基于LabVIEW的智能LED植物補(bǔ)光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛萍娟++李艷艷++田會(huì)娟++蘇政曉++柳建新++張浩偉

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.115

摘要：基于植物對(duì)光和溫濕度的需求，系統(tǒng)利用RRGB芯片配光設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了LED光源模塊，若干個(gè)光源模塊組成LED陣列平面光源模組，基于LabVIEW的上位機(jī)與控制器相結(jié)合的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室或園藝植物的智能補(bǔ)光照明?？刂破鲗?shí)時(shí)檢測(cè)紅綠藍(lán)三色波段的光量子通量密度（PFD）和溫濕度值，并將檢測(cè)信息顯示在上位機(jī)界面，通過(guò)控制器對(duì)脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以保持照射到植物的紅、綠、藍(lán)PFD值隨環(huán)境光照改變而保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)結(jié)合環(huán)境光照的智能補(bǔ)光。同時(shí)，系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度閾值范圍的智能調(diào)節(jié)。該智能補(bǔ)光照明系統(tǒng)根據(jù)不同植物或同一植物不同生長(zhǎng)階段對(duì)PFD、光質(zhì)比例補(bǔ)光需求的不同，通過(guò)上位機(jī)設(shè)置紅、綠、藍(lán)三色波段光不同的PFD值和溫濕度范圍，下位機(jī)按照設(shè)置完成環(huán)境調(diào)控，既滿(mǎn)足了植物對(duì)補(bǔ)光環(huán)境的要求，又大大節(jié)省了能源。

關(guān)鍵詞：LED植物補(bǔ)光照明；LabVIEW；脈寬調(diào)制；光量子通量密度；光質(zhì)比例

中圖分類(lèi)號(hào)：TM923；S24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0394-04

收稿日期：2015-08-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家火炬計(jì)劃（編號(hào)：.2013GH580096）。

作者簡(jiǎn)介：牛萍娟（1973—），女，博士，教授，主要從事新型半導(dǎo)體發(fā)光器件、LED驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)等研究。E-mail：nping_tjpu@163.com。

通信作者：李艷艷，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體照明智能控制研究。E-mail：li__yanyan@126.com。在霧霾天氣日益嚴(yán)重的環(huán)境下，冬春季節(jié)太陽(yáng)光無(wú)法滿(mǎn)足溫室及園藝植物生長(zhǎng)，人工補(bǔ)光對(duì)于溫室植物生長(zhǎng)尤為重要。光強(qiáng)和光質(zhì)對(duì)植物的光合作用、物質(zhì)代謝和形態(tài)建成等具有重要作用[1]。380 ～760 nm 可見(jiàn)光光譜波段是植物光合作用主要吸收的光波段，其中，吸收峰值在紅藍(lán)光波段[2]，加入一定比例的綠光可促進(jìn)植物生長(zhǎng)[3]。LED作為新型光源應(yīng)用于植物照明，較傳統(tǒng)光源不僅具有可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、體積小、發(fā)熱少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，而且由于可發(fā)出單波長(zhǎng)光，還能根據(jù)植物的需要進(jìn)行光譜的精確配置[4]。

單顆超高亮LED還未能提供足夠的光量供溫室植物正常生長(zhǎng)，但多顆LED通過(guò)組裝設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足植物補(bǔ)光需要[5-8]。傳統(tǒng)的補(bǔ)光照明一般采用定光照、定光質(zhì)的補(bǔ)光方式[9-11]，照射到植物的光會(huì)隨外界環(huán)境光照的改變而變化，不僅無(wú)法滿(mǎn)足不同植物或同一植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)光量子通量密度（PFD）和光質(zhì)比的差異性需求[1，12]，也浪費(fèi)了能源，提高了成本。本研究的智能補(bǔ)光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)了PFD均勻分布的紅綠藍(lán)LED光源模塊，利用上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控或設(shè)置環(huán)境的光強(qiáng)和溫濕度，控制器根據(jù)光強(qiáng)變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)，從而控制LED紅綠藍(lán)光源模組的輸出，精確保持設(shè)定的PFD和光質(zhì)比例，滿(mǎn)足植物需求的同時(shí)降低成本。

1LED光源模塊

小功率芯片組合設(shè)計(jì)與大功率芯片組合設(shè)計(jì)相比，不同光譜光量子通量密度混合更均勻，散熱更少，功耗更低，用于近距離照射植物。本試驗(yàn)選用0.2 W貼片型RRGB燈珠用于研究，由杭州遠(yuǎn)方光電生產(chǎn)的HAAS-2000高精度快速光譜輻射計(jì)和0.5 m小積分球測(cè)得單顆RRGB燈珠中R、G、B光量子流和電流的關(guān)系見(jiàn)圖1。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到電流與光量子數(shù)的關(guān)系式：

yR=0.000 2xR，r2=0.992 5

yB=0.000 2xB，r2=0.975 4

yG=0.000 2xG，r2=0.971 4。（1）

式中：yR、yB、yG為紅、藍(lán)、綠光量子數(shù)，xR、xB、xG為通過(guò)紅、藍(lán)、綠芯片電流。擬合優(yōu)度r2接近于1，所以，紅綠藍(lán)LED光源的電流與光量子數(shù)基本成正比例關(guān)系。

參考文獻(xiàn)[4]中，生菜和紅菊苣植物被種植在70%紅光，20%綠光和10%藍(lán)光光照條件下時(shí)，光量子通量密度為 220 μmol/（m2·s） 比400 μmol/（m2·s）條件下光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）功能更有效。

因此，若確定光質(zhì)比例為R ∶B ∶G=7 ∶1 ∶2，由光質(zhì)比例及光源的額定電流確定仿真時(shí)單顆燈珠R、R、G、B的電流大小，分別為20、20、16、6 mA。LED光源單元模塊在照明參考平面內(nèi)的照明面積計(jì)算公式[7-8]如下：

S=[7L+2htan（13.2π180）]2。（2）

式中：L為光源間距；h為燈板離照射面的距離。植物照明較普通照明有所區(qū)別，目前，評(píng)價(jià)植物光照效果的基本測(cè)量方法常用的有光合有效輻射能量（PAR）法和光合光子流量法2種。PAR法即用輻照度表示1 m2上促進(jìn)光合作用的輻射功率，進(jìn)而表示植物被照射的程度。光合光子流量法，即1 s照射到單位區(qū)域面積上的光子數(shù)[6，13]。在光學(xué)軟件TracePro仿真里用輻照度表示光照大小，實(shí)際溫室環(huán)境下用光量子通量密度值來(lái)表示植物光照，但二者之間可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。定義LED 的輻照度均勻度為照明面上各點(diǎn)輻照度的平均值Eave與最大輻照度Emax的比值，以此來(lái)計(jì)算各模塊在TracePro仿真環(huán)境下的總輻射照度均勻度。

Ue=EaveEmax×100%。（3）

TracePro分別仿真燈珠間隔L為0.5、1、1.5 cm時(shí)，距離照射面高度15 cm，輻照面積S分別為10.52、142、17.52 cm2，81顆燈珠排布為9行×9列的方形光源模塊的輻照度。不同間距的仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1看出，隨光源間距L的增加，輻照度平均值減小，均勻度增加，輻照面積也增加。在滿(mǎn)足輻照度大小的基礎(chǔ)上，選擇光源間距為1.5 cm，因?yàn)槠洳粌H均勻度高，而且輻照面積廣。光源間隔為1.5 cm時(shí)，TracePro仿真的輻照度分布如圖2所示。按照仿真設(shè)計(jì)出的光源排布開(kāi)發(fā)LED光源模塊，若干光源模塊組成用于植物照明的LED光源模組。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括檢測(cè)模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)電源模塊、LED光源模塊、上位機(jī)控制模塊，系統(tǒng)原理見(jiàn)圖3。

2.1檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中的紅、綠、藍(lán)光照度和溫濕度，將檢測(cè)信號(hào)傳入單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集。具體方案：由于LED光源全部點(diǎn)亮?xí)r，環(huán)境中同時(shí)存在紅綠藍(lán)三波段光譜，為了分別檢測(cè)紅綠藍(lán)光強(qiáng)，光照先經(jīng)過(guò)透光率為90%，波長(zhǎng)波段范圍分別為420～480、500～580、625～700 nm的藍(lán)光、綠光、紅光帶通濾光片預(yù)處理[14-15]，處理后的紅綠藍(lán)光透過(guò)光照度傳感器BH1750FVI的光敏二極管檢測(cè)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)P2口，光照度檢測(cè)信號(hào)以ⅡC總線方式接入。同理，溫濕度傳感器DHT11將溫濕度的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)溫濕度的檢測(cè)。

2.2控制模塊

系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C52RC作為控制器，外部晶振11.059 2 M，輸出波形頻率為1 000 Hz。與檢測(cè)部分的連接采用定時(shí)器0計(jì)數(shù)，P1口接入檢測(cè)傳感器，P1.0口連接溫濕度傳感器DHT11，P1.1-P1.6口連接3個(gè)光照度傳感器，分別檢測(cè)紅、綠、藍(lán)三色的光照度，P1.1、P1.3、P1.5連接光照度傳感器的ⅡC時(shí)鐘引腳SCL，P1.2、P1.4、P1.6連接ⅡC數(shù)據(jù)引腳SDA。單片機(jī)通過(guò)軟件編程方式實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出，使用定時(shí)器1，工作方式0，通過(guò)P0.0、P0.1、P0.2口輸出三路PWM信號(hào)到電源驅(qū)動(dòng)模塊，分別調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)LED光源的光量子通量密度?？刂破麟娐穲D如圖4所示，單片機(jī)STC89C52RC通過(guò)RS-232接口與上位機(jī)連接，用電壓為 5 V、電流為1 A的電源為其供電。

2.3電源驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)選用基于XL6009升壓型直流電源變換器芯片設(shè)計(jì)的DC-DC升壓LED調(diào)光模塊。在XL6009芯片的PWM調(diào)光輸入引腳上加載脈寬可變的PWM信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動(dòng)電流繼而調(diào)節(jié)LED燈的亮度。R、G、B等3路LED驅(qū)動(dòng)電源在PWM調(diào)光信號(hào)調(diào)節(jié)下輸出電流的變化曲線，如圖5所示。占空比為100%時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出電流為L(zhǎng)ED光源模塊的額定電流，R、G、B額定電流分別為360、180、180 mA，綠光光源的變化曲線與藍(lán)光基本重合。由圖5可看出，占空比與輸出電流不成正比例關(guān)系，因此，本系統(tǒng)提出了不斷反饋與調(diào)整PWM占空比，從而改變驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)光照度的補(bǔ)光方法。

2.4上位機(jī)模塊

系統(tǒng)采用虛擬儀器（VI）領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW作為上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件。單片機(jī)控制器與LabVIEW通過(guò)VISA函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通信，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送設(shè)定參數(shù)數(shù)據(jù)，下位機(jī)將采集的光照和溫濕度數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

LabVIEW程序分為前面板和程序框圖2個(gè)部分，如圖6所示。其中，前面板是VI的代碼接口，是用戶(hù)交互界面，能實(shí)時(shí)直觀地觀察到R、G、B的光量子通量密度和溫濕度的變化曲線，通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)按鍵或直接輸入，設(shè)定相應(yīng)的光量子通量密度值和溫濕度的上下限閾值，超出閾值范圍則警報(bào)提醒。由于光照傳感器檢測(cè)的光信號(hào)以光照度表示，所以需要通過(guò)換算關(guān)系式（4）實(shí)現(xiàn)光照度與光量子通量密度之間的轉(zhuǎn)換。

光量子通量密度與光照度的關(guān)系[7]：

U=βE；

β=∑700400λφe（λ）Δλ81 755.1∑780380φe（λ）V（λ）Δλ。（4）

式中：U表示光合有效量子通量密度，E為光照度，β為光譜相對(duì)功率密度，V（λ）為人眼視見(jiàn)函數(shù)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)控制部分的軟件設(shè)計(jì)。LabVIEW采用圖形化語(yǔ)言（G語(yǔ)言）編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)，程序圖見(jiàn)圖6，上位機(jī)界面設(shè)定了植物需要的光量子通量密度值和溫濕度的上下限值，其中光量子通量密度與光照度經(jīng)關(guān)系式（4）實(shí)現(xiàn)參數(shù)的轉(zhuǎn)換。對(duì)紅、綠、藍(lán)3種光質(zhì)的光的恒光模式調(diào)節(jié)是補(bǔ)光系統(tǒng)的主要部分。系統(tǒng)恒光模式調(diào)節(jié)的軟件流程圖如圖7所示?？刂破鲉?dòng)后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后實(shí)時(shí)采集環(huán)境光照度值，并判斷與設(shè)定值的關(guān)系。若光照度不等于設(shè)定值，由于LED驅(qū)動(dòng)電流與占空比不成正比例關(guān)系，所以，需要通過(guò)不斷反饋與調(diào)整PWM占空比改變驅(qū)動(dòng)電流，從而實(shí)現(xiàn)光照度調(diào)節(jié)。若光照度小于設(shè)定值，PWM占空比增加，光照度大于

設(shè)定值，PWM占空比減小。延時(shí)一段時(shí)間再次比較，如果增加PWM占空比沒(méi)有超出設(shè)定值，則繼續(xù)增加PWM占空比，反之則延時(shí)一段時(shí)間后再次采集光照度，判斷環(huán)境光照強(qiáng)度值是否在閾值范圍。若在則執(zhí)行底部循環(huán)；若不在閾值范圍或外界環(huán)境光照度發(fā)生變化超出閾值范圍，則返回調(diào)節(jié)PWM占空比，使光照度值恒定在閾值范圍內(nèi)。減小PWM占空比同理。

4系統(tǒng)測(cè)試分析

這里主要測(cè)試分析了系統(tǒng)LED補(bǔ)光單元模塊的穩(wěn)定性。根據(jù)溫室的實(shí)際面積確定LED燈組數(shù)，上位機(jī)設(shè)定紅、藍(lán)、綠光量子通量密度值分別為200、30、56 μmol/（m2·s），即光質(zhì)比例為R ∶B ∶G=7 ∶1 ∶2[4]。對(duì)LED光源單元模塊正下方 15 cm，輻照面積為17.52 cm2的照明區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分得出25個(gè)間隔相同的網(wǎng)格點(diǎn)，利用LI-250A光照計(jì)測(cè)試系統(tǒng)在不同光照環(huán)境下25個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處的PFD值。結(jié)果表明，太陽(yáng)光較強(qiáng)時(shí)，由于紅、藍(lán)、綠PFD值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)定閾值，PWM減為0，此時(shí)，太陽(yáng)光作為溫室光源。陽(yáng)光微弱或沒(méi)有陽(yáng)光照射時(shí)，恒光模式啟動(dòng)，補(bǔ)光系統(tǒng)的PWM占空比增加使紅、藍(lán)、綠光達(dá)到設(shè)定閾值范圍，并穩(wěn)定保持在閾值范圍?？偟腜FD值在輻照平面的分布圖如圖8所示。計(jì)算得到PFD分布的均勻度為72.7%，與仿真結(jié)果基本一致。

5結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)智能補(bǔ)光照明系統(tǒng)，基于LabVIEW上位機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并可設(shè)置溫室環(huán)境參數(shù)，通過(guò)串口模塊連接下位機(jī)控制器，下位機(jī)采集反饋環(huán)境中溫濕度和光照度數(shù)據(jù)，并通過(guò)PWM占空比的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保持照射到植物的紅綠藍(lán)三色波段的光照度以及光質(zhì)比例恒定不變，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)溫濕度在設(shè)定范圍內(nèi)的智能調(diào)節(jié)。光源模塊由光學(xué)軟件 TracePro 仿真設(shè)計(jì)，且系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試分析表明PFD在輻照平面分布均勻且與仿真一致，溫濕度在設(shè)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)穩(wěn)定，系統(tǒng)誤差小，適用于溫室補(bǔ)光照明。

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