麥強

東莞職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院（東莞 523808）

蔬菜作為我國第一大農(nóng)產(chǎn)品，是日常中不可缺少的食物之一，但由于貯藏保鮮技術落后，蔬菜采后在運輸和銷售過程中損失率達到30%，嚴重制約中國蔬菜發(fā)展[1-3]。由于蔬菜采后呈鮮活狀態(tài)，內(nèi)部組織仍然會進行蒸騰作用、呼吸作用等新陳代謝運動，蔬菜的感官和食用品質(zhì)會隨采后保鮮時間的增長而逐漸減低。為延緩蔬菜的衰老，目前主要采用物理保鮮技術、化學保鮮技術和生物保鮮技術三大類。其中，物理保鮮技術由于無毒無殘留、操作方法簡單，被廣泛應用。試驗主要采用低溫高濕保鮮方法，通過0～5 ℃冷庫環(huán)境延長蔬菜保鮮期。但由于冷庫體積大、能耗高、價格高昂、移動不方便等問題，難以得到普通菜農(nóng)和菜販的廣泛采用。

光照在蔬菜生長發(fā)育過程中具有重要的作用，還會影響采后蔬菜的新陳代謝。將光照引入蔬菜的貯藏保鮮環(huán)境中，使蔬菜進行光合作用，維持蔬菜品質(zhì)，延緩衰老，延長貨架期。近年來研究發(fā)現(xiàn)光照波長、光配比、光強及均勻性對蔬菜的貯藏保鮮有一定影響。

隨著人工光源LED技術快速發(fā)展，LED光源具有高光能利用率、單色性好、節(jié)能等優(yōu)點，使其在植物工廠領域應用備受關注。LED光源能精確控制波長、光配比、光強等參數(shù)，與自動化控制、傳感器技術相結合實現(xiàn)對植物生長環(huán)境的精確控制與監(jiān)測。近幾年，興起研究紅藍組合LED光源對蔬菜生理活動的影響機理，為光照條件對蔬菜貯藏保鮮提供重要依據(jù)。因此，對由LED紅藍組合光源構成的蔬菜貯藏保鮮系統(tǒng)進行介紹，對系統(tǒng)的光強均勻性進行測定，確保光源滿足蔬菜保鮮需求。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)的結構組成

蔬菜貯藏保鮮系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、LED紅藍組合光源控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)構成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

整套系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為核心，通過傳感器系統(tǒng)檢測溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)人機交互系統(tǒng)中用戶設置的參數(shù)，對環(huán)境控制系統(tǒng)進行控制。環(huán)境控制系統(tǒng)由LED紅藍組合光源控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)構成。LED光源通過PWM控制460 nm及660 nm LED輸出光通量，并根據(jù)不同參數(shù)要求設置不同光配比。濕度控制系統(tǒng)根據(jù)AM2301溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)設置參數(shù)要求，利用PID算法調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的高低。

1.2 設備系統(tǒng)工作過程

用戶通過在人機交互系統(tǒng)設置貯藏保鮮蔬菜的品種，并啟動設備。單片機系統(tǒng)根據(jù)選定蔬菜設置相應的參數(shù)，根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，對環(huán)境進行控制。

環(huán)境控制系統(tǒng)的工作過程中，單片機系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境光強與濕度。在LED紅藍組合光源控制過程中，利用帶濾光的PIN光電二極管對紅藍環(huán)境光進行檢測，單片機系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)，通過驅(qū)動電路調(diào)整紅藍光的光強；在濕度控制過程中，利用溫濕度傳感器檢測環(huán)境濕度，如果實際的濕度環(huán)境低于蔬菜保鮮所需，則啟動超聲波霧化器，通過風扇將水汽吹進貯藏區(qū)域，提高環(huán)境濕度；當濕度滿足要求時，則關閉加濕系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機系統(tǒng)

系統(tǒng)采用STC15F2K60S2單片機，通過單片機的獨立按鍵和液晶屏實現(xiàn)人機交互功能；利用I/O連接的繼電器控制各系統(tǒng)的電源通斷；通過I/O輸出PWM信號到DD311驅(qū)動芯片的使能端口，控制各路LED輸出的光通量；利用AD模數(shù)轉(zhuǎn)化讀取PIN光電傳感器檢測到的光強信號；利用單線制串行方式讀取環(huán)境濕度參數(shù)。

2.2 濕度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)由AM2301溫濕度傳感器檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，利用串口通信發(fā)送給單片機，單片機采用PID算法控制繼電器啟動或關閉超聲波霧化器和風扇，實現(xiàn)對濕度控制作用。

2.3 LED光源系統(tǒng)

LED光源系統(tǒng)采用460 nm及660 nm波長的高亮度單色LED燈珠，采用DD311電流驅(qū)動芯片，通過PWM調(diào)節(jié)芯片輸出電流大小。系統(tǒng)由4條LED燈具構成，每條燈具上各有2路460 nm和660 nm LED，每一路由6顆燈珠串聯(lián)構成，每路LED間采用并聯(lián)方式。LED光源系統(tǒng)電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件控制流程為：設備開機后系統(tǒng)進行初始化，初始化保鮮參數(shù)、傳感器參數(shù)等；初始化后設備等待用戶在人機交互界面選擇蔬菜品種及啟動指令，系統(tǒng)進入自動工作狀態(tài)；單片機接收溫濕度傳感器實時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，與設置蔬菜保鮮參數(shù)進行對比，判斷是否啟動或關閉增濕程序，并將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)在液晶屏顯示；單片機根據(jù)PIN光電傳感器檢測到光強數(shù)據(jù)與紅藍光配比進行比較，通過PWM調(diào)節(jié)LED紅藍光源光強。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖3所示。

圖2 LED光源系統(tǒng)電路

圖3 系統(tǒng)軟件控制流程圖

4 功能性驗證

4.1 系統(tǒng)光均勻性研究

LED光源由紅藍光源組合構成。通過采用遠方SPIC-200光譜儀對光源波長進行分析，如圖4和圖5所示，紅光波峰對應的波長為660 nm，藍光波峰對應的波長為460 nm，均為理想的紅藍光源。

為探究不同光強照射均勻性特性，在接收平面上均勻布置16個光強測試點，如圖6所示。調(diào)節(jié)LED紅藍光輸出量，3種光強接收平面上不同點處光強如表1所示。光強1的最大與最小光強值相差1 μmol/（m2·s），光強2和光強3的最大與最小光強值相差3 μmol/（m2·s）。在不同光強照射下，整體光強分布均勻性好。

圖4 紅光LED相對光譜曲線

圖5 藍光LED相對光譜曲線

圖6 光強測試點分布

表1 不同光強下接收平面光強分布

4.2 系統(tǒng)光通量控制結果

LED光源系統(tǒng)采用PWM控制紅藍光LED的光量子通量密度。測量不同PWM值對應2種波長的LED光量子通量密度。運用MATLAB對測量數(shù)據(jù)擬合曲線，并得出曲線的函數(shù)表達式。PWM值與460 nm和660 nm LED光通量折線圖如圖7所示。

圖7 PWM占空比與460 nm和660 nm LED光量子通量密度變化折線圖

擬合得到PWM占空比與460 nm LED光量子通量密度變化曲線函數(shù)表達式：g（x）=-0.000 321 6x2+0.815 6x-0.396 8。

PWM占空比與660 nm LED光量子通量密度變化曲線函數(shù)表達式：f（x）=（-6.497e-05）x3+0.013 17x2+0.111 9x+7.757。

基于PWM值與LED光量子通量密度的函數(shù)關系，可得到PWM控制LED輸出光通量算法b。根據(jù)蔬菜貯藏保鮮光環(huán)境參數(shù)，采用算法b可輸出相應要求的LED光通量。

4.3 設備濕度控制測試結果分析

濕度控制系統(tǒng)的控制同樣采用增量式PID算法控制增濕操作的通斷，根據(jù)溫濕度傳感器采集設備內(nèi)實際的濕度變化數(shù)據(jù)，控制設備內(nèi)的濕度。對系統(tǒng)進行濕度控制功能試驗，得到其濕度隨時間變化曲線，如圖8所示。

圖8 濕度隨時間變化曲線

由試驗測試結果可知，實際濕度增加30%時，用時440 s，設備能有效控制濕度，其濕度控制情況適宜植物生長發(fā)育所需。

5 結論

通過對紅藍光波長進行測試，波峰為460 nm和660 nm具有良好的單色性，并在不同光強照射下光強分布均勻，光量子通量密度在8～80 μmol/（m2·s）范圍內(nèi)精確控制，濕度調(diào)節(jié)響應速度快，系統(tǒng)為蔬菜貯藏保鮮提供有效光環(huán)境。