基于LED光源的溫室光環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了降低照明能耗費(fèi)用及多層立體式培養(yǎng)的需求，提出了一種基于LED光源的智能溫室光環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過MCU進(jìn)行控制來改變溫室的光環(huán)境。系統(tǒng)監(jiān)控采用Labview進(jìn)行編程，完成對(duì)其參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、檢測(cè)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。
關(guān)鍵詞：智能溫室；光照度；串口通信；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引言
LED作為新一代光源，除了環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)外，相較于目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常用的熒光燈或高壓鈉燈等人工光源，具有光量可調(diào)整、光質(zhì)可調(diào)整、冷卻負(fù)荷低與允許提高單位面積栽培量等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)封閉有環(huán)控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，如植物組織培養(yǎng)室等是一種非常適合的人工光源。對(duì)溫室中植物生長的光環(huán)境參數(shù)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)及控制非常重要，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)及智能控制，在做了需求分析的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一種基于LED光源的溫室光環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)(以下簡稱“監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)”)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)其光環(huán)境準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與控制。

1 監(jiān)控需求分析
LED理想的工作溫度通常為25℃。在該溫度時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度具有最大值。溫度升高，則導(dǎo)通電流將相應(yīng)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(fā)光強(qiáng)度和LED壽命的永久降低。針對(duì)為滿足溫室光環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制的需求，結(jié)合植物對(duì)LED光源的光合作用的關(guān)系，經(jīng)過分析得到光環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制的主要參數(shù)：LED光源的光照度信號(hào)、光源板中央溫度等信號(hào)。要想完成信號(hào)的監(jiān)測(cè)與控制，要從三個(gè)方面入手：首先該監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)應(yīng)能采集處于各種狀況的輸入?yún)?shù)，并檢測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，判斷出溫室在各種狀態(tài)下是否按要求工作；其次，應(yīng)能將檢測(cè)的數(shù)據(jù)與PC機(jī)通信；再次，還應(yīng)具有將數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)處理后控制溫室光環(huán)境的功能。

2 總體設(shè)計(jì)
本監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由上位機(jī)、MCU數(shù)據(jù)采集單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成，在對(duì)溫室光環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)過程中，通過各傳感器對(duì)溫室內(nèi)光源板溫度和光照度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，監(jiān)測(cè)各參數(shù)是否正常。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集：STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制器，PC機(jī)與Labview軟件作為監(jiān)控模塊，兩者通過RS232串口進(jìn)行通信，借助溫室環(huán)境數(shù)據(jù)(光照度、LED光源板中央溫度)，構(gòu)筑溫室光環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電路、DS18B20光源板溫度采集電路和TSL2561光照度參數(shù)采集電路等組成。為實(shí)現(xiàn)溫室光環(huán)境調(diào)控，需要實(shí)時(shí)自動(dòng)采集溫室光照度與LED溫度，反饋給控制器?？刂破鞲鶕?jù)設(shè)定值的照度，調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電路PWM的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)流過LED的正向電流，使溫室光照度近似等于設(shè)定值，最終達(dá)到照度的調(diào)控。同時(shí)，控制器根據(jù)光源板反饋的溫度值與設(shè)定值比較，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)降溫風(fēng)扇。對(duì)于系統(tǒng)LED光環(huán)境調(diào)控的原理如圖2所示。

3．1 LED陣列光源板
理想情況下，單個(gè)LED光源的光強(qiáng)分布是觀察角度的余弦函數(shù)。實(shí)際上，由于封裝和芯片形狀的原因，LED的光強(qiáng)分布不是一個(gè)理想的余弦分布，該分布可以表示為式(1)，照度的實(shí)際近似分布應(yīng)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(qiáng)，E0(單位：Lx)是軸向與LED距離為r處的照度值。m值為一常數(shù)(可查LED技術(shù)手冊(cè))。