; 智能控制模应用STC 系列单片机为核心，根据系统采集到的数据、设置阈值，实现对应PWM 控制信号的占空比计算和两路PWM 控制信号输出; 检测模块分波段检测红、蓝光强和实时温度，并将检测信号进行滤波、放大后传入单片机，实现相关环境信息的检测; 补光模块采用两路带有PWM 电流控制功能的恒流驱动电路，分别控制红、蓝光LED补光阵列灯的亮度，从而实现定量精确补光; 用户交互模块采用液晶屏完成检测结果显示，键盘实现按需阈值修改等功能，完成阈值修改与设置，有效提高系统使用的方便性、扩展性。

　　2 硬件设计

　　2. 1 电源模块

　　本系统电源模块由太阳能电池板、蓄电池和控制电路组成，整个系统利用太阳能电池供电，原理图如图2 所示。其中，控制电路的输入端与太阳能电池连接，输入电压通过LM317 及其外围标准电路对12V蓄电池充电，蓄电池为整个系统供电。蓄电池输出端利用MIC29302 稳压变压模块输出12V 稳压电源信号，并调整匹配电阻产生5V 稳压电源信号，从而提供本系统需要12V 和5V 两个供电电源。其中，单片机、检测模块以及用户交互模块均使用5V 电源供电，LED 补光模块采用12V 电源供电。

　　2. 2 控制模块

　　控制模块选用STC12C5A60S2 单片机作为核心处理器，采用5V 电源供电，具有8 路10 位A/D 接口、2 路PWM 输出口、Flash 存储空间56K、静态存取内存1 280B、可编程只读存储器1K，完成节点任务调度、数据采集、智能管理、控制信号输出、阈值的调整、数据转储等工作，电路如图3 所示。其中，P0 口连接液晶屏的8 路数据口; P1 口负责与采样信号连接，P1. 0 接入温度检测信号、P1. 1 接入红光检测信号、P1. 2 接入蓝光检测信号，从而完成对传感器监测数据的采集;P2 口连接4 × 4 矩阵键盘，P3. 0，P3. 1 用于单片机与串口连接的数据读写线，完成程序的下载; P3. 2 ～ P3.7 位液晶控制端; P4. 2，P4. 3 为单片机PWM 控制端输出口，其根据单片机计算出与两波段所需补光量对应的PWM 信号占空比，输出PWM 信号对LED 灯组的亮度进行控制。