設施農業LED智能系統
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1系統整體設計
本系統采用模塊化設計，分為電源模塊、檢測模塊、控制模塊、補光模塊、用戶交互模塊，總體結構如圖1所示。其中，電源模塊采用太陽能供電，分別提供5V，12V兩種供電電壓，為整個系統供電;智能控制模塊應用STC系列單片機為核心，根據系統采集到的數據、設置閾值，實現對應PWM控制信號的占空比計算和兩路PWM控制信號輸出;檢測模塊分波段檢測紅、藍光強和實時溫度，并將檢測信號進行濾波、放大后傳入單片機，實現相關環境信息的檢測;補光模塊采用兩路帶有PWM電流控制功能的恒流驅動電路，分別控制紅、藍光led補光陣列燈的亮度，從而實現定量精確補光;用戶交互模塊采用液晶屏完成檢測結果顯示，鍵盤實現按需閾值修改等功能，完成閾值修改與設置，有效提高系統使用的方便性、擴展性。
2硬件設計
2．1電源模塊
本系統電源模塊由太陽能電池板、蓄電池和控制電路組成，整個系統利用太陽能電池供電，原理圖如圖2所示。其中，控制電路的輸入端與太陽能電池連接，輸入電壓通過LM317及其外圍標準電路對12V蓄電池充電，蓄電池為整個系統供電。蓄電池輸出端利用MIC29302穩壓變壓模塊輸出12V穩壓電源信號，并調整匹配電阻產生5V穩壓電源信號，從而提供本系統需要12V和5V兩個供電電源。其中，單片機、檢測模塊以及用戶交互模塊均使用5V電源供電，LED補光模塊采用12V電源供電。
2．2控制模塊
控制模塊選用STC12C5A60S2單片機作為核心處理器，采用5V電源供電，具有8路10位A/D接口、2路PWM輸出口、Flash存儲空間56K、靜態存取內存1280B、可編程只讀存儲器1K，完成節點任務調度、數據采集、智能管理、控制信號輸出、閾值的調整、數據轉儲等工作，電路如圖3所示。其中，P0口連接液晶屏的8路數據口;P1口負責與采樣信號連接，P1．0接入溫度檢測信號、P1．1接入紅光檢測信號、P1．2接入藍光檢測信號，從而完成對傳感器監測數據的采集;P2口連接4×4矩陣鍵盤，P3．0，P3．1用于單片機與串口連接的數據讀寫線，完成程序的下載;P3．2～P3．7位液晶控制端;P4．2，P4．3為單片機PWM控制端輸出口，其根據單片機計算出與兩波段所需補光量對應的PWM信號占空比，輸出PWM信號對LED燈組的亮度進行控制。
2．3檢測模塊
檢測模塊利用光照傳感器、溫度傳感器實時檢測設施內部光照強度和溫度，并將采集數據提供給單片機進行處理，原理圖如圖4所示。其中，溫度檢測模塊由溫度傳感器18B20及其標準調理電路組成，數據線接入單片機P1．0口，實現對溫度的采集。光照檢測包括紅光光強檢測和藍光光強檢測，采用波長范圍在400～500nm的藍光2BU6硅光電池和波長范圍600～700nm的紅光2BU6硅光電池作為檢測元件。采用4路運算放大器LM324設計運算放大器將硅光電池的微弱模擬信號分別進行轉換和放大，最終將模擬信號接入單片機P1．1，P1．2端口進行A/D轉換，從而實現分波段光強檢測。
2．4補光模塊
補光模塊包括LED燈組及其驅動電路，驅動電路采用PT4115驅動模塊電路，紅光和藍光兩個模塊獨立工作，原理圖如圖5所示。其中，LED燈組采用額定功率1W、中心波長為660nm的窄帶紅光LED陣列和中心波長為450nm的窄帶藍光LED陣列。由單片機輸出的兩路PWM信號分別與紅藍光兩路PT4115的DIM控制端相連，其中紅光驅動芯片與P4．2產生的PWM信號接通，藍光則與P4．3產生的PWM信號接通。利用PWM的信號控制驅動芯片PT4115的輸出電流，由此實現LED燈組的定量補光。
2．5用戶交互模塊
用戶交互模塊主要包括液晶顯示屏和鍵盤兩部分，其中顯示屏采用OCM12864－3液晶屏，可實現系統數據的查詢顯示;而鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，實現對系統相關數據的設定及改變。
3軟件設計
該系統軟件主要包括傳感器解析函數、數據管理與參數設定程序、PWM信號控制程序和顯示程序，實現3類參數設置、環境因子采集以及對受控燈組的自動控制功能，軟件流程如圖6所示。系統工作時，首先需要對溫度，紅藍光強閾值進行設置，溫度傳感器周期對設施內溫度監測，判斷溫度是否超出不利于光合作用的閾值范圍，超出則關斷LED補光燈組。當溫度在所設閾值范圍內，再分別對紅、藍光進行光強檢測，實際光強在閾值之內時，系統進入自動定量補光狀態，根據所設閾值與實際值之差計算實際需光量，進而再根據與實際需光量對應的兩路PWM控制信號的占空比，分別產生對應的PWM信號，達到控制LED燈的亮度對植物實施精確補光的目的。
4運行結果分析
該系統充分考慮了植物補光時的各種影響因素，通過對各因素的監測、設置、數據管理和決策程序，精確計算植物所需光照與實際光照總體差值，采用均值方式計算每個LED的輸出光強;基于LED驅動電流和輸出光強的關系式，系統就可以通過對PWM輸出電流的控制，從而實現對補光量的控制。該系統已于2010年在西北農林科技大學甜瓜基地投入試用，實現了設計方案中各類部分功能，可長期有效實現定量精確補光，圖7為設備原型界面。
5結論
本文研發了一種基于STC12C5A60S2單片機的植物智能精確補光系統。該系統利用太陽能供電，根據溫度、光照傳感器監測結果，通過核心處理器STC12C5A60S2利用PWM信號，控制特定波長的紅、藍光兩路LED燈組驅動電流，從而控制光源亮度，解決現有補光設備的不足，實現了對農作物的智能化、精確化補光。系統試驗證明其具有良好的穩定性，可滿足在不同生長階段對不同植物進行智能化、精確化的補光要求，作物產品產量、品質提高，耗能明顯降低。同時，具有誤差低、響應速度快、使用方便、部署靈活、成本低廉、維護簡單等特點。
