智能型LED植物生长灯控制系统设计

摘 要：本文设计了一套基于Zigbee无线网络通信技术的LED植物照明技术。利用波长为620-660nm的红色LED灯珠及波长为450-480nm的蓝色LED灯珠，设计出适合不同植物光需求的模块阵列;采用PWM控制方式来调节红光或蓝光LED的平均工作电流，从而改变灯具的光谱特性，设计出适合植物处于不同生长阶段的补光灯;采用温度、湿度、照度和CO2浓度采集技术、设计出集成化网络控制系统，实现统一控制。通过Zigbee网络将所有植物生长灯加入网络，实现统一控制。控制器可以预存补光模式，根据植物的生长阶段，自动切换补光模式。

关键词：LED;Zigbee网络;PWM;电量采集;远程监控

中图分类号：TN913  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）01-0057-06

1 引言

LED具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等优点，与目前普遍使用的高压钠灯和荧光灯相比，不仅光量、光质（红/蓝光比等）可调，而且还是低发热量冷光源，可近距离照射，从而使植物的栽培层数、空间利用率大大提高。随着LED性能的不断提高、价格的逐渐下降以及各类特定波长产品的开发，LED在农业领域的应用范围将会更加广阔。LED作为植物的生长光源，近年来得到世界各国的高度重视。随着LED植物生长灯渗透率的提升，LED在中国农业市场的应用也越来越广。目前，市场上大多数LED植物生长灯是按固定的红蓝光灯珠比例组合制成的管状、圆盘状等简单产品为主，虽然可以根据客户的需求进行灯珠不同比例的配比和功率定制，但是定制完成就不能再修改。另外现有的这些LED植物生长灯在设计上无法满足不同植物种类在不同生长阶段、不同组织部位和培育阶段、不同培育目的的要求，在控制技术上不能根据不同季节、不同时间段、不同光照环境等外界因素对植物进行智能控光。造成植物在适合的生长时间段得不到充足的光照，周期性控制差。本文研发的智能型LED植物生长灯能够根据植物生长的不同阶段，动态改变LED灯具的光谱特性，实现红蓝光任意比例、任意强度的全数字调光;能够充分考虑外界光照条件、环境温度等因素，根据植物在不同阶段不同环境下的实际需光量，通过阈值设置的方式满足植物不同生长阶段需光量的要求;能够实现对大规模的植物补光灯的集中、智能化网络控制功能。不仅能够提高植物的光合作用效率、提高作物的产量、缩短生长周期，还可以提高系统的光能利用效率、节约电能，实现智能化控制。

2 设计方案

LED植物生长灯控制系统整体设计框图如图1所示。整个系统由LED植物补光灯控制盒和LED植物补光灯组成。该系统以控制盒为核心，通过Zigbee无线网络将所有植物生长灯加入网络，实现统一控制;控制盒还具有预存补光模式的自动控制功能，根据植物的不同生长阶段，自动切换补光模式，以获得丰富的智能控制功能[1]。电源模块采用直流稳压电源。LED植物补光灯是由智能驱动器与LED植物补光灯头组装在一起构成的。智能驱动器实现驱动控制、接收LED植物补光灯控制盒发来的设置参数，执行相应的数据指令。

3 硬件设计

3.1 LED植物补光灯控制盒设计

LED植物补光灯控制盒的功能结构图如图2所示，它主要实现参数的设置、发送、接收并对补光参数进行显示等相关操作。LED植物生长灯控制盒包括FPGA主控制芯片、LCD显示面板、按键阵列或触摸板电路、RAM存储器。LCD显示面板、按键阵列或触摸板电路、RAM存储器接口分别通过数据线与FPGA主控制芯片连接。该LED控制盒是以XILINX的FPGA芯片XC3S500E为主控制芯片，负责控制和协调各部分实现补光参数的预设，以及实现对灯具内部参数的访问;LCD显示面板为用户提供交互信息显示;根据不同植物，同种植物不同生长阶段的补光需求，可以通过按键阵列或触摸屏方式输入控制参数;外围扩展FLASH用于存储多种补光模式，RAM主要用于开发过程中对中间数据进行处理，RAM存储器根据实际需求选择SRAM或SDRAM，通信接口用于传输通信协议，I/O扩展接口用于对控制盒的遥控、探测环境温度或湿度。

LED控制盒根据不同的设计容量，可以接入若干LED植物生长灯，如接入256个LED植物生长灯。每一个植物灯可以根据所在的排序确定唯一的通讯地址，这样LED植物灯控制盒可以通过ZIGBEE控制网络访问每个植物灯内部的工作参数，并通过显示装置显示出相应的参数信息。同时根据不同植物的补光要求，对访问的植物补光灯具进行温度、亮度等参数的预设，将预设的信息存入存储器并通过ZIGBEE控制网络发送到被访问的LED补光灯具。补光灯具接收到控制盒发来的设置参数，进行处理、判断、执行数据等操作指令，最终产生红蓝不同占空比的PWM信号，实现对不同R/B的输出，满足不同植物的补光需求。

3.1.1 LED控制盒电源的设计

控制盒电路中LCD、RAM存储器、SPI等单元电路需要+1.2V、+2.5V、+3.3V的电压，由电源电路提供。电源电路主要包括三个低压差电压调节器LD1117-12、LD1117-25、LD1117-33和两个外部电阻，通过调节電阻的阻值，得到+1.2V、+2.5V和+3.3V三种电源电压，其原理电路如图3所示[2]。低压差电压调节器还具有限流和热保护的作用，电路输出电压的精度小于±1%。为了改善电源的瞬态响应和提高稳定性，需要在输出端接至少10μF的钽电容。

3.1.2 SPI FLASH的配置电路设计

本文使用的FPGA每次上电都需要配置芯片SPI对其进行加载，SPI接口属于一种四线同步串行协议。二者的连接遵循FPGA配置接口命名原则，MISO、SCLK、SS依次命名为DIN、CCLK、CSO_B。当使用SPI FLASH配置模式时，FPGA的管脚M2M1M0的值设置为“001”。这里选用STMicroelectronics公司的SPI FLASH存储器M25P16[3]（其容量为16M bits）对FPGA芯片进行配置。由于XC3S500E的配置文件大小一般情况下小于2M bits，因此所选的存储器M25P16能够满足要求。SPI FLASH的配置设计电路如图4所示。SPI FLASH存储器M25P16可以为FPGA芯片提供多种LED照明模式的功能数据信息。使用擦除指令可以对整个SPI FLASH一次性擦除，也可以擦除其中一段[4]。

3.1.3 RAM存储器的设计

RAM存储器采用DDR SDRAM（双倍速率同步动态存储器），DDR SDRAM是一种双倍速率同步动态存储器，是继SDRAM之后产生的，它的传输速率和内存带宽比SDRAM高一倍。本文采用MICRON公司生产的DDR SDRAM存储芯片MT46V16M16，主要在嵌入式系统中处理中间数据。通上电源VDD和VDDQ（同步），等时钟稳定后，SDRAM需要延时100μs的时间，才能发起除了COMMAND INHIBIT和NOP之外的其他操作命令。在这100μs时间内控制器依次发出NOP命令和PERCHARGE命令（所有页被预充电），一旦处于空闲状态，进行两个自动刷新命令，在此之后进行模式加载[5]。SDRAM的具体操作模式，如突发长度、突发类型、突发写模式、CAS延迟等通过模式寄存器定义，而模式寄存器用LMR（LOAD MODE REGISTER）命令进行设置。SDRAM存储电路图[6]如图5示。

3.1.4 LCD液晶显示电路

LCD液晶显示器用于显示LED补光照明模式，本文选择Sitronix公司提供的ST7066U点阵LCD控制驱动器[7]。该液晶显示器可以显示多种文字信息，也可以根据自己的定义显示所需字符。LCD液晶显示电路如图6所示。

3.1.5 Zigbee模块设计

本文通过Zigbee无线传感器网络模块[8]将所有植物生长灯加入网络，实现统一控制。Zigbee的突出特点是应用简单、电池寿命长、有组网能力、可靠性高以及成本低[9]。该系统中的Zigbee网络[10]由四个带有STM32F030芯片的Zigbee底板开发板组成，其中三个作为终端，一个作为协调器。其中的STM32F030芯片用来接收各传感器采集的信息和数据，再通过串口1将信息发送到Zigbee终端。STM32F03底板原理图如图7所示。设计中用到3个STM32F030底板，每个传感器连接一个底板，底板上用于连接传感器的引脚是10引脚和21、22引脚，10引脚用来连接温度传感器DS18B20的DQ引脚，21引脚连接光照传感器BH1750和湿度传感器SHT10的SCL，22引脚连接这两个传感器的SDA;用于连接Zigbee终端J8的引脚是32、33、38-41引脚，连接J9的引脚是16、42、43、45、46引脚。

3.1.6 温度传感器

温度传感器主要负责对植物生长周围的温度信息进行检测，并将其转换为相应的数字信号，传递给控制盒进行处理。温度传感器采用数字化单总线器件传感器DS18B20，从DS18B20读出来数据或者是写进去数据只需要一根单线接口就可以完成。它的测量范围为-55～+125℃，测量的温度直接通过一根线方式串行传输，从而很大地提高了系统的抗干扰能力。本设计中，只采用了一个温度传感器，将温度上限设为40℃，下限设置为0℃，如果超过温度阈值，传感器会自动发生警报。如图8为DS18B20接线图，2引脚为DQ总线，连接STM32F0的10引脚，即GPIO分组的PA0，通过DQ总线实现数据传输。

3.1.7 光照强度传感器

光照强度传感器采用两线式串行总线接口的数字型光强度传感器BH1750FVI模块，它不仅支持IIC总线接口，而且不需要连接别的额外的器件，STM32F030芯片上有其相应的外设和驱动电路，通过配置相应的寄存器，就可以完成IIC的通信。本设计中采用一个光照传感器，将光强上限设置为500Lux，下限设置为0Lux，如果超过光强阈值，传感器会自动发生警报。如图9为光照传感器的电路图，BH1750的1引脚连接电源，3引脚接地，BH1750的4和6引脚连接STM32F0的21、22引脚，即GPIO分组的PB10和PB11。

3.1.8 湿度传感器

湿度传感器模块[11]采用STH10传感器，该产品响应迅速并且抗干扰能力强。本设计中采用一个湿度传感器，将湿度上限设置为70RH%，下限设置为10RH%，如果超过湿度阈值，传感器会自动发生警报。如图10为传感器的电路图，STH10的2引脚为DATA串行数据输入引脚，用于读取传感器数据，连接STM32F0的22引脚。STH10的3引脚为SCK串行时钟输入引脚，用于同步微处理器与传感器，连接STM32F0的21引脚。

3.2 LED智能驱动器设计

LED智能驱动器实现驱动控制、接收LED植物灯控制盒发来的设置参数，执行相应的数据指令。智能驱动器内部结构如图11所示，它包括单片机控制芯片、红蓝亮度传感器、红蓝基色PWM恒流源。其中红蓝基色PWM恒流源受单片机控制芯片控制，并与植物补光灯具连接。單片机控制芯片接收控制盒发送来的植物补光参数，并对其进行处理、判断、执行等相关操作，最终输出红蓝两路不同占空比的PWM信号。红蓝亮度传感器主要对植物所需的红蓝光进行检测，输出相应的数字信号，通过单片机控制芯片进行处理。红蓝基色PWM恒流源保证电能可以高效的转化为LED驱动电流，从而改变灯具的光谱特性，以达到不同的补光需求。

3.2.1 传输协议设置

LED植物补光灯控制盒对智能驱动器的数据传输协议共17位，如图12所示。各位代表的含义解释如下：T16-T9为植物补光灯具地址位，共可满足256个LED植物补光灯的需求;T8为红蓝光亮度选择信号位，当T8为1时表示选择红光亮度信号，为0时表示选择蓝光亮度信号;T7-T0为预设的亮度信号位，可以实现0～255级范围内的任意亮度调节。

智能驱动器对LED植物灯控制盒的数据传输协议共14位，如图13所示。各位代表的含义解释如下：T13-T6为植物补光灯具地址位，共可满足256个LED植物补光灯的需求;T5-T0为环境温度信号位，该信号由温度传感器转换所得。

3.2.2 单片机最小系统

能够使单片机在通电后正常工作所需要的器件最少，这样的系统称之为单片机最小系统。而单片机最小系统中主要部分是单片机、时钟电路和复位电路。单片机最小系统如图14所示。

（1）单片机：本文采用的STC89C52RC MCU是宏晶科技有限公司生产的新一代超级抗干扰、高速、高性能、低功耗MCU。STC89C52RC的工作电压为直流5V，其内部集成了8位的CPU、512B的RAM、8KB的ROM、4个并行8线I/O端口、3类6个中断源。

（2）时钟电路：单片机的第18和第19引脚间跨接一个晶体振荡器（简称晶振）来形成自激振荡器，从而产生脉冲并送入单片机内部时钟电路。这样就可以在单片机运行过程之中产生唯一的单片机时序。

（3）复位电路：复位电路的作用是使单片机从不确定的状态返回到初始状态，并且从这个初始状态开始工作。

3.2.3 LED驅动部分的设计

为了设计适合于植物处于不同生长阶段的补光需求，采用PWM控制方式来调节红光或蓝光LED的平均工作电流，从而改变灯具的光谱特性，以达到调控R/B比的目的。单片机控制芯片接收控制盒发送来的植物补光参数，并对其进行处理、判断、执行等相关操作，最终输出红蓝两路不同占空比的PWM信号控制红、蓝灯珠发光。本文中驱动芯片采用恒流驱动芯片LM3407。LM3407采用脉冲电平调制（PLM）控制方案，此方案在使用一个外部1%精度的电流设定厚膜电阻时，能确保在整个输入电压和工作温度范围内恒定电流输出精度好于10%。其驱动电路设计[12]如图15所示。

3.3 植物补光灯头设计

根据植物学上的光合作用理论，植物并非利用太阳光的全部成分来进行光合作用[13]，叶绿素a在波长640-660nm的红光区域部分有一个较强的吸收峰;叶绿素b在波长430-450nm的蓝光区域部分有一个较强的吸收峰。红光作为光合作用的能量源，能够促进植物茎的生长。蓝光可以促进气孔开放，有助于外界的二氧化碳进入细胞内，促进叶的生长[14]。光谱范围对植物生长的影响见表1。叶绿素a、b吸收光谱见图16[15]。

结合表1和图16可知，460nm的蓝光灯珠和630nm的红光灯珠发出的单色光光谱，与叶绿素吸收光谱峰值完全吻合，能够促进植物的高效生长，提高植物对光能的利用率。本文中采用波长460nm的蓝光灯珠和630nm的红光灯珠设计强度和比例可任意调节、光照均匀的模块阵列;根据不同植物的需光特性将这些模块阵列组成不同光质的LED灯板;模块化自由组合，灵活满足各种照明需求。LED作为冷光源可近距离照明植株，为保证植物栽培面上的光合成有效光量子流密度分布均匀，LED光源安装时距离植株10cm左右，其次，在冬季和早春季节以及阴雨天气，温室内的光照强度约为2000勒克斯（lx）左右，而阴性植物需要500～2500lx的光照射;中性植物则需要2500～30000lx的光照射。所以，LED组合光源下方10cm处的照明区域内照度不低于5000lx。考虑到工程上最便利使用的方式为工整阵列，且以方阵最为对称，因而设计阵列式LED组合，以行、列数各为6的方阵组成一个模块。每行每列中红光LED与蓝光LED间隔均匀排列，即每一个LED周围必是不同颜色的LED，如图17所示。

LED补光阵列采用模块化设计，以达到快速安装、更换和拓展的目的。同时配光形式属于平面排列配光。所谓的平面排列配光就是将多颗LED单元均匀布置，轴线方向的夹角为零，单元之间的最小间距由LED的物理尺寸来决定，安装在平面的基板上，形成具有一定面积的面发光光源。

4 软件设计

根据硬件需要，采用软件EDK搭建硬件平台对FPGA进行嵌入式开发。LED植物灯控制盒采用SPI配置FPGA。其中的SPI，SDRAM，RS232可以直接通过EDK开发工具向导搭建，LCD显示器和ZIGBEE协议需要用户自制IP核。

LED植物灯控制盒主要实现参数的设置、发送、接收并对补光参数进行显示等相关操作。在通电之后，控制系统通过ZIGBEE控制网络访问每个植物灯内部的工作参数，并通过LCD显示出来。同时与预设的补光参数进行比较，确定不同的补光模式，在通过ZIGBEE控制网络发送到被访问的LED补光灯具，满足不同植物的补光需求。当外部有补光模式选择时，则进入选择的补光模式子程序，选择完补光模式后，将程序通过SPI加载到FPGA。ZIGBEE模块通过协议传输各个灯具的调光信息。LCD显示器将所选择的补光模式显示出来。图18为系统的程序流程。

5 总结

本文针对LED补光灯在大棚照明中的应用，设计出多种补光方案。LED植物生长灯控制系统由植物补光灯控制盒和LED植物补光灯两部分组成。在补光灯控制盒中完成SPI FLASH、SDRAM、LCD和ZIGBEE通信模块等硬件设计，在补光灯头驱动器里完成通信模块和驱动模块的设计，通过软件开发工具EDK对补光灯控制盒的控制器件FPGA进行嵌入式开发，完成SPI的读写，LCD的显示，以及ZIGBEE协议，最终应用ZIGBEE协议实现了对LED补光灯头的网络控制。

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