摘 要：隨著城鄉(xiāng)居民生活水平提高，對(duì)瓜果蔬菜的需求也日益增長?，F(xiàn)有的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)研究多數(shù)在育種、水肥管理等領(lǐng)域，很少有研究關(guān)注瓜果蔬菜的光照動(dòng)態(tài)調(diào)整問題。針對(duì)瓜果蔬菜光強(qiáng)適應(yīng)系統(tǒng)的空缺，本文提出一種基于反饋控制機(jī)制的自適應(yīng)節(jié)能補(bǔ)光系統(tǒng)。經(jīng)過程序優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制、自動(dòng)補(bǔ)光以及實(shí)時(shí)調(diào)控的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文系統(tǒng)的應(yīng)用前景包括家禽類產(chǎn)蛋節(jié)律控制、珍貴中藥材保育等，為新一代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；反饋控制；果蔬增產(chǎn)；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TV 93 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作物增產(chǎn)的主流方式為育種、采用先進(jìn)給水肥料配給等。這些方式在一定程度上提高了作物的產(chǎn)量，但是水肥管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用成本較高，能夠負(fù)擔(dān)該成本的農(nóng)戶較少。基于這些局限性，本文提出一種環(huán)保、安全、可靠和成本低的針對(duì)果蔬產(chǎn)量增長的補(bǔ)光控制系統(tǒng)。LED燈是一項(xiàng)成熟的工業(yè)技術(shù)，具有使用壽命長、光譜純度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于作物的增長增收研究。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，對(duì)作物進(jìn)行光合作用的補(bǔ)光技術(shù)可以有效提高作物產(chǎn)量[1]。

LED補(bǔ)光技術(shù)仍然存在較大的缺陷，補(bǔ)光設(shè)備多數(shù)采用固定值進(jìn)行補(bǔ)光[2]，即觀測(cè)員根據(jù)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，選取一個(gè)固定值例如200 μmol/（m2·s-1）進(jìn)行補(bǔ)光[3]，該方案雖然可以將黃瓜產(chǎn)量提高165.27%，但是存在外界光源過高引起過照和外界光源過低引起照度不足的情況，造成能源浪費(fèi)、作物增產(chǎn)規(guī)模不佳。

基于此，本文提出了一種以理想光照強(qiáng)度作為參考值，利用LED燈對(duì)該參考值進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)足的自適應(yīng)節(jié)能補(bǔ)光系統(tǒng)，進(jìn)行仿真模擬和實(shí)物驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明該方案可以準(zhǔn)確、高效地提供作物需要的光源，為節(jié)能、增產(chǎn)提供條件。

1 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)光系統(tǒng)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)瓜果種植多采用固定補(bǔ)光技術(shù)的現(xiàn)狀，本文提出一種基于環(huán)境光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控的補(bǔ)光增產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與其他補(bǔ)光方案相比，該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是能夠檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)，實(shí)時(shí)控制補(bǔ)光，補(bǔ)光參數(shù)能夠根據(jù)環(huán)境的光強(qiáng)變化實(shí)時(shí)變化。在控制硬件方面，本文使用Arduino單片機(jī)進(jìn)行控制，該單片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，使用成本和技術(shù)門檻低，可以滿足本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框如圖1所示。

自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)光系統(tǒng)主要是由3個(gè)子系統(tǒng)組成的，分別為傳感檢測(cè)子系統(tǒng)、中央處理子系統(tǒng)以及補(bǔ)光執(zhí)行子系統(tǒng)。傳感檢測(cè)子系統(tǒng)主要包括物理信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊和輸入信號(hào)傳遞模塊，中央處理子系統(tǒng)主要包括中央處理器模塊和輸出信號(hào)傳遞模塊，補(bǔ)光執(zhí)行子系統(tǒng)主要包括補(bǔ)光模塊和報(bào)警模塊，3個(gè)子系統(tǒng)之間相互協(xié)作，利用光強(qiáng)傳感器獲得環(huán)境光強(qiáng)信號(hào)，由中央處理器處理后輸出控制信號(hào)，最終由補(bǔ)光執(zhí)行單元進(jìn)行補(bǔ)光。系統(tǒng)組成如圖2所示。

1.2 傳感器選擇與參數(shù)說明

1.2.1 光敏電阻

采用型號(hào)為LDR-05的光敏電阻，該電阻在10 lx～1 000 lx光強(qiáng)條件下靈敏度和溫度穩(wěn)定性很高，其阻值為1 kΩ～10 kΩ，響應(yīng)時(shí)間快（lt;10 ms），適用于對(duì)環(huán)境光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2.2 LED燈的規(guī)格

選用Phytolux系列LED燈，其峰值波長為660 nm，功率為20 W，有適合植物生長的紅藍(lán)光組合，具備調(diào)光功能，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)光強(qiáng)需求調(diào)節(jié)光輸出。

1.2.3 微控制器

Arduino Mega 2560有54個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳和16個(gè)模擬輸入引腳，能夠同時(shí)處理多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，處理速度為16 MHz，滿足實(shí)時(shí)控制要求，因此本文將其作為中央控制單元。

1.3 系統(tǒng)功能

在種植環(huán)境中選擇適當(dāng)?shù)牟杉c(diǎn)實(shí)時(shí)采集環(huán)境光強(qiáng)，采集光強(qiáng)信號(hào)后，實(shí)時(shí)將采集的光強(qiáng)信號(hào)反饋至中央處理器。由中央處理進(jìn)行判斷，如果判定為光強(qiáng)不足，那么根據(jù)光強(qiáng)的缺少量實(shí)時(shí)將需要補(bǔ)充的光強(qiáng)信息發(fā)送給LED燈，使LED燈執(zhí)行自適應(yīng)補(bǔ)光操作。如果判定為光強(qiáng)過高，那么發(fā)送預(yù)警信號(hào)，提醒控制者注意遮光，避免作物曬傷。系統(tǒng)原理如圖3所示。

1.4 光強(qiáng)檢測(cè)原理

光強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)來源為環(huán)境光強(qiáng)，光信號(hào)變化引起光強(qiáng)傳感器電平變化，將光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，完成第一步信號(hào)采集工作，將信號(hào)采集的結(jié)果傳遞至中央芯片，為后續(xù)信號(hào)處理做準(zhǔn)備。系統(tǒng)傳感部分原理如圖4所示。

1.5 自適應(yīng)補(bǔ)光原理

環(huán)境光強(qiáng)變化將直接影響光敏電阻的阻值，對(duì)其電學(xué)特性產(chǎn)生影響?；诖耍驹O(shè)計(jì)的步驟如下。

步驟一：光強(qiáng)傳感器在環(huán)境中接受光照，利用環(huán)境光強(qiáng)對(duì)光敏電阻阻值的影響將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[4]。在不同光強(qiáng)信號(hào)下，光強(qiáng)傳感器傳遞的電信號(hào)有明顯差異，在采集傳感器串口模擬量的過程中，由于環(huán)境光強(qiáng)存在差異，因此模擬量區(qū)別較大。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)較高時(shí)，模擬量處于較低水平；當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)較低時(shí)，模擬量處于較高水平。光強(qiáng)與模擬電壓關(guān)系如圖5所示。

步驟二：利用光強(qiáng)傳感器模塊將光強(qiáng)信號(hào)傳遞至中央處理器，中央處理器根據(jù)算法進(jìn)行處理，計(jì)算需要補(bǔ)充的光強(qiáng)參數(shù)，以電平信號(hào)的形式傳遞至執(zhí)行單元， 串口電壓與光強(qiáng)關(guān)系如圖6所示。

步驟三：執(zhí)行單元接收傳感器傳遞的電平信號(hào)，以該信號(hào)為準(zhǔn)進(jìn)行定量光照，在特殊情況下如果光照過強(qiáng)，那么及時(shí)向管理者提醒遮光。

1.6 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)包括以下3個(gè)。1）溫度。-30 ℃～100 ℃。2）主要功能。根據(jù)具體場(chǎng)景進(jìn)行補(bǔ)光，在必要情況下報(bào)警遮光。3）使用工況。正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工況均可。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于Arduino平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，程序設(shè)計(jì)的核心算法為基于動(dòng)態(tài)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)輸出信號(hào)的算法。具體來說，本文根據(jù)光強(qiáng)傳感器獲得光強(qiáng)信號(hào)，利用中央處理器進(jìn)行映射運(yùn)算，獲得待測(cè)光強(qiáng)的相對(duì)值，利用反饋控制機(jī)制準(zhǔn)確、高效地計(jì)算理想的光強(qiáng)值和LED燈的電壓值，利用print函數(shù)輸出至串口，利用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)精確控制LED燈的輸出。最終達(dá)到動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)補(bǔ)光的預(yù)期效果。系統(tǒng)流程如圖7所示。環(huán)境光強(qiáng)等級(jí)見表1。

2.1 關(guān)鍵步驟

2.1.1 傳感器數(shù)據(jù)讀取

2.1.1.1 步驟描述

微處理器（Microcontroller Unit，MCU）和ADC模塊定時(shí)讀取光敏電阻的輸出信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（光強(qiáng)值）。在程序初始化后，主循環(huán)中不斷執(zhí)行該過程，以保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境光強(qiáng)。

2.1.1.2 邏輯說明

使用analogRead（A0）函數(shù)從光強(qiáng)傳感器中讀取光強(qiáng)信號(hào)，存儲(chǔ)在變量lightSensorValue中。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

2.1.2.1 步驟描述

MCU將讀取的光強(qiáng)值與預(yù)期光強(qiáng)K進(jìn)行比較，計(jì)算需要補(bǔ)光或減少的輸出光強(qiáng)B。

2.1.2.2 邏輯說明

根據(jù)計(jì)算公式B=K-lightSensorValue獲得需要的補(bǔ)光量，使用映射函數(shù)map（）將其轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)的占空比。

2.1.3 控制信號(hào)生成

2.1.3.1 步驟描述

根據(jù)計(jì)算得到的光強(qiáng)差值生成對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，傳遞至LED驅(qū)動(dòng)電路來控制LED燈的亮度。

2.1.3.2 邏輯說明

使用analogWrite（D9， PMWValue）函數(shù)將計(jì)算得到的PWM信號(hào)輸出至LED燈，控制光強(qiáng)補(bǔ)償。

2.1.4 LED燈控制

2.1.4.1 步驟描述

LED燈根據(jù)接收的PWM信號(hào)調(diào)整亮度對(duì)環(huán)境光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。如果光強(qiáng)過高，那么系統(tǒng)發(fā)出遮光警告并減少LED燈的輸出。

2.1.4.2 邏輯說明

程序會(huì)判斷PMW Value大小，決定是否需要調(diào)節(jié)LED燈的亮度或發(fā)出遮光警告。

2.1.5 循環(huán)與更新

2.1.5.1 步驟描述

上述步驟循環(huán)執(zhí)行，MCU不斷更新光強(qiáng)數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)調(diào)整LED燈的輸出，保證環(huán)境光強(qiáng)始終接近設(shè)定值。

2.1.5.2 邏輯說明

使用主循環(huán)loop（）持續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)讀取、處理和控制信號(hào)輸出，保證系統(tǒng)在不同環(huán)境中能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 控制子系統(tǒng)

2.2.1 環(huán)境光強(qiáng)獲取子系統(tǒng)

環(huán)境光強(qiáng)獲取子系統(tǒng)的核心構(gòu)成元件是光敏電阻，其是一種基于內(nèi)光電效應(yīng)的半導(dǎo)體，隨著入射光強(qiáng)增加，該半導(dǎo)體的阻值下降?；谄潆妼W(xué)特性和外部光強(qiáng)存在關(guān)聯(lián)的特性，該元件廣泛應(yīng)用于檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)，本文選擇該元件作為環(huán)境光強(qiáng)獲取子系統(tǒng)的核心元件。

2.2.2 光強(qiáng)物理信號(hào)與電信號(hào)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)

光強(qiáng)物理信號(hào)與電信號(hào)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)由電路比較器和運(yùn)算放大器組成。系統(tǒng)能夠?qū)⒈緛聿荒苡?jì)算的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為便于計(jì)算的模擬量信號(hào)，將該信號(hào)信息暫存在寄存器中，為后續(xù)運(yùn)算做準(zhǔn)備。

2.2.3 電信號(hào)傳遞子系統(tǒng)

電信號(hào)傳遞子系統(tǒng)由輸入信號(hào)傳遞子系統(tǒng)和輸出信號(hào)傳遞子系統(tǒng)組成。輸入信號(hào)傳遞子系統(tǒng)鏈接前端的光強(qiáng)檢測(cè)單元和中央處理器來傳輸輸入信號(hào)，輸出信號(hào)傳遞子系統(tǒng)鏈接后端的補(bǔ)光執(zhí)行單元和中央處理器來傳遞輸出信號(hào)。

2.2.4 中央處理子系統(tǒng)

中央處理子系統(tǒng)為系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，其作用是處理輸入的模擬量信號(hào)，得到具體的輸出信號(hào)值。中央處理子系統(tǒng)可以直接獲得輸入光強(qiáng)A，基于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的理想光強(qiáng)K計(jì)算理想光強(qiáng)與環(huán)境光強(qiáng)的差值，得到B。B為執(zhí)行單元的執(zhí)行信號(hào)，可以利用中央處理子系統(tǒng)對(duì)輸出信號(hào)直接進(jìn)行控制。當(dāng)A大于K時(shí)，系統(tǒng)能夠跳出補(bǔ)光循環(huán)，提醒用戶進(jìn)行遮光，避免曬傷。

2.2.5 補(bǔ)光執(zhí)行子系統(tǒng)

補(bǔ)光執(zhí)行子系統(tǒng)的作用是響應(yīng)中央處理子系統(tǒng)發(fā)出的輸出信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)LED補(bǔ)光單元進(jìn)行控制，并動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)補(bǔ)光強(qiáng)度，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

2.3 軟件設(shè)計(jì)的具體操作

2.3.1 自適應(yīng)補(bǔ)光算法

算法基于光敏電阻讀取的環(huán)境光強(qiáng)值計(jì)算A，并與K進(jìn)行比較。如果Alt;K，那么計(jì)算差值B=K-A，并將B轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，控制LED燈的亮度。

2.3.2 代碼示例

int lightSensorValue=analogRead（sensorPin）;//讀取光強(qiáng)傳感器值

int desiredLight=400;//設(shè)定的理想光強(qiáng)

int adjustment=desiredLight-lightSensorValue;//計(jì)算需要補(bǔ)充的光強(qiáng)

int PMWValue=map（adjustment，0，1023，0，255）;//將補(bǔ)充光強(qiáng)映射為PWM值analogWrite（ledPin，PMWValue）;//輸出PWM信號(hào)控制LED燈

2.4 反饋控制系統(tǒng)分析

系統(tǒng)的反饋控制基于比例-積分-微分 （Proportion Integration Differentiation，PID）算法，利用A與K的差值B調(diào)節(jié)LED燈的輸出。PID控制器的計(jì)算過程如公式（1）所示。

u（t）=kp?e（t）+ki?∫e（t）dt+kd?de（t）/dt （1）

式中：u（t） 為控制信號(hào)；e（t）為控制器的輸入信號(hào)與期望值之間的誤差。調(diào)整PID參數(shù)（kp， ki， kd），優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)突變時(shí)，系統(tǒng)能夠快速、平穩(wěn)地調(diào)整LED燈的輸出。

3 樣機(jī)測(cè)試

基于以上設(shè)計(jì)，本文搭建了樣機(jī)（如圖8所示）進(jìn)行測(cè)試。

3.1 計(jì)算多傳感器加權(quán)平均光強(qiáng)

5個(gè)傳感器測(cè)得的光強(qiáng)分別為A1，A2，A3，A4和A5 。傳感器權(quán)重為w，每個(gè)傳感器的權(quán)重分別為w1，w2，w3，w4和w5 ，如公式（2）所示。

（2）

式中：N為測(cè)試總次數(shù)。

3.2 誤差分析與修正

假設(shè)每個(gè)傳感器的測(cè)量值包括誤差εi，Ai為實(shí)際測(cè)量值，Ai' 為傳感器測(cè)得的真實(shí)光強(qiáng)值，那么加權(quán)平均光強(qiáng)的總誤差如公式（3）所示。

（3）

進(jìn)行誤差修正，修正后的加權(quán)平均光強(qiáng)如公式（4）所示。

（4）

3.3 計(jì)算系統(tǒng)輸出信號(hào)

預(yù)期光強(qiáng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)光強(qiáng)值。系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)的與K之間的差異來計(jì)算輸出信號(hào)，如公式（5）所示。

（5）

3.4 狀態(tài)描述

狀態(tài)一：補(bǔ)光

當(dāng)lt;K時(shí)，說明環(huán)境光強(qiáng)低于預(yù)期值，系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)光狀態(tài)。此時(shí)，輸出信號(hào)為正，系統(tǒng)將增加光強(qiáng)來補(bǔ)足缺口，如公式（6）所示。

（6）

狀態(tài)二：過強(qiáng)

當(dāng)gt;K時(shí)，說明環(huán)境光強(qiáng)過高，系統(tǒng)進(jìn)入過強(qiáng)狀態(tài)。此時(shí)，輸出信號(hào)為負(fù)，需要減弱光照或停止補(bǔ)光，如公式（7）所示。

（7）

狀態(tài)三：正常

當(dāng)gt;K時(shí)，說明環(huán)境光強(qiáng)處于正常范圍，系統(tǒng)不需要進(jìn)行補(bǔ)光或調(diào)節(jié)光強(qiáng)。此時(shí)，輸出信號(hào)接近0，如公式（8）所示。

（8）

3.5 示例計(jì)算

傳感器測(cè)量值和誤差如下。

A1=300 lx，ε1=2 lx，w1=0.2

A1=320 lx，ε1=3 lx，w1=0.1

A1=310 lx，ε1=2 lx，w1=0.3

A1=305 lx，ε1=2 lx，w1=0.2

A1=315 lx，ε1=1 lx，w1=0.2

加權(quán)平均光強(qiáng)如公式（9）所示。

=（0.2×300）+（0.1×320）+（0.3×310）+（0.2×305）+（0.2×315）=309 lx

（9）

總誤差如公式（10）所示。

=（0.2×2）+（0.1×1）+（0.3×3）+（0.2×2）+（0.2×1）=1.8 lx （10）

修正后的加權(quán)平均光強(qiáng)如公式（11）所示。

=309-1.8=307.2 lx " " " （11）

K=400 lx，輸出信號(hào)B如公式（12）所示。

B=400-307.2=92.8 lx （12）

系統(tǒng)增加的光強(qiáng)為92.8 lx。

本文設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)補(bǔ)光的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文基于傳感檢測(cè)技術(shù)對(duì)基于環(huán)境光強(qiáng)變化改變補(bǔ)光強(qiáng)度的自適應(yīng)補(bǔ)光進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免過度補(bǔ)光造成資源浪費(fèi)，使作物增長效果更好，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域意義十分重要。本文設(shè)計(jì)仍然存在一定的局限性，例如沒有經(jīng)過作物生產(chǎn)試驗(yàn)，獲取理想光強(qiáng)存在難度等，后續(xù)將主要針對(duì)作物生產(chǎn)實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證，并采用人工智能方法計(jì)算理想光強(qiáng)的數(shù)值。

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