李秋紅 ，范世坤 ，牟向陽(yáng) ，姚永革

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

光是植物的生命之源，是植物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的條件之一。研究發(fā)現(xiàn)，植物生長(zhǎng)所需的有效光譜范圍在380 nm～760 nm之間，主要吸收紅光和藍(lán)光[1-2]，并且不同植物或同一植物在不同時(shí)刻所需的光源比例也是不同的[3-4]，僅靠自然光有時(shí)不能滿足植物的生長(zhǎng)需要，所以利用人工光源補(bǔ)光成為植物補(bǔ)光的一種有效手段。人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、鹵素?zé)?、白熾燈等，其最突出的特點(diǎn)就是能耗高，所以嚴(yán)重制約了用人工光源進(jìn)行植物補(bǔ)光的發(fā)展[5-6]。但隨著LED技術(shù)的出現(xiàn)，LED燈不僅節(jié)能環(huán)保，還具有光量、光質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。因此，LED燈在植物補(bǔ)光中得到了大力推廣和應(yīng)用[7-9]。目前，市面上推廣的補(bǔ)光燈多數(shù)為單色光源，植物補(bǔ)光模式單一，無(wú)法很好地滿足植物特定生長(zhǎng)的需要?；诖?，本研究以STM32單片機(jī)和LED燈為核心，設(shè)計(jì)了一款多光源、動(dòng)態(tài)補(bǔ)光燈，該補(bǔ)光燈可實(shí)現(xiàn)高效、低能耗補(bǔ)光。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的植物生長(zhǎng)補(bǔ)光燈系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，該系統(tǒng)主要由主控模塊、檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、補(bǔ)光模塊、降溫模塊和人機(jī)交互模塊六部分組成。主控模塊選用STM32系列單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、分析處理與輸送；檢測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍光環(huán)境的檢測(cè)和對(duì)LED基板溫度的檢測(cè)；驅(qū)動(dòng)電路模塊預(yù)設(shè)三路，接收不同的PWM信號(hào)分別獨(dú)立運(yùn)作，可以實(shí)現(xiàn)不同燈光的獨(dú)立調(diào)控；補(bǔ)光模塊中三色補(bǔ)光可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的補(bǔ)光，紫外光燈可以實(shí)現(xiàn)紫外滅蟲；降溫模塊通過(guò)散熱扇來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，啟動(dòng)散熱扇對(duì)LED基板進(jìn)行降溫。顯示屏、蜂鳴器和按鍵三部分統(tǒng)稱為人機(jī)交互模塊，顯示屏用于顯示采集的各種光強(qiáng)度和基板溫度；當(dāng)顯示數(shù)據(jù)過(guò)多時(shí)，可以通過(guò)按鍵對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行翻頁(yè)；當(dāng)基板溫度過(guò)高或檢測(cè)值不滿足要求時(shí)，會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，人機(jī)交互模塊為直觀了解光環(huán)境的變化和系統(tǒng)運(yùn)行方式提供了諸多便利。

圖1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)框架圖

1.2 主控模塊

目前，市面上單片機(jī)的種類繁多，結(jié)合本設(shè)計(jì)功能需求，主控模塊選用STM32F103C8T6芯片。該芯片是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微處理器，擁有豐富的引腳、處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快，不僅應(yīng)用廣泛，而且價(jià)格低廉[10]。由于本設(shè)計(jì)中的功能模塊較多，對(duì)I/O接口的需求量大，因此選用STM32F103C8T6芯片更能滿足本設(shè)計(jì)需求，該芯片的最小系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6芯片最小系統(tǒng)硬件電路圖

1.3 檢測(cè)模塊

1.3.1 光檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)選用RGB檢測(cè)傳感器和遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M合對(duì)植物周圍的光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。其中，RGB檢測(cè)傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)光環(huán)境中的紅、藍(lán)光強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的硬件電路如圖3（a）所示，選用的傳感器型號(hào)為BH1745NUC，是一款數(shù)字色彩傳感器，具有I2C總線接口，靈敏度高，檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍寬；遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅髫?fù)責(zé)檢測(cè)光環(huán)境中的遠(yuǎn)紅光強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路如圖3（b）所示，該檢測(cè)電路可檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍為700 nm～1 000 nm，檢測(cè)角度為60°，當(dāng)紅外光的波長(zhǎng)接近880 nm時(shí)，檢測(cè)靈敏度最高。

圖3 RGB檢測(cè)和遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)電路

1.3.2 溫度檢測(cè)模塊

補(bǔ)光燈長(zhǎng)時(shí)間工作必然會(huì)使LED基板溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響補(bǔ)光系統(tǒng)的壽命和穩(wěn)定性。為了減緩補(bǔ)光燈壽命的衰減速度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在LED基板周圍增設(shè)了低功耗的溫度檢測(cè)模塊，檢測(cè)元件采用NTC熱敏電阻，對(duì)LED基板的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，LED基板溫度檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 LED基板溫度檢測(cè)電路

1.4 驅(qū)動(dòng)電路模塊

本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路模塊分為三部分，分別對(duì)紅光LED燈、藍(lán)光LED燈和遠(yuǎn)紅光LED燈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。根據(jù)接收的不同占空比信號(hào)，通過(guò)MOS管，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制調(diào)節(jié)三色燈光。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

1.5 補(bǔ)光模塊

補(bǔ)光模塊采用以7×7陣列排布方式，由8個(gè)紅光LED燈、8個(gè)藍(lán)光LED燈、4個(gè)遠(yuǎn)紅光LED燈和1個(gè)紫外光LED燈組成，可實(shí)現(xiàn)紅光、藍(lán)光、遠(yuǎn)紅光的補(bǔ)光功能和紫外光滅蟲功能。LED燈的燈光排版設(shè)計(jì)如圖6所示，該模塊中不同色源燈的電路設(shè)計(jì)采用同色光源串聯(lián)、異色光源并聯(lián)的連接方式。對(duì)應(yīng)的補(bǔ)光燈電路如圖7所示，通過(guò)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)四色獨(dú)立控制。

圖6 燈光排版設(shè)計(jì)圖

圖7 補(bǔ)光燈電路

1.6 降溫模塊

本設(shè)計(jì)在LED基板下方加裝了降溫模塊，該模塊主要由散熱扇組成，散熱扇驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。當(dāng)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)到基板溫度高于50 ℃時(shí)，啟動(dòng)散熱扇進(jìn)行降溫。

圖8 散熱扇驅(qū)動(dòng)電路

1.7 人機(jī)交互模塊

該模塊由12864液晶顯示屏子模塊、按鍵子模塊和蜂鳴器子模塊組成，人機(jī)交互模塊電路如圖9所示。通過(guò)12864液晶顯示屏可以顯示檢測(cè)的光照強(qiáng)度、LED基板溫度值；按鍵可以實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)；當(dāng)LED基板溫度高于50 ℃或檢測(cè)值不滿足要求時(shí)，會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

圖9 人機(jī)交互模塊電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的補(bǔ)光燈可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的動(dòng)態(tài)補(bǔ)光，通過(guò)光檢測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物周圍光環(huán)境中的三色光照強(qiáng)度進(jìn)行獨(dú)立檢測(cè)，將檢測(cè)到的光強(qiáng)度值與植物在不同時(shí)刻的需求值進(jìn)行比較，分別計(jì)算出補(bǔ)光燈所需的補(bǔ)光量，再根據(jù)計(jì)算值自動(dòng)選擇補(bǔ)光燈的工作模式，輸出不同占空比的PWM信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路模塊根據(jù)接收到的PWM信號(hào)控制補(bǔ)光模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的精準(zhǔn)定量補(bǔ)光。同時(shí)，對(duì)植物周圍光環(huán)境中的各色光強(qiáng)度進(jìn)行再次檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷是否達(dá)到要求，以此循環(huán)往復(fù)運(yùn)作，保證光照充足，補(bǔ)光功能流程如圖10所示。在補(bǔ)光過(guò)程中，紫外光燈啟動(dòng)工作，提供適量紫外線進(jìn)行滅蟲，同時(shí)啟動(dòng)溫度檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)檢測(cè)LED基板溫度，當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，啟動(dòng)散熱扇進(jìn)行降溫。在補(bǔ)光的過(guò)程中，檢測(cè)到的光強(qiáng)、溫度等數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上。此外，當(dāng)檢測(cè)值不滿足要求時(shí)，會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

圖10 補(bǔ)光功能流程

3 系統(tǒng)調(diào)試

本研究按照先部分后整體的順序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試過(guò)程中使用3種不同的單色光源照射檢測(cè)模塊，其顯示數(shù)值會(huì)有明顯變化，補(bǔ)光燈模塊中各色燈會(huì)根據(jù)主控模塊計(jì)算出的補(bǔ)光值進(jìn)行正常調(diào)節(jié)，且反應(yīng)迅速。溫度檢測(cè)模塊會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫，使用單熱源靠近溫度檢測(cè)模塊，該模塊反應(yīng)迅速。當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器和散熱扇；當(dāng)溫度低于27 ℃時(shí)，散熱扇停止散熱，蜂鳴器停止報(bào)警。植物在不同時(shí)刻對(duì)光源的需求不同，為了實(shí)現(xiàn)高效、低耗能補(bǔ)光，對(duì)補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)了3種補(bǔ)光模式，分別為連續(xù)、閃爍、間斷補(bǔ)光，環(huán)境中光強(qiáng)度值及補(bǔ)光模式如表1所示。

表1 環(huán)境中光強(qiáng)度值及補(bǔ)光模式

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，通過(guò)紅色光源照射來(lái)模擬紅光充足情形，檢測(cè)模塊檢測(cè)到此時(shí)的紅光強(qiáng)度值高于3 500 lux，說(shuō)明紅光充足，不需補(bǔ)紅光，紅光LED燈熄滅停止補(bǔ)光，其他LED燈根據(jù)檢測(cè)條件繼續(xù)工作。紅光充足時(shí)和紅、藍(lán)光不足時(shí)的調(diào)試結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

圖11 紅光充足時(shí)的調(diào)試結(jié)果

圖12 紅、藍(lán)光不足時(shí)的調(diào)試結(jié)果

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為控制核心，利用RGB檢測(cè)傳感器和遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)三色光獨(dú)立檢測(cè)，單片機(jī)對(duì)檢測(cè)到的三色光強(qiáng)度值進(jìn)行分析，計(jì)算出各色補(bǔ)光值，輸出不同的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)不同的補(bǔ)光模塊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量補(bǔ)光。研究結(jié)果表明，該補(bǔ)光燈操作簡(jiǎn)單、功耗低、性價(jià)比高，應(yīng)用前景廣闊。