設施農業LED智能系統論文

1系統整體設計

本系統採用模塊化設計，分為電源模塊、檢測模塊、控制模塊、補光模塊、用户交互模塊，總體結構如圖1所示。其中，電源模塊採用太陽能供電，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，根據系統採集到的數據、設置閾值，實現對應PWM控制信號的佔空比計算和兩路PWM控制信號輸出;檢測模塊分波段檢測紅、藍光強和實時温度，並將檢測信號進行濾波、放大後傳入單片機，實現相關環境信息的檢測;補光模塊採用兩路帶有PWM電流控制功能的恆流驅動電路，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;用户交互模塊採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，並調整匹配電阻產生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、檢測模塊以及用户交互模塊均使用5V電源供電，LED補光模塊採用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，採用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、數據採集、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口負責與採樣信號連接，P1．0接入温度檢測信號、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採集;P2口連接4×4矩陣鍵盤，P3．0，P3．1用於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信號佔空比，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、温度傳感器實時檢測設施內部光照強度和温度，並將採集數據提供給單片機進行處理，原理圖如圖4所示。其中，温度檢測模塊由温度傳感器18B20及其標準調理電路組成，數據線接入單片機P1．0口，實現對温度的採集。光照檢測包括紅光光強檢測和藍光光強檢測，採用波長範圍在400～500nm的藍光2BU6硅光電池和波長範圍600～700nm的`紅光2BU6硅光電池作為檢測元件。採用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，驅動電路採用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燈組採用額定功率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用户交互模塊

用户交互模塊主要包括液晶顯示屏和鍵盤兩部分，其中顯示屏採用OCM12864－3液晶屏，可實現系統數據的查詢顯示;而鍵盤採用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、環境因子採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，首先需要對温度，紅藍光強閾值進行設置，温度傳感器週期對設施內温度監測，判斷温度是否超出不利於光合作用的閾值範圍，超出則關斷LED補光燈組。當温度在所設閾值範圍內，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控制信號的佔空比，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，採用均值方式計算每個LED的輸出光強;基於LED驅動電流和輸出光強的關係式，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。該系統已於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

本文研發了一種基於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，根據温度、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。