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    基于LoRa的溫室智能補光系統(tǒng)研制

    2020-05-11 12:30:11李晉蒲曹瑞紅趙建貴高安琪韋玉翡李志偉
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年5期
    關(guān)鍵詞:溫室

    李晉蒲 曹瑞紅 趙建貴 高安琪 韋玉翡 李志偉

    摘要: 由于天氣的影響,溫室作物面臨著光照不足、時間短且不均勻的問題,針對此現(xiàn)象研制了溫室智能補光系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括環(huán)境因子的采集器與控制LED亮度的補光器2個部分,均采用高速、低功耗的STM32核心處理器,利用LoRa無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)采集器與補光器之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)獲取光照、溫度、CO2環(huán)境等數(shù)據(jù),并依據(jù)基于遺傳學(xué)算法優(yōu)化后的溫室作物補光數(shù)學(xué)模型和作物所需最佳紅藍(lán)光閾值,對溫室內(nèi)的作物自動補光;補光器采用節(jié)能且使用壽命長的紅藍(lán)燈相結(jié)合的LED點陣。試驗結(jié)果表明,本系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時監(jiān)測環(huán)境因子并獲取環(huán)境數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫室內(nèi)的自動化補光,具有實用價值。

    關(guān)鍵詞: 溫室;LoRa;LED點陣;智能補光

    中圖分類號: S625.5+2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

    文章編號:1002-1302(2020)05-0198-07

    光是綠色植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ),是植物生長發(fā)育的必要前提[1]。受冬季天氣的影響,溫室環(huán)境并不能給作物提供充足的光照,致使其長期處于弱光狀態(tài),發(fā)育與生長速度緩慢甚至停止。因此,設(shè)計一套溫室補光系統(tǒng)是極有必要的。溫室內(nèi)還存在光照不均勻的現(xiàn)象,為了使溫室作物達(dá)到最佳的生長環(huán)境,需要進(jìn)行多區(qū)域監(jiān)測;傳統(tǒng)有線傳輸存在布線困難、維護(hù)性差的問題,而傳統(tǒng)的無線傳輸距離較短、功耗大。綜合以上2點,系統(tǒng)采用新型無線LoRa(long range)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LoRa不僅傳輸距離遠(yuǎn)、成本低,而且還極大地改善了接收的靈敏度,大大降低了功耗。發(fā)光二極管(LED)相對于傳統(tǒng)補光燈來說,具有光譜特性明顯、電光轉(zhuǎn)化效率高、易調(diào)光、工作電壓低、發(fā)光均勻穩(wěn)定和壽命長等優(yōu)點[2-4]。以LED為主要補光設(shè)備為溫室內(nèi)的作物提供充足的光源,不僅可以滿足溫室作物生長所需的光質(zhì),并且功耗低、價格低廉[5]?,F(xiàn)有補光算法大體分為2種:一種是基于凈光合速率的補光數(shù)學(xué)模型,另一種是直接根據(jù)作物所需最佳光照進(jìn)行補光[6-7]。兩者都不能根據(jù)實際環(huán)境因子給予作物最佳補光數(shù)據(jù),針對這種現(xiàn)象,系統(tǒng)以番茄為例,根據(jù)實際環(huán)境中溫度和CO2濃度,采用了基于遺傳學(xué)算法的溫室作物補光數(shù)學(xué)模型,可以更加精準(zhǔn)地提供補光數(shù)據(jù)。

    系統(tǒng)分為環(huán)境因子的采集器與控制LED亮度的補光器兩大部分。采集器主要是進(jìn)行多區(qū)域監(jiān)測,采集溫室內(nèi)不同區(qū)域的光照、溫度和CO2濃度等信息,并將這些信息傳輸給補光器;補光器依據(jù)基于遺傳學(xué)算法優(yōu)化后的溫室作物補光數(shù)學(xué)模型,對采集器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行計算,得出該區(qū)的最佳光照,并與實際情況對比從而實現(xiàn)對不同區(qū)域的精準(zhǔn)補光。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的補光系統(tǒng)相比,區(qū)別在于可以依據(jù)溫室內(nèi)不同區(qū)域環(huán)境的差異和優(yōu)化后基于遺傳學(xué)算法的溫室作物補光數(shù)學(xué)模型,分區(qū)域進(jìn)行特定補光,不僅解決了溫室內(nèi)光照不均勻的狀況,還能依據(jù)溫室不同作物的補光閾值,實現(xiàn)多種作物的精準(zhǔn)補光,耗能低,實用性更強[8]。

    1 基于遺傳學(xué)算法的溫室作物補光數(shù)學(xué)模型以及優(yōu)化

    溫室內(nèi)部光照不均勻的問題普遍存在,因此對于溫室內(nèi)不同區(qū)域的作物進(jìn)行同等強度的補光顯然是不可取的。本系統(tǒng)采用補光模型,針對溫室不同區(qū)域的環(huán)境因子實現(xiàn)分區(qū)補光[9]。現(xiàn)有遺傳學(xué)算法尋優(yōu)目標(biāo)值模型,根據(jù)不同溫度以及CO2濃度來探尋番茄的最優(yōu)光合速率,基于此獲得相應(yīng)條件下的光子通量密度,也就是相應(yīng)條件下的光飽和點;然后利用多元回歸的方法,通過對不同的溫度以及CO2濃度與相應(yīng)條件下的光飽和點進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,生成了以溫度和CO2濃度為輸入,光飽和點為輸出的光環(huán)境目標(biāo)值模型[10]。模型如式(1)所示。

    ILSP=32.57+75.58T+0.461 7C-1.202T2-0.004 15TC+0.000 097 3C2。(1)

    式中:ILSP表示作物的光飽和點,μmol/(m2.s);T表示溫室內(nèi)的溫度,℃;C表示溫室內(nèi)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg/kg。

    系統(tǒng)采用該遺傳算法尋優(yōu)目標(biāo)值模型作為補光模型。但由于此模型所針對的環(huán)境與本系統(tǒng)所針對的環(huán)境并不完全一致,在此對其進(jìn)行了調(diào)整。根據(jù)本系統(tǒng)所針對的溫室環(huán)境以及對所測數(shù)據(jù)的整理和計算,對式(1)優(yōu)化處理,調(diào)整后的模型如式(2)所示。對模型結(jié)果進(jìn)行分析,其確定系數(shù)R2為0.982,表明該模型具有良好的擬合成效;對模型進(jìn)行驗證,得出模型具有良好的測試精度和適用性,光飽和點的實測值與模擬值最大相對誤差不超過5%。

    ILSP=33.63+74.23T+0.451 9C-1.113T2-0.003 27TC+0.000 106 4C2。(2)

    2 系統(tǒng)總體設(shè)計

    溫室智能補光系統(tǒng)包括采集器與補光器兩大部分。采集器由若干個采集區(qū)實現(xiàn)對溫室內(nèi)各區(qū)域光照度、溫度以及CO2濃度等實時數(shù)據(jù)的采集。由于是分區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,有線傳輸布線困難,本系統(tǒng)通過LoRa無線單元將采集器各區(qū)數(shù)據(jù)信息分別發(fā)送至補光器;補光器依據(jù)數(shù)學(xué)補光模型計算出各區(qū)該溫度與CO2濃度條件下溫室作物所需最佳光強,與該區(qū)實時光照數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,再依據(jù)紅藍(lán)光配比給定閾值[11],紅藍(lán)光配比如表1所示。通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制補光燈的亮暗程度,達(dá)到分區(qū)智能補光的效果。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    3 硬件設(shè)計

    3.1 采集器

    采集器由電源模塊、核心處理單元、LoRa無線單元、OLED屏以及多個采集區(qū)組成,每個采集區(qū)又包括光照單元、溫度監(jiān)測單元、CO2濃度監(jiān)測單元3個部分。光照監(jiān)測單元采用GY-30與ISL29020這2種傳感器結(jié)合,主要用于監(jiān)測溫室內(nèi)的光照度和紅藍(lán)光強;溫度監(jiān)測單元采用高精度的DS18B20,測量范圍為-55~125 ℃,精度為±0.5 ℃[12],實時監(jiān)測溫室內(nèi)的溫度;CO2濃度監(jiān)測單元采用S80053 CO2,實時監(jiān)測溫室內(nèi)CO2濃度的變化,其測量范圍為0~10 000 mg/kg,測量精度達(dá)到 ±40 mg/kg;OLED屏主要用來顯示溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

    3.1.1 電源模塊

    溫室中智能補光系統(tǒng)需要電源模塊為其供給能量,因此電源模塊是其不可或缺的一部分。本系統(tǒng)有相應(yīng)的電源接口,可用電源適配器直接為系統(tǒng)供電。由于STM32F103CBT6芯片的額定工作電壓為3.3 V,部分傳感器的額定工作電壓為5 V,所以在電源模塊中必須進(jìn)行降壓處理。降壓處理分為2個部分:一是以12 V為輸入電壓,使用AMS1117-5.0穩(wěn)壓器先將電壓降為5 V,可以為部分傳感器提供電能;二是以5 V為輸入電壓,使用AMS1117-3.3穩(wěn)壓器將電壓降為3.3 V,從而為STM32F103CBT6芯片提供電源。電源模塊的電路原理如圖2所示。

    3.1.2 核心處理單元

    核心處理單元以STM32F103CBT6為核心處理器,處理速度達(dá)到72 MHz,引腳資源48個,GPIO口37個,IIC通信接口2個,滿足設(shè)計需求。STM32F103CBT6以主流的Cortex為內(nèi)核,性能極高,一流的外設(shè)以及低功耗的特性,使其應(yīng)用起來更加方便。對于本系統(tǒng)來說,STM32F103CBT6芯片完全滿足設(shè)計需求。

    3.1.3 LoRa無線單元

    無線單元需選用耗能低、遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾能力強的模塊,表2為幾種無線通信的對比。綜合分析,該系統(tǒng)采用的無線模塊其射頻芯片SX1278主要采用LoRaTM遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器,以結(jié)合高效的循環(huán)交錯糾錯編碼算法[13]。LoRa工作電流為12 mA左右,休眠電流為200 nA;其傳輸距離遠(yuǎn)高于其他無線通訊,普通環(huán)境下的傳輸距離能夠達(dá)到3 000 m;抗噪能力強,LoRa的擴(kuò)頻因子可以達(dá)到6~12。

    系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),采集器和補光器通過主動喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗策略。采集器通過定時器將LoRa喚醒,對補光器下達(dá)命令,采集器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸,完成后進(jìn)入休眠狀態(tài)。LoRa調(diào)制解調(diào)器使用隱式和顯式的數(shù)據(jù)包傳輸格式[13]。LoRa數(shù)據(jù)包格式如表3所示。

    LoRa數(shù)據(jù)包的傳輸周期涵括了發(fā)送前導(dǎo)碼周期Tpreamble和報頭及有效負(fù)載的傳輸周期Tpayload,前導(dǎo)碼傳輸周期如式(3)所示。

    Tpreamble=(npreamble+4.25)×Ts。(3)

    式中:npreamble表示前導(dǎo)碼長度,需在軟件設(shè)計時設(shè)置,Ts表示LoRa符號速率,根據(jù)軟件設(shè)置的信號擴(kuò)頻因子(SF)、編碼率(CR)及信號帶寬(BW)得到。計算公式為

    Ts=2SF BW。(4)

    對于數(shù)據(jù)包報頭和有效負(fù)載周期的計算,首先確定符號npayload的數(shù)目,計算公式為

    npayload=8+maxceil[JB([](8PL-4SF+28+16CRC-20IH) 4(SF-2DE)](CR+4),0[JB)}]。(5)

    式中:PL是有效負(fù)載字節(jié)數(shù);SF指擴(kuò)頻因子;IH=1是禁止報頭,IH=0是使能報頭;DE=1是開啟低速率優(yōu)化,DE=0是無低速率優(yōu)化;CR指編碼率,取值為1~4。

    報頭和有效負(fù)載傳輸周期公式為

    Tpayload=npayload×Ts。(6)

    數(shù)據(jù)包傳輸周期(Tpacket)公式為

    Tpacket=Tpreamble+Tpayload。(7)

    通過系統(tǒng)將信號擴(kuò)頻因子(SF)設(shè)置成12,編碼率(CR)設(shè)置成1,帶寬(BW)設(shè)置成7,采用自組網(wǎng)通訊協(xié)議提升無線傳輸速率。

    3.1.4 光照監(jiān)測單元

    光照監(jiān)測單元分為2個部分:一是以GY-30為主,對溫室內(nèi)整體光強進(jìn)行實時監(jiān)測;二是以光強傳感器ISL29020和紅藍(lán)濾光片的組合為主,實現(xiàn)對室內(nèi)紅光和藍(lán)光光強的監(jiān)測[14]。

    GY-30對環(huán)境的檢測范圍大、精度高[15-16]。利用GY-30監(jiān)測光照度,與補光模型所計算出的最佳光照度進(jìn)行對比,若大于最佳光照度,則關(guān)閉補光燈,反之,則進(jìn)行補光操作。GY-30數(shù)字光照模塊與核心處理單元的互聯(lián),并由核心處理單元(采集器)通過LoRa無線單元向補光器發(fā)送數(shù)據(jù)。

    利用2個光強傳感器ISL29020分別完成對紅光和藍(lán)光的監(jiān)測和分析:在檢測紅光時,使用可使625~740 nm范圍內(nèi)紅光透過的濾光片加在ISL29020上,使紅光照射到ISL29020,從而使其檢測紅光;在檢測藍(lán)光時,使用可使400~480 nm范圍內(nèi)藍(lán)光透過的濾光片加在ISL29020上,使藍(lán)光照射到ISL29020,從而使其檢測藍(lán)光[11]。ISL29020與采集器中的核心處理單元相連,通過LoRa無線單元將獲取的光照度傳輸給補光器。

    3.2 補光器

    補光器由核心處理單元、電源模塊、LoRa無線單元、LED點陣燈、LED驅(qū)動單元5個部分構(gòu)成。其中LED點陣燈、LED驅(qū)動單元組成了若干個補光區(qū),與采集區(qū)一一對應(yīng),實現(xiàn)分區(qū)補光。LED點陣燈由紅、藍(lán)2種燈組成10×10的矩形陣[17],根據(jù)LED驅(qū)動單元的調(diào)節(jié),實現(xiàn)對溫室內(nèi)部作物進(jìn)行補光的變換;LED驅(qū)動單元主要對光環(huán)境進(jìn)行調(diào)控,即改變LED點陣燈的亮度,將補光器中核心處理單元發(fā)出的微弱信號轉(zhuǎn)變?yōu)榇箅娏?,由此完成光強信息動態(tài)調(diào)控的過程,可以根據(jù)溫室作物所需最佳光照量,周期性地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的光強。

    3.2.1 LED點陣燈

    溫室內(nèi)植物的光合作用以及生長發(fā)育所需的主要光質(zhì)是藍(lán)光和紅光[18],有研究表明,紅光和藍(lán)光組合可以明顯提高番茄的光合速率,使其加速生長并改善其品質(zhì)[11]。因此,選用紅、藍(lán)2種光源組合作為補光光源是比較理想的。基于上述原因,系統(tǒng)使用紅、藍(lán)2種LED燈源來為溫室中的農(nóng)作物進(jìn)行補光。本系統(tǒng)選用的是超高亮度LED圓形燈[11],具體參數(shù)如表4所示。

    由于單顆LED燈光照度有限,不足以補充足夠的光照,在此將多顆LED燈進(jìn)行了組合排列。除此之外,為了使各個植株可以同時吸收紅光和藍(lán)光,且使光源均勻,系統(tǒng)采用互相交叉的方式安裝補光燈,紅燈和藍(lán)燈相互交錯。綜合上述2點,本系統(tǒng)采用了10×10的矩陣模型,每個燈四周排布了與其不一樣的燈。其中,水平與豎直方向上每相鄰兩燈之間的距離經(jīng)測驗以2.2 cm最優(yōu)。具體如圖3所示。

    3.2.2 LED驅(qū)動單元

    相對于其他調(diào)光方式,PWM調(diào)光擁有絕對優(yōu)勢:(1)高精度,可以實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)光,從而使補光效果更佳;(2)可使LED燈保持在恒流條件下工作,大大減少了LED燈的損壞,提高其使用壽命;(3)顏色一致性好,可以極好地避免LED出現(xiàn)色偏[17]。基于上述幾點,以及為了能夠有效地控制紅藍(lán)補光燈的亮度,系統(tǒng)采用了PWM調(diào)光方式。

    LED驅(qū)動單元以PT4115恒流驅(qū)動為核心,搭配電阻、電容、電感等元器件,構(gòu)成驅(qū)動電路,具體如圖4所示。PT4115恒流驅(qū)動通過DIM引進(jìn)并直接接受PWM,支持PWM調(diào)光。此外,可以通過采樣電阻Rs設(shè)定輸出控制LED的最大平均電流[11],電流計算如式(8)所示。

    Iout=0.1×D/Rs。(8)

    式中:Iout是控制LED的最大平均電流;D是PWM的占空比;Rs為采樣電阻。

    驅(qū)動電路以及補光燈陣如圖4所示。

    4 軟件設(shè)計

    本系統(tǒng)的采集器和補光器均以STM32F103CBT6單片機(jī)為核心:采集器利用GY-30、ISL29020、DS18B20、S8 0053CO2這4種傳感器實現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境因子的采集,通過LoRa無線單元再將數(shù)據(jù)傳遞給補光器,通過補光器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實現(xiàn)自適應(yīng)功能。該系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。

    首先對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化,初始化成功后,采集器和補光器均做好準(zhǔn)備。以采集一區(qū)為例:采集一區(qū)采集當(dāng)前溫室內(nèi)一區(qū)的光照、CO2濃度、溫度、紅藍(lán)光強等信息,并將這些信息通過LoRa無線單元傳送給補光器[18]。補光器的核心處理器接收到數(shù)據(jù)后,通過補光模型計算出一區(qū)作物的最佳光照度,并與一區(qū)的實時光照進(jìn)行對比:若實時光照度大于或等于最佳光照度,則使補光一區(qū)的燈為滅;若實時光照度小于最佳光照度,則對比紅藍(lán)光強是否小于預(yù)先設(shè)定的閾值,根據(jù)閾值與一區(qū)實際紅藍(lán)光強的差值,通過PWM改變補光一區(qū)LED點陣燈亮度,對溫室內(nèi)光照度進(jìn)行調(diào)整。5 min后,采集一區(qū)重新采集數(shù)據(jù),以此循環(huán)。其他采集區(qū)也依照采集一區(qū)的方法進(jìn)行實時補光。

    5 結(jié)論

    根據(jù)溫室作物在不同溫度、CO2濃度的條件下所需的光飽合度和紅藍(lán)光閾值,本研究設(shè)計了一種基于LoRa溫室智能補光系統(tǒng),利用GY-30實時監(jiān)測溫室的整體光照情況,根據(jù)補光模型得到實際光照度與作物所需最佳光照的差值,核心處理單元通過改變PWM信號改變LED補光燈的亮度,來實現(xiàn)溫室內(nèi)的精準(zhǔn)補光[19]。將該系統(tǒng)置于溫室進(jìn)行運行測試,結(jié)果表明,LoRa無線單元在數(shù)據(jù)發(fā)送與接收中傳輸良好,基本無誤與延遲;采集器采集的數(shù)據(jù)精度比較準(zhǔn)確,基本上完成了對溫室內(nèi)部環(huán)境的多區(qū)域監(jiān)測;補光器能夠根據(jù)數(shù)據(jù)信息發(fā)出PWM信號,準(zhǔn)確調(diào)整LED點陣燈的亮度,實現(xiàn)對溫室作物的精準(zhǔn)補光[20]。本設(shè)計實現(xiàn)了對溫室作物的自動化補光,并具有良好的穩(wěn)定性,節(jié)約了人力,實現(xiàn)了溫室作物高效定量的調(diào)控目的;其功能強、操作性好,具有成本低、可自動補光的優(yōu)點,因此具有一定的社會價值和應(yīng)用價值。

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    收 稿日期:2019-11-25

    基金項目:國家重點研發(fā)計劃(編號:2017YFD0701501);山西省研究生教育創(chuàng)新項目(編號:2019SY201)。

    作者簡介:李晉蒲(1994—),女,山西晉城人,碩士研究生,研究方向為農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)電氣化及信息化、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。E-mail:807349720@qq.com。

    通信簡介:李志偉,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事計算機(jī)控制技術(shù)、智能農(nóng)業(yè)裝備和生物環(huán)境測控技術(shù)研究。E-mail:lizhiweitong@163.com。

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