基于LED的设施农业智能补光系统[2]

　　检测模块利用光照传感器、温度传感器实时检测设施内部光照强度和温度，并将采集数据提供给单片机进行处理，原理图如图4 所示。其中，温度检测模块由温度传感器18B20 及其标准调理电路组成，数据线接入单片机P1. 0 口，实现对温度的采集。光照检测包括红光光强检测和蓝光光强检测，采用波长范围在400 ～ 500nm 的蓝光2BU6 硅光电池和波长范围600 ～ 700nm 的红光2BU6 硅光电池作为检测元件。采用4 路运算放大器LM324 设计运算放大器将硅光电池的微弱模拟信号分别进行转换和放大，最终将模拟信号接入单片机P1. 1，P1. 2 端口进行A/D 转换，从而实现分波段光强检测。

　　2. 4 补光模块

　　补光模块包括LED 灯组及其驱动电路，驱动电路采用PT4115 驱动模块电路，红光和蓝光两个模块独立工作，原理图如图5 所示。其中，LED 灯组采用额定功率1W、中心波长为660nm 的窄带红光LED 阵列和中心波长为450nm 的窄带蓝光LED 阵列。由单片机输出的两路PWM 信号分别与红蓝光两路PT4115的DIM 控制端相连，其中红光驱动芯片与P4. 2 产生的PWM 信号接通，蓝光则与P4. 3 产生的PWM 信号接通。利用PWM 的信号控制驱动芯片PT4115 的输出电流，由此实现LED 灯组的定量补光。

　　2. 5 用户交互模块

　　用户交互模块主要包括液晶显示屏和键盘两部分，其中显示屏采用OCM12864 - 3 液晶屏，可实现系统数据的查询显示; 而键盘采用4 × 4 矩阵键盘，实现对系统相关数据的设定及改变。

　　3 软件设计

　　该系统软件主要包括传感器解析函数、数据管理与参数设定程序、PWM 信号控制程序和显示程序，实现3 类参数设置、环境因子采集以及对受控灯组的自动控制功能，软件流程如图6 所示。系统工作时，首先需要对温度，红蓝光强阈值进行设置，温度传感器周期对设施内温度监测，判断温度是否超出不利于光合作用的阈值范围，超出则关断LED 补光灯组。当温度在所设阈值范围内，再分别对红、蓝光进行光强检测，实际光强在阈值之内时，系统进入自动定量补光状态，根据所设阈值与实际值之差计算实际需光量，进而再根据与实际需光量对应的两路PWM 控制信号的占空比，分别产生对应的PWM 信号，达到控制LED 灯的亮度对植物实施精确补光的目的。

　　4 运行结果分析

　　该系统充分考虑了植物补光时的各种影响因素，通过对各因素的监测、设置、数据管理和决策程序，精确计算植物所需光照与实际光照总体差值，采用均值方式计算每个LED 的输出光强; 基于LED 驱动电流和输出光强的关系式，系统就可以通过对PWM 输出电流的控制，从而实现对补光量的控制。该系统已于2010 年在西北农林科技大学甜瓜基地投入试用，实现了设计方案中各类部分功能，可长期有效实现定量精确补光，图7 为设备原型界面。

　　5 结论

　　本文研发了一种基于STC12C5A60S2 单片机的植物智能精确补光系统。该系统利用太阳能供电，根据温度、光照传感器监测结果，通过核心处理器STC12C5A60S2 利用PWM 信号，控制特定波长的红、蓝光两路LED 灯组驱动电流，从而控制光源亮度，解决现有补光设备的不足，实现了对农作物的智能化、精确化补光。系统试验证明其具有良好的稳定性，可满足在不同生长阶段对不同植物进行智能化、精确化的补光要求，作物产品产量、品质提高，耗能明显降低。同时，具有误差低、响应速度快、使用方便、部署灵活、成本低廉、维护简单等特点。