何 林 ，李 亨 ，陳紅豆

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.佛山市三水區(qū)工業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，佛山 528100）

光是植物的生命之源，光合作用是植物重要的生命活動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)植物在380～760 nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行光合作用，其中以吸收紅、藍(lán)光為主要吸收光譜[1]。智能LED植物補(bǔ)光燈正是基于這一理論，以紅、藍(lán)光為補(bǔ)光光源，依照植物所需光譜，使用LED燈代替太陽光為植物提供所需光照。目前，溫室中植物補(bǔ)光燈主要以鹵素?zé)簟谉霟魹橹?，植物工廠中主要使用LED面板燈。針對(duì)不同植物補(bǔ)光，上述補(bǔ)光燈存在很大的約束性，很難為植物提供最佳的光環(huán)境。因此，針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)一種智能LED植物補(bǔ)光燈，以實(shí)現(xiàn)植物補(bǔ)光燈光譜動(dòng)態(tài)可調(diào)功能。系統(tǒng)通過傳感器模塊檢測(cè)外界紅、藍(lán)光的變化，由控制器模塊設(shè)計(jì)計(jì)算補(bǔ)光模式，控制器通過控制PWM占空比來調(diào)節(jié)不同燈光的亮度，以實(shí)現(xiàn)光譜可調(diào)節(jié)功能。

1 補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)原理

1.1 光質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

不同的光質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)有著不同的影響，其中紅藍(lán)光的比例是主要影響因素。綠色植物對(duì)紅光的需求較高，主要影響植物上層枝葉的生長(zhǎng)，是光合作用主要吸收光；藍(lán)光影響植物下層根、莖的生長(zhǎng)，可以促進(jìn)植物葉子的生長(zhǎng)[2]，影響光合作用速率；植物對(duì)綠光吸收較少，在生理上認(rèn)為綠光為無效光[3]。聞婧等[4]用660 nm波長(zhǎng)紅光+450 nm藍(lán)光和630 nm紅光+460 nm藍(lán)光對(duì)相同品種的黃瓜幼苗進(jìn)行光照處理，實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明：采用第1種光源組合處理的黃瓜幼苗中葉綠素含量高于第2種光源處理結(jié)果。說明適當(dāng)?shù)募t藍(lán)光搭配，可有效增加植物的產(chǎn)出量。試驗(yàn)也進(jìn)一步說明，實(shí)現(xiàn)植物照明中紅藍(lán)光動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)功能尤為重要。

1.2 LED補(bǔ)光燈補(bǔ)光優(yōu)化方案

對(duì)于植物來說，不同的光配方對(duì)植物的生長(zhǎng)有著巨大的影響，不同波長(zhǎng)的脈沖光比單一的白光光源更有利于植物生長(zhǎng)。文獻(xiàn)[5]研究顯示，植物在脈沖光照射下碳水化合物的含量高于普通光照下植物碳水化合物的積累量，且植物葉片中無機(jī)物的含量顯著提高。文獻(xiàn)[6]對(duì)連續(xù)光照和脈沖光照消耗能量進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，結(jié)果表明：采用頻閃照明方式，能量消耗遠(yuǎn)低于連續(xù)照明。因此，本文設(shè)計(jì)的智能LED植物補(bǔ)光燈采用2 kHz的頻閃補(bǔ)光方法。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能LED植物補(bǔ)光燈主要實(shí)現(xiàn)功能：對(duì)室內(nèi)紅藍(lán)光環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)；計(jì)算補(bǔ)光值；控制紅藍(lán)LED動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。根據(jù)以上3個(gè)功能將智能LED植物補(bǔ)光燈分為4個(gè)模塊：處理器模塊、光源模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。處理器模塊采用STM32F103單片機(jī)，該模塊是智能LED植物補(bǔ)光燈的控制核心；光源模塊實(shí)現(xiàn)植物補(bǔ)光功能，主要由特定排布LED陣列構(gòu)成，其中少量的紫外線和紅外光用于殺死植物表面的細(xì)菌；光源驅(qū)動(dòng)模塊是對(duì)光源陣列直接調(diào)制的電路，單片機(jī)通過改變輸出的PWM信號(hào)來控制LED燈的發(fā)光情況；傳感器模塊采用光敏電阻傳感器設(shè)計(jì)，用以檢測(cè)室內(nèi)光環(huán)境。

圖1 智能LED植物補(bǔ)光燈系統(tǒng)框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 處理器模塊

處理器模塊選用32位ARM微控制器——STM32F103單片機(jī)，其內(nèi)核為Cortex-M3。該模塊最高工作頻率可達(dá)到72 MHz。芯片配置8個(gè)16位定時(shí)器和豐富的I/O接口，可以按照需要配置寄存器以達(dá)到相同管腳實(shí)現(xiàn)不同需求的目的，并且該芯片具有512 K字節(jié)的RAM和64 K字節(jié)的SRANM，具有運(yùn)算速率快、性能高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本文所述智能LED植物生長(zhǎng)燈設(shè)計(jì)需要[7]。

2.1.2 光源模塊

光源模塊選用不同顏色的LED為光源，其額定功率為1W，由驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行調(diào)控，處理器模塊通過輸出PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)智能控制。為提高光照平面上的光量子流密度（μmol/（m2·s）），采用多個(gè)獨(dú)立的LED單元陣列組成智能LED植物補(bǔ)光燈，這些LED單元陣列由多個(gè)光源驅(qū)動(dòng)電路控制。為了達(dá)到光照均勻度最佳以及制配方最充足，紅、藍(lán)LED燈珠數(shù)為5∶2，每個(gè)光源模塊上使用1個(gè)紫外線LED，對(duì)植物表面進(jìn)行殺菌，使用2個(gè)紅外光LED促進(jìn)植物葉片生長(zhǎng)。經(jīng)前期試驗(yàn)，確定LED光源陣列排布如圖2所示。

圖2 光源陣列排布

2.1.3 光源驅(qū)動(dòng)模塊

光源驅(qū)動(dòng)模塊采用恒流電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED光源的調(diào)節(jié)控制。PT4115是一款常用的電感導(dǎo)通式恒流控制芯片，可用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆大功率串聯(lián)LED，滿足控制要求[8]。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選取最佳的電阻和電容，搭建橫流驅(qū)動(dòng)電路，確保恒流電路驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)確。選取STM32單片機(jī)中4個(gè)PWM信號(hào)輸出端口外接4個(gè)光源驅(qū)動(dòng)模塊，PT4115芯片根據(jù)單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)改變輸出電流，實(shí)現(xiàn)光源可調(diào)功能。LED驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路原理

2.1.4 傳感器模塊

本文設(shè)計(jì)的智能LED植物補(bǔ)光燈，利用光敏傳感器對(duì)環(huán)境光源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將采集到的光環(huán)境信息發(fā)送至單片機(jī)。由于光敏傳感器無法直接檢測(cè)到環(huán)境中的紅、藍(lán)光，所以在光敏傳感器前加上相應(yīng)波長(zhǎng)的帶通濾鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠或溫室內(nèi)紅、藍(lán)光的檢測(cè)。傳感器模塊原理如圖4所示。

圖4 傳感器模塊原理

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言程序設(shè)計(jì)編寫，系統(tǒng)流程如圖5所示。

智能LED植物補(bǔ)光燈上電后，各模塊進(jìn)入初始化狀態(tài)，對(duì)模塊內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)置；傳感器模塊將采集到的紅、藍(lán)光信息發(fā)送至單片機(jī)，再與設(shè)定值對(duì)照比較后，進(jìn)行補(bǔ)光策略計(jì)算；最后單片機(jī)根據(jù)補(bǔ)光策略輸出PWM信號(hào)，控制恒流驅(qū)動(dòng)電路，以達(dá)到對(duì)各色LED燈控制目的，使光照強(qiáng)度達(dá)到預(yù)設(shè)值，完成智能補(bǔ)光。

圖5 系統(tǒng)流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 光強(qiáng)分布及均勻性分析

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以驗(yàn)證智能LED植物補(bǔ)光燈的均勻性。使用光量子流密度計(jì)在光源下方25 cm處進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量面積50 cm×40 cm，不同功率下光量子流密度分布如圖6所示。

從圖6知，光量子流密度分布具有補(bǔ)光燈中心點(diǎn)光量子流密度高，距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，測(cè)量值越低的趨勢(shì)。由文獻(xiàn)[9]研究所得，理想的光量子流密度一般需要補(bǔ)充200～500 μmol/（m2·s），均勻性要求盡可能小。從圖6（a）知，光量子流密度均勻性為 0.85，均值為271 μmol/（m2·s），方差39，其光照強(qiáng)度與均勻性均滿足植物需求；從圖6（b）知，光量子流密度均勻性為0.87，均值為454 μmol/（m2·s），方差為68，其光照強(qiáng)度與均勻性均滿足植物需求；從圖6（c）知，光量子流密度均勻性為0.8，均值為531 μmol/（m2·s），方差為65，其光照強(qiáng)度大于500 μmol/（m2·s），均勻性均滿足植物需求；從圖6（d）知，光量子流密度均勻性為0.76，均值為703 μmol/（m2·s），方差為75，其光照強(qiáng)度遠(yuǎn)大于500 μmol/（m2·s），方差較大，且均勻性系數(shù)小于0.8，可見均勻性相對(duì)較差。

圖6 不同功率下光量子流密度分布

綜上可見，光量子流密度的大小取決于光源，光源越多，光量子流密度越大；光量子流密度均勻性主要與補(bǔ)光燈上燈珠的排列方式有關(guān)；在測(cè)量數(shù)據(jù)中，方差的大小也反映了燈具的均勻性。由上述數(shù)據(jù)分析可知，隨著燈具功率不斷增大，光照強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，但是均勻性降低。本研究植物補(bǔ)光燈在正常工作功率下，平均光量子流密度均高于200 μmol/（m2·s），平均均勻性系數(shù)為0.82，光照強(qiáng)度與均勻性均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 補(bǔ)光燈試驗(yàn)分析

針對(duì)本次設(shè)計(jì)的智能LED植物補(bǔ)光燈，選用生菜進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用水培栽培模式。在不同光環(huán)境條件下培養(yǎng)相同品種的生菜，將其分為甲乙2組：對(duì)甲組進(jìn)行補(bǔ)光，將LED補(bǔ)光燈放置在距離生菜高度為25 cm處。乙組為自然條件下生長(zhǎng)的生菜。分別記錄生菜的形態(tài)指標(biāo)，補(bǔ)光與自然條件下生菜形態(tài)指標(biāo)如表1所示。

表1 補(bǔ)光與自然條件下生菜形態(tài)指標(biāo)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在智能LED植物補(bǔ)光燈下生長(zhǎng)的生菜與自然條件下生長(zhǎng)的生菜相比生長(zhǎng)速率明顯提高，作物產(chǎn)量提高50%。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種智能LED植物補(bǔ)光燈，該補(bǔ)光燈包括處理器模塊、光源模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊；采用嵌入式操作系統(tǒng)和傳感器技術(shù)，利用閉環(huán)控制思想，實(shí)現(xiàn)了光譜實(shí)時(shí)可調(diào)功能。根據(jù)光源均勻性測(cè)量試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的植物生長(zhǎng)燈在光照強(qiáng)度、光質(zhì)等方面均達(dá)到設(shè)計(jì)要求；根據(jù)補(bǔ)光燈條件下生長(zhǎng)的生菜和自然條件下生長(zhǎng)的生菜對(duì)比試驗(yàn)可得，智能植物生長(zhǎng)燈對(duì)植物生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用，作物產(chǎn)量可提高50%。