基于单片机的LED植物补光系统

赵 杰 荣 ，　李 永 涛，　李 悠 然，　蔡 东 宁，　曹　 帆，　邹 念 育，　王 金 鹏

( 1.大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连　116034；2.江苏太古可口可乐饮料有限公司, 江苏 南京　210007 )



基于单片机的LED植物补光系统

赵 杰 荣1，李 永 涛1，李 悠 然1，蔡 东 宁2，曹 帆1，邹 念 育1，王 金 鹏1

( 1.大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连116034；2.江苏太古可口可乐饮料有限公司, 江苏 南京210007 )

为实现在植物不同生长阶段按需精确定量补光，提出一种考虑植物不同生长期所需光质不同的LED补光系统的设计方案。该系统实时监测植物生长环境中不同光质的光照强度以及环境温度，根据系统预设算法精确计算作物实际需要的补光量，并以PWM调光方式控制通过LED的电流进而调控红、蓝LED植物补光灯的亮度。该补光系统可实现为植物提供最适合的光照条件的目标，不存在光源浪费问题，实现节能化精确补光。

植物照明；LED；单片机；PWM调光；选择性补光

0　引　言

光照影响植物生长发育的整个生命阶段，是影响光合作用的重要因素之一。新型LED光源具有能效高、显色性优良、更换周期长、体积小、发热低等诸多优点。LED光源在植物栽培领域将逐渐代替传统植物灯[1]。LED与目前农业领域常用的荧光灯或高压钠灯等人工光源相比较，具有生物能效高、提高植物栽培密度、节能效果显著的优点[2]，对环境相对封闭的农业生产区域，如温室、大棚等是一种非常适合的人工光源[3]。但现有的植物照明研发产品采用的光配比多为恒定模式，光谱单一，与植物的光合作用吸收光谱不匹配，且多采用连续照射方式，未能对光质、光周期和光密度进行精确地按需调整。由于现有产品没有考虑不同植物在不同生长阶段所需要补光光量具有差异的问题，造成补光不足和补光过度并存的现象[4]，能耗大、光源浪费的问题仍未能真正解决[5]。

研究表明，对植物光合作用有重大影响的主要是400～500 nm的蓝光和600～700 nm 的红光[6]。植物光合作用吸收光谱的主要波段是波长600～650 nm的红光部分和波长为400～460 nm 的蓝光部分[7]。不同波长的红光和蓝光对植物生长的影响结果不同。对植物进行适量的蓝光照射，有利于叶的生长；对植物进行适量红光照射，促进茎的伸长[8]。红光与蓝光过多会分别引起植物变矮和黄化[9]。因此，合适的光配比是种植高品质农作物的必要条件[10-11]。

本文在分析植物生长发育必备条件——光的基础上，为实现光能利用率提升、能耗降低的目标，提出光质按需精确可调的补光方法，并设计一套基于OT(分波段光强检测技术)[12]、TS(温度传感技术)[13]和IC(智能控制技术)[14]等现代电子科技信息技术的LED补光系统[15]，该系统所用核心处理器为单片机，单片机型号为STC12C5A60S2，LED恒流驱动模块为PT4115[16]，根据传感器所采集的数据，在系统内进行判断，利用PWM(脉宽调制)信号控制LED的电流，实现对农作物的按需补光，以满足植物在不同阶段对补光量的需求，促进植物生长。

1　补光模式

在植物的生长过程中，光不仅是能源，也是一种信号。光是光合作用中的能量供应者，也是植物生长发育的信号灯。植物的光照条件影响植物的隐花色素、光敏素，这些色素直接影响植物的生长和分化，所以调节植物的光形态建成可通过改变光配比实现。对植株照射590～700 nm的红光，可减小节间长度，降低植株高度，其原因是植物体内赤霉素的含量影响植株的生长，而红光是影响赤霉素含量的重要因素；因此光配比已成为控制植株形态的一个重要因子。在自然界中，季节不同，天气不同，光强与光密度不同。冬季与春季相对其他季节光照弱，阴天雨天比晴天光照弱，不同的植物对光强的需求也不同，阴性植物需 500～3 000 lx，中性植物需 3 000～30 000 lx，阳性植物则需光照大于30 000 lx。

不同光合色素在光合作用中的吸收光谱峰值不同，红光的吸收峰值在 625～670 nm，蓝光吸收峰值在 420～470 nm，包含了不同作物的不同吸收光谱峰值，因此选择峰值波长分别为660和450 nm的LED作为红光与蓝光补光光源[6]。为了实时监控植物生长光环境，通过光照传感器监测400～500和600～700 nm两个波段的光照强度；同时加入温度检测模块，模块即温度传感器，采集温度数据判断是否可以进行补光，此种方法可提高光源利用率，防止由于温度过高或过低引起补光过度，对植株造成伤害。

不同波段的光照对农作物的生长发育影响不同，植物实际所需的光强和光配比在不同生长时期是不同的，光质与光强恒定的补光模式不能满足植物各个生长时期的需求。在补光环境中，光补偿点与光饱和点是影响植物生长的重要因素，不同阶段农作物的光补偿点和光饱和点不同，光强低于或超过光饱和点，会造成补光不足或补光过量，并且造成无效消耗和光胁迫[7]。本文提出考虑植物不同生长期所需光质不同的LED补光系统的设计方案，用户可根据植株不同阶段的光饱和点和光补偿点设置不同光质与光密度，并通过传感器监测得到的当前值与系统预设值计算下一周期植物所需的补光量，实现植物的按需补光。

2　系统整体设计

系统整体分为5个模块，分别是电源模块、检测模块、控制模块、补光模块、用户模块，总体结构如图1所示。其中电源模块采用蓄电池供电模式，红光检测模块与蓝光检测模块采用3 V供电；蓄电池将5 V电压供给温度检测、蜂鸣器、指示灯、显示模块四个部分；控制模块的核心为STC单片机，根据系统中传感器实时采集到的数据以及预设极限值，由此计算得出PWM信号实际输出的占空比； 检测模块的工作模式：首先红蓝光光强传感器和温度传感器分别检测植物生长环境中的红、蓝光强和实时温度，并将检测结果以电信号形式进行滤波、放大后输入控制器，实现植物生长环境中各项环境因子的监测；补光模块采用LED 补光灯组，补光灯组由两路具有电流控制功能的PWM恒流驱动电路控制，PWM电信号控制LED灯组的光强即灯的亮度，从而实现对农作物的按需精确补光； 显示模块采用LCD(液晶显示屏)展示检测结果中的数据，用户可按需求在键盘上修改系统中预设值。

图1　控制模块原理图

3　硬件设计

3.1控制模块

采用STC12C5A60S2作为核心处理器，内部具有专用复位电路和晶振时钟电路，具有2路PWM输出口、4个16 b定时器、8路10 b A/D转换、56 kB Flash存储空间、集成1 280 B RAM。信息采集与处理、预设值调整、系统智能控制等工作都是在核心处理器的基础上完成，电路如图2所示。核心处理器的引脚说明如表1所示。

图2　控制模块原理图

表1　引脚说明

3.2光照检测模块

检测模块包括两个部分：光照传感器与温度传感器。光照传感器进行光强检测，光照检测包括红光和蓝光光强检测，采用滤光范围在400～500和600～700 nm的滤光片对补光灯组光质进行处理，然后用ISL29010光照传感器对经过处理的红蓝光进行检测，传感器检测完成后将信号发送到单片机。光照传感器连接单片机的P1.6、P1.7口，完成两个波段的光照检测，并将传感器采集到的数据反馈给单片机，原理图如图3所示。

图3　检测模块原理图

3.3驱动电路模块

为了LED补光灯组有恒定的颜色输出，LED 补光灯组采用降压恒流驱动方式。所选用芯片为PT4115，驱动电路如图4所示。PT4115是降压恒流源，工作时连续电感电流导通，电压范围是6～30 V，输出电流可调，最大可达 1.2 A，可同时满足多颗LED串并联的电路。DIM引脚的作用是实现范围较宽的PWM调光，此引脚也可实现模拟调光。限流电阻R决定LED的最大平均电流，连接在VIN和CSN两端。通过在DIM引脚加入占空比可调的PWM信号来调节通过LED的输出电流以达到调光目的，可通过公式Iout=0.1D/R计算，式中D是PWM的占空比。

图4　驱动模块原理图

3.4报警指示灯及键盘模块

系统中检测报警指示模块的工作模式是通过计算相邻两次光照度的幅度变化，并与PWM输出变化对比，由此判断LED补光灯组是否正常工作。系统非正常工作情况下，结果会出现异常，单片机输出报警电信号，启动蜂鸣器响及预警灯亮，实现预警功能。用户交互模块主要包括显示屏和键盘，显示屏显示传感器测得的系统数据，实现系统数据显示。在进行系统预设值设置时，可在矩阵键盘上进行操作。

3.5系统软件

由于农作物在不同生长阶段，光合作用的有效温度是不同的，用户可自行设置补光温度范围，系统以恒定的时间间隔进行温度采集，软件流程图5所示。系统进行初始化后，首先进行温度采集，若植物生长环境中的温度超出上述补光温度范围，则不可进行补光操作；在光补偿点和饱和点之间选择合适的值作为红蓝光目标光照度预设值范围，系统工作过程中判断采集到的光照数据是否在预设值范围内，若超出范围则关闭补光灯组。如果植物生长环境中温度适宜，则由光照传感器分别检测红蓝光光照度，通过滤光片进行滤光，可得到红蓝光照度，判断该照度值是否在预设值范围内，如果检测到的光照度大于预设光照度，则关闭补光灯，停止补光；反之则通过公式分别计算出植物实际所需红蓝光补光量，实际补光量=预设值-实际检测值，继而根据红蓝光所需补光量，分别调节PWM信号占空比控制通过LED的电流，实现红蓝光按需精确补光。再次检测红蓝光强，通过对比判定LED灯组是否正常工作，若未正常工作，则启动蜂鸣器。

图5　软件流程图

4　实　验

为了测试系统性能，选择红光LED(660 nm)9个，蓝光LED(450 nm)6个作为LED补光灯模块，进行光谱与光功率的测试，测试结果如图6所示，系统在不同的光环境中可进行PWM调光，在光线较暗时(此时PWM占空比为20%)，系统进行补光，补光完成后，系统中PWM调光占空比达到60%。当补光灯处于相对较明亮的环境中时，系统调整补光强度，此时测得占空比为5%。实验结果说明，此系统可实现基本功能，但是系统仍需进行改进，提升补光效率。

图6　不同环境中补光灯光谱测试图

5　结　论

通过分析植物生长的光合作用过程与影响植物生长的环境因子，针对植物生长的不同阶段所需温度和光强不同，选择植物生长所必需的光质，研发了一种基于STC12C5A60S2单片机的植物补光系统，通过实时监测影响植物生长的环境因子光强，通过占空比可调的PWM调光，控制LED，从而控制通过LED的工作电流，实现按需精确补光，避免了补光过度和补光不足的问题。该系统可用于植物工厂温室的植物栽培，针对性强、补光效率高。通过实验证明，该系统性能稳定,可满足植物在不同阶段对补光的需求,具有可推广性。

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A supplementary lighting system for plant growth with lighting-emitting diode based on MCU

ZHAOJierong1,LIYongtao1,LIYouran1,CAIDongning2,CAOFan1,ZOUNianyu1,WANGJinpeng1

( 1.School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；2.Jiangsu Swire Coca-Cola Beverage Limited Company, Nanjing 210007, China )

AlightingsystemwithLEDprovidingdifferentlightqualitywasdesignedtoachievequantitativesupplementarylightingatdifferentstagesofplantgrowth.Thesystemcouldmonitorilluminationoflightqualitywithspecificwavelengthinreal-time,ambienttemperature,theamountoflightthatplantinneed,andcontrolthebrightnessofred,blueLEDlightsbypulsewidthmodulation(PWM)signal.Thesystemcouldbeusedforvariousplantsatdiversegrowthstagesunderdisparateenvironmentswithdifferentdemandinlightquantityandqualitywithaccurate,intelligent,low-powerfeatures.Thesystemcouldpreventplantsfromlightdeficiencyorexcessandimproveenergyefficiency.

plant lighting; LED; single chip; PWM dimming; selective supplementary lighting

2016-06-20.

国家自然科学基金资助项目(6167010052，61402069，61272369)；辽宁省自然科学基金资助项目(2016020027)；大连市科技计划项目(2014A11GX050，2014A11GX052).

赵杰荣(1991-),女，硕士研究生；通信作者：王金鹏(1979-)，男，副教授.

X956

A

1674-1404(2016)05-0373-05

赵杰荣,李永涛,李悠然,蔡东宁,曹帆,邹念育,王金鹏.基于单片机的LED植物补光系统[J].大连工业大学学报,2016,35(5):373-377.

ZHAO Jierong, LI Yongtao, LI Youran, CAI Dongning, CAO Fan, ZOU Nianyu, WANG Jinpeng. A supplementary lighting system for plant growth with lighting-emitting diode based on MCU[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(5): 373-377.