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，完成對其參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、檢測準(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

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。對溫室中植物生長的光環(huán)境參數(shù)準(zhǔn)確監(jiān)測及控制非常重要，為了實(shí)現(xiàn)對光環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確檢測及智能控制，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)測與控制系統(tǒng)(以下簡稱“監(jiān)測與控制系統(tǒng)”)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能夠完成對其光環(huán)境準(zhǔn)確監(jiān)測與控制。

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。針對為滿足溫室光環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與控制的需求，結(jié)合植物對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)測與控制的主要參數(shù)：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(jiān)測與控制，要從三個(gè)方面入手：首先該監(jiān)測與控制系統(tǒng)應(yīng)能采集處于各種狀況的輸入?yún)?shù)，并檢測系統(tǒng)的輸出信號，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，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，在對溫室光環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測過程中，通過各傳感器對溫室內(nèi)光源板溫度和光照度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，監(jiān)測各參數(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)測與控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    監(jiān)測系統(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)自動采集溫室光照度與LED溫度，反饋給控制器。控制器根據(jù)設(shè)定值的照度，調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電路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)啟動降溫風(fēng)扇。對于系統(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)。
    LED陣列的照度是以多個(gè)LED照度線性疊加的方法得到的照度。在坐標(biāo)系(x，y，z)下修改照度公式(2)，設(shè)目標(biāo)和光源距離為z，單個(gè)LED在空間的光照度E可用式(3)表示。
   
    在由兩個(gè)LED組成的陣列情況下，如果LED間距為d，目標(biāo)面上的照度如式(4)所示。
   
    當(dāng)z=1 cm，m=81時(shí)，代入式(5)可得dmax=0．218cm。為保證光照度較為均勻，兩個(gè)LED之間距離d的最大值為0．218cm。因此，LED陣列光源設(shè)計(jì)可以選擇這個(gè)值作為各LED之間的距離，可由多個(gè)LED組合為方形陣列，完成較為均勻的光源設(shè)計(jì)。
3．2 光照度與光源板中心溫度檢測電路
    本文檢測電路運(yùn)用TSL2561光傳感芯片與DS18B20溫度傳感器，完成對光照度和光源中心溫度的數(shù)據(jù)采集。硬件電路如圖3所示。

    TSL2561是一種光強(qiáng)度傳感器芯片，它具有數(shù)字式輸出端口和標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，涵蓋1～70000Lx的寬照度范圍。其內(nèi)部通道0和通道1是兩個(gè)光敏二極管，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A／D轉(zhuǎn)換器對流過光敏二極管的電流進(jìn)行積分，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，從通道0寄存器和通道1寄存器讀取相應(yīng)的值CH0和CH1計(jì)算光照度Lx。
    DS18B20是一種溫度傳感器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL配置寄存器。DS1 8B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0．0625℃／LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，單片機(jī)嚴(yán)格按照DS18B20的時(shí)序進(jìn)行控制，可完成光源板中心溫度的測量。
3．3 LED驅(qū)動電路
    LED光源流明效率(ηe)是指輸入每瓦電功率所產(chǎn)生的流明光通，計(jì)量單位1m／W，計(jì)算公式如式(6)所示：
   
    式中：ηe是流明效率，φ1um是光通量，U是LED正向電壓，I是LED正向電流。
    照度(E)是指1流明的光通量均勻分布在1m2表面上所產(chǎn)生的光照度，單位為勒克斯(Lx)，計(jì)算公式如式(7)所示：

    可見，LED的亮度幾乎和它的驅(qū)動電流直接成正比關(guān)系，可以通過調(diào)整正向驅(qū)動電流的大小來調(diào)整LED的亮度。

    LED陣列采用恒流驅(qū)動方式，LED可獲得恒定的顏色輸出。系統(tǒng)選擇PT4115恒流驅(qū)動芯片，驅(qū)動電路如圖4所示。PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，它具有直流8V到30V的較寬輸入電壓范圍，擊穿電壓大于45V，輸出200～1200mA恒定直流，可滿足驅(qū)動點(diǎn)亮N顆串并聯(lián)的小功率LED。PT4115內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當(dāng)DIM的電壓低于0．3V時(shí)，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)。LED的最大平均電流由連接在VIN和CSN兩端的電阻RS決定，通過在DIM管腳加入可變占空比的PWM信號可以調(diào)小輸出電流以實(shí)現(xiàn)調(diào)光，計(jì)算方法如式(9)所示：
   
    式中，D是PWM的占空比，Vpilse為PWM的高電平值，Rs為限流電阻。
3．4 控制器算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
    STC12C5A60S2作主控制器，該芯片自帶兩路PWM控制器、兩個(gè)定時(shí)器、十位AD轉(zhuǎn)換器等。系統(tǒng)光照度調(diào)整使用增量式的PID算法，根據(jù)變換量按比例調(diào)整PWM定時(shí)器CCAP1L、CCAP1H的值，輸出不同占空比的PWM信號調(diào)節(jié)LED的照度。其中PID如式(10)
     △uk=Aek-Bek-1+Cek-2                (10)
    式中：△uk為控制量的增量；k為采樣序號；ek為第k次采樣的輸入偏差值：ek-1為第k-1次采樣的輸入偏差值。
    光照度調(diào)整分兩種狀態(tài)：1)如果當(dāng)前值小于輸入的設(shè)定值，則PWM波形占空比增加，輸出光照度增大，直到輸出值等于設(shè)定值。2)如果輸出值大于或等于設(shè)定值，則PWM輸出占空比減小，輸出光照度減小，直到輸出值等于設(shè)定值。通過不斷的檢測與調(diào)整，讓光照度保持恒定。
     LED光源板的溫度通過溫度傳感器檢測，當(dāng)檢測溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，啟動降溫風(fēng)扇。當(dāng)檢測溫度低于或等于設(shè)定溫度時(shí)，停止降溫風(fēng)扇。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    本監(jiān)測系統(tǒng)的軟件采用Labview編程，Labview是專為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)表達(dá)的圖形化編程環(huán)境，它是一個(gè)開放的開發(fā)環(huán)境，具有PCI、RS-232／485、USB等各種儀器通訊總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，可以利用這些函數(shù)與不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口的數(shù)據(jù)采集硬件交互工作。本系統(tǒng)采用NI VISA串口Serial函數(shù)來訪問和控制串口，從而實(shí)現(xiàn)串口通信功能。首先，利用VISA Con2figureSerial Port．vi進(jìn)行串口初始化，然后利用VISA write．vi向?qū)懢彌_區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令，最后利用VISAread．vi以字符串形式讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的8位二進(jìn)制數(shù)，并利用HexadecimalString To Number節(jié)點(diǎn)將8位字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成數(shù)字型數(shù)據(jù)，提供給控制電路。圖5為上位機(jī)Labview軟件握手協(xié)議子VI程序
部分框圖。

    上位機(jī)軟件完成如下功能：初始化系統(tǒng)；根據(jù)溫室控制要求向下位機(jī)發(fā)送控制指令；控制串口和下位機(jī)的收發(fā)；判斷下位機(jī)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)并發(fā)送相應(yīng)控制指令；讀取和解析來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)；顯示實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；保存數(shù)據(jù)；根據(jù)環(huán)境需求控制系統(tǒng)狀態(tài)。圖6為上位機(jī)軟件流程圖。
4．2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    下位機(jī)軟件采用C51語言編寫。完成的功能有：根據(jù)上位機(jī)控制指令控制下位機(jī)的光環(huán)境參數(shù)采集、環(huán)境參數(shù)的給定值；向上位機(jī)發(fā)送環(huán)境參數(shù)；根據(jù)環(huán)境參數(shù)與設(shè)定值調(diào)控光環(huán)境。下位機(jī)軟件流程如圖7所示。

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
    本系統(tǒng)用于簡易溫室光照度的測試。在進(jìn)行測試時(shí)，首先運(yùn)行監(jiān)測應(yīng)用軟件，初始化后，通過完成檢測設(shè)置和通信配置等相關(guān)設(shè)置，然后通過點(diǎn)擊主程序界面的相應(yīng)模塊檢測按鈕進(jìn)行相應(yīng)的測試，其中上位機(jī)發(fā)送控制命令字，然后接收下位機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)；并將結(jié)果進(jìn)行顯示，2串串并聯(lián)1W紅光陣列光源光照度測試的數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫室照度穩(wěn)定在設(shè)定值左右，調(diào)光系統(tǒng)基本維持設(shè)定照度的穩(wěn)定。

6 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)的LED光源環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，既可對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與顯示，又可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程控制，能夠滿足系統(tǒng)的監(jiān)測與控制需求。本測試系統(tǒng)已在簡易溫室系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)際應(yīng)用表明，其具有檢測準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。而且系統(tǒng)擴(kuò)展后可運(yùn)用于多個(gè)光源板工作站的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測與測控。