基于LED光源的溫室光環境監測與控制系統設計

摘要：為了降低照明能耗費用及多層立體式培養的需求，提出了一種基于LED光源的智能溫室光環境監測與控制系統設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統通過MCU進行控制來改變溫室的光環境。系統監控采用Labview進行編程，完成對其參數的實時監測。實際應用表明，該系統具有操作簡便、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；實時監測

0 引言
LED作為新一代光源，除了環保節能的特點外，相較于目前農業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點，對封閉有環控的農業生產環境，如植物組織培養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境參數準確監測及控制非常重要，為了實現對光環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光源的溫室光環境監測與控制系統(以下簡稱“監測與控制系統”)設計方案。該系統能夠完成對其光環境準確監測與控制。

1 監控需求分析
LED理想的工作溫度通常為25℃。在該溫度時，發光強度具有最大值。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光強度和LED壽命的永久降低。針對為滿足溫室光環境參數進行監測與控制的需求，結合植物對LED光源的光合作用的關系，經過分析得到光環境監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。要想完成信號的監測與控制，要從三個方面入手：首先該監測與控制系統應能采集處于各種狀況的輸入參數，并檢測系統的輸出信號，判斷出溫室在各種狀態下是否按要求工作；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境的功能。

2 總體設計
本監測與控制系統結構如圖1所示，系統主要由上位機、MCU數據采集單元及執行機構3部分組成，在對溫室光環境參數的監測過程中，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軟件作為監控模塊，兩者通過RS232串口進行通信，借助溫室環境數據(光照度、LED光源板中央溫度)，構筑溫室光環境的監測與控制系統。

3 系統硬件設計
監測系統硬件主要由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。控制器根據設定值的照度，調節LED驅動電路PWM的占空比，進而調節流過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LED光環境調控的原理如圖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)。