略談補光系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

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1系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件以STC12C5A60S2單片機為處理核心，采用標(biāo)準(zhǔn)接口電路5V電源供電;時鐘模塊的主體芯片DS1302可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能;液晶顯示模塊采用OCM12864－3128×64點陣型液晶，可顯示各種字符及圖形;按鍵則用4×4排列原理，直接購買了按鍵貼膜，通過8根排線直接與主板連接。單片機基本外圍電路中晶振頻率為12MHz，兩路紅綠指示燈方便程序的調(diào)試。系統(tǒng)通過紅藍光濾光片和ISL29010光傳感器監(jiān)測環(huán)境中紅藍光光照強度。

1．1控制模塊

控制模塊以51單片機為處理核心，外圍連接鍵盤、LCD和傳感器等外設(shè)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口電路5V電源供電，其中:P0口連接液晶屏的8路數(shù)據(jù)口;P2口連接4*4矩陣鍵盤;P3．0和P3．1用于單片機與串口連接的數(shù)據(jù)讀寫線，完成程序的下載;P3．2～P3．7為液晶控制端;P4．2和P4．3為單片機PWM控制端輸出口。采用內(nèi)部分頻技術(shù)實現(xiàn)對PWM信號頻率的控制，將輸出頻率降至300Hz，實現(xiàn)植物補光的溫室精確控制。

1．2檢測模塊

檢測模塊利用紅藍光濾光片和ISL29010光照傳感器實時檢測設(shè)施內(nèi)部紅藍光光照強度，并將采集數(shù)據(jù)提供給單片機進行處理。濾光片采用高通濾光片和低通濾光片兩種，分別將自然光中600～700nm和400～500nm的紅藍光提取出來，通過ISL29010光照傳感器檢測出紅藍光強，上傳給單片機進行相應(yīng)處理，從而實現(xiàn)環(huán)境中紅藍光強檢測。

1．3補光模塊

補光模塊包括LED補光燈陣列和驅(qū)動電路，LED補光燈陣列由波600～700nm的窄帶紅光和波長400～500nm的窄帶藍光組成。驅(qū)動電路采用PT4107為核心控制芯片，利用繼電器來控制外接市電電源為核心控制芯片供電，當(dāng)滿足外部調(diào)光條件繼電器導(dǎo)通時，其接收單片機發(fā)送PWM控制信號實現(xiàn)對調(diào)節(jié)燈組亮度的調(diào)節(jié)。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化和多控制模式的設(shè)計思路，以IAR為軟件開發(fā)平臺，采用C語言完成系統(tǒng)軟件開發(fā)，分別設(shè)計了數(shù)據(jù)采集程序、專家指導(dǎo)程序、定量控制程序、按鍵程序、顯示程序和計時程序，實現(xiàn)各模塊對應(yīng)功能及數(shù)據(jù)傳輸。其專家指導(dǎo)程序以櫻桃生長各生境參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)定，設(shè)計了基于專家規(guī)則的溫室光環(huán)境調(diào)控方法，實現(xiàn)了手動和自動兩種階段轉(zhuǎn)換方式，可根據(jù)當(dāng)前階段信息自行計算紅藍光PWM值和需補光量，完成不同階段的按需智能補光。以番茄為例，其每個階段的生長累積時間和適宜光強各不相同。如在番茄的初花期、盛花期和末花期3個階段，其階段累積時間和適宜光強系統(tǒng)可以根據(jù)番茄這一階段特性進行專家規(guī)則的修定，對番茄在不同階段進行生長時間的模擬累積和光強檢測，通過專家規(guī)則實現(xiàn)階段參數(shù)的智能調(diào)控和不同階段的按需定量補光。系統(tǒng)針對當(dāng)前生長階段信息，基于專家系統(tǒng)，根據(jù)不同階段需光量的差異性，設(shè)定該階段需補光量和當(dāng)前累積補光時間，通過對外界光強的監(jiān)測，采用PWM技術(shù)控制LED補光燈陣列工作電流，同時統(tǒng)計該階段尚需工作時間，實現(xiàn)對植物的分階段按需定量補光。由于同類植物生長的微弱差異，系統(tǒng)提供手動參數(shù)修改與階段強制調(diào)整功能，從而提高了系統(tǒng)的通用性。

3系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)以櫻桃為目標(biāo)作物，分為休眠期、萌芽期、開花期、幼果期、落果期和收獲期，每個時期所需時間和補光量各不相同。基于各階段生長時間和補光量信息的專家規(guī)則，完成相應(yīng)階段時間累積后跳入下個階段，自動調(diào)用下階段相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)定量補光。為了驗證設(shè)備的性能，于西北農(nóng)林科技大學(xué)櫻桃實驗基地對系統(tǒng)進行了調(diào)試驗證。系統(tǒng)運行到開花期時的實時信息，包括開花期的需補光量和距離下階段的時間。當(dāng)手動強制進入下階段(即進入幼果期)后，由于前后兩階段需光量的不同，對應(yīng)的PWM值也會不同，系統(tǒng)所輸出PWM占空比也會隨之變化。開花期和幼果期兩階段的PWM值輸出占空比信號。以上說明系統(tǒng)可完成各項功能要求，證明了系統(tǒng)的可實現(xiàn)性和正確性。

4結(jié)論

1)系統(tǒng)研究實現(xiàn)了基于專家規(guī)則的動態(tài)智能補光系統(tǒng)，其結(jié)合時下熱門的專家系統(tǒng)，對植物各生境參數(shù)進行設(shè)定，通過系統(tǒng)監(jiān)測到的實時光照信息，完成不同階段植物需光量計算，實現(xiàn)了對植物的分階段按需精確補光。

2)與其他補光系統(tǒng)相比，運用DS1302時鐘芯片對植物生長累積時間進行模擬，采用專家系統(tǒng)對櫻桃生長各生境參數(shù)進行設(shè)定，根據(jù)植物生長特性自動進行階段轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了分階段按需定量補光。

3)經(jīng)驗證表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可以滿足在不同階段對不同植物進行按需精確補光的要求，促進了植物的生長，極大地提高了溫室作物的產(chǎn)量和效益，帶動了相關(guān)農(nóng)業(yè)又好又快發(fā)展。

作者：劉翔 胡瑾 樊宏攀 喬俊楓 單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)