智能LED植物補光燈設計

何 林 ，李 亨 ，陳紅豆

（1.天津職業(yè)技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222；3.佛山市三水區(qū)工業(yè)中等專業(yè)學校，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，研究發(fā)現(xiàn)植物在380～760 nm光譜范圍內(nèi)進行光合作用，其中以吸收紅、藍光為主要吸收光譜[1]。智能LED植物補光燈正是基于這一理論，以紅、藍光為補光光源，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，溫室中植物補光燈主要以鹵素燈、白熾燈為主，植物工廠中主要使用LED面板燈。針對不同植物補光，上述補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，針對以上問題，設計一種智能LED植物補光燈，以實現(xiàn)植物補光燈光譜動態(tài)可調(diào)功能。系統(tǒng)通過傳感器模塊檢測外界紅、藍光的變化，由控制器模塊設計計算補光模式，控制器通過控制PWM占空比來調(diào)節(jié)不同燈光的亮度，以實現(xiàn)光譜可調(diào)節(jié)功能。

1 補光燈設計原理

1.1 光質(zhì)對植物生長的影響

不同的光質(zhì)對植物的生長有著不同的影響，其中紅藍光的比例是主要影響因素。綠色植物對紅光的需求較高，主要影響植物上層枝葉的生長，是光合作用主要吸收光；藍光影響植物下層根、莖的生長，可以促進植物葉子的生長[2]，影響光合作用速率；植物對綠光吸收較少，在生理上認為綠光為無效光[3]。聞婧等[4]用660 nm波長紅光+450 nm藍光和630 nm紅光+460 nm藍光對相同品種的黃瓜幼苗進行光照處理，實現(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?shù)募t藍光搭配，可有效增加植物的產(chǎn)出量。試驗也進一步說明，實現(xiàn)植物照明中紅藍光動態(tài)可調(diào)節(jié)功能尤為重要。

1.2 LED補光燈補光優(yōu)化方案

對于植物來說，不同的光配方對植物的生長有著巨大的影響，不同波長的脈沖光比單一的白光光源更有利于植物生長。文獻[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，且植物葉片中無機物的含量顯著提高。文獻[6]對連續(xù)光照和脈沖光照消耗能量進行了詳細對比，結(jié)果表明：采用頻閃照明方式，能量消耗遠低于連續(xù)照明。因此，本文設計的智能LED植物補光燈采用2 kHz的頻閃補光方法。

2 系統(tǒng)總體方案設計

智能LED植物補光燈主要實現(xiàn)功能：對室內(nèi)紅藍光環(huán)境實時檢測；計算補光值；控制紅藍LED動態(tài)調(diào)節(jié)。根據(jù)以上3個功能將智能LED植物補光燈分為4個模塊：處理器模塊、光源模塊、光源驅(qū)動模塊和傳感器模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。處理器模塊采用STM32F103單片機，該模塊是智能LED植物補光燈的控制核心；光源模塊實現(xiàn)植物補光功能，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菌；光源驅(qū)動模塊是對光源陣列直接調(diào)制的電路，單片機通過改變輸出的PWM信號來控制LED燈的發(fā)光情況；傳感器模塊采用光敏電阻傳感器設計，用以檢測室內(nèi)光環(huán)境。

圖1 智能LED植物補光燈系統(tǒng)框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設計

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，其內(nèi)核為Cortex-M3。該模塊最高工作頻率可達到72 MHz。芯片配置8個16位定時器和豐富的I/O接口，可以按照需要配置寄存器以達到相同管腳實現(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，具有運算速率快、性能高、能耗低等優(yōu)點，能夠滿足本文所述智能LED植物生長燈設計需要[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)動模塊進行調(diào)控，處理器模塊通過輸出PWM信號實現(xiàn)光強智能控制。為提高光照平面上的光量子流密度（μmol/（m2·s）），采用多個獨立的LED單元陣列組成智能LED植物補光燈，這些LED單元陣列由多個光源驅(qū)動電路控制。為了達到光照均勻度最佳以及制配方最充足，紅、藍LED燈珠數(shù)為5∶2，每個光源模塊上使用1個紫外線LED，對植物表面進行殺菌，使用2個紅外光LED促進植物葉片生長。經(jīng)前期試驗，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)動模塊

光源驅(qū)動模塊采用恒流電路驅(qū)動設計以實現(xiàn)對LED光源的調(diào)節(jié)控制。PT4115是一款常用的電感導通式恒流控制芯片，可用于驅(qū)動一顆或多顆大功率串聯(lián)LED，滿足控制要求[8]。根據(jù)設計需求，選取最佳的電阻和電容，搭建橫流驅(qū)動電路，確保恒流電路驅(qū)動準確。選取STM32單片機中4個PWM信號輸出端口外接4個光源驅(qū)動模塊，PT4115芯片根據(jù)單片機輸出的PWM信號改變輸出電流，實現(xiàn)光源可調(diào)功能。LED驅(qū)動電路原理如圖3所示。

圖3 LED驅(qū)動電路原理

2.1.4 傳感器模塊

本文設計的智能LED植物補光燈，利用光敏傳感器對環(huán)境光源進行實時監(jiān)測，并將采集到的光環(huán)境信息發(fā)送至單片機。由于光敏傳感器無法直接檢測到環(huán)境中的紅、藍光，所以在光敏傳感器前加上相應波長的帶通濾鏡，實現(xiàn)對植物工廠或溫室內(nèi)紅、藍光的檢測。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)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計采用C語言程序設計編寫，系統(tǒng)流程如圖5所示。

智能LED植物補光燈上電后，各模塊進入初始化狀態(tài)，對模塊內(nèi)部參數(shù)進行初始設置；傳感器模塊將采集到的紅、藍光信息發(fā)送至單片機，再與設定值對照比較后，進行補光策略計算；最后單片機根據(jù)補光策略輸出PWM信號，控制恒流驅(qū)動電路，以達到對各色LED燈控制目的，使光照強度達到預設值，完成智能補光。

圖5 系統(tǒng)流程

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 光強分布及均勻性分析

設計實現(xiàn)以驗證智能LED植物補光燈的均勻性。使用光量子流密度計在光源下方25 cm處進行測量，測量面積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光燈中心點光量子流密度高，距離中心點越遠，測量值越低的趨勢。由文獻[9]研究所得，理想的光量子流密度一般需要補充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，其光照強度遠大于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光燈上燈珠的排列方式有關；在測量數(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，光照強度不斷增強，但是均勻性降低。本研究植物補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，光照強度與均勻性均能滿足設計要求。

3.2 補光燈試驗分析

針對本次設計的智能LED植物補光燈，選用生菜進行測試實驗，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：對甲組進行補光，將LED補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的生菜。分別記錄生菜的形態(tài)指標，補光與自然條件下生菜形態(tài)指標如表1所示。

表1 補光與自然條件下生菜形態(tài)指標

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

4 結(jié)語

本文設計了一種智能LED植物補光燈，該補光燈包括處理器模塊、光源模塊、光源驅(qū)動模塊和傳感器模塊；采用嵌入式操作系統(tǒng)和傳感器技術，利用閉環(huán)控制思想，實現(xiàn)了光譜實時可調(diào)功能。根據(jù)光源均勻性測量試驗，可以發(fā)現(xiàn)本文設計的植物生長燈在光照強度、光質(zhì)等方面均達到設計要求；根據(jù)補光燈條件下生長的生菜和自然條件下生長的生菜對比試驗可得，智能植物生長燈對植物生長有顯著的促進作用，作物產(chǎn)量可提高50%。