設施農業LED智慧系統論文
1系統整體設計
本系統採用模組化設計，分為電源模組、檢測模組、控制模組、補光模組、使用者互動模組，總體結構如圖1所示。其中，電源模組採用太陽能供電，分別提供5V，12V兩種供電電壓，為整個系統供電;智慧控制模組應用STC系列微控制器為核心，根據系統採集到的資料、設定閾值，實現對應PWM控制訊號的佔空比計算和兩路PWM控制訊號輸出;檢測模組分波段檢測紅、藍光強和實時溫度，並將檢測訊號進行濾波、放大後傳入微控制器，實現相關環境資訊的檢測;補光模組採用兩路帶有PWM電流控制功能的恆流驅動電路，分別控制紅、藍光LED補光陣列燈的亮度，從而實現定量精確補光;使用者互動模組採用液晶屏完成檢測結果顯示，鍵盤實現按需閾值修改等功能，完成閾值修改與設定，有效提高系統使用的方便性、擴充套件性。
2硬體設計
2．1電源模組
本系統電源模組由太陽能電池板、蓄電池和控制電路組成，整個系統利用太陽能電池供電，原理圖如圖2所示。其中，控制電路的輸入端與太陽能電池連線，輸入電壓透過LM317及其外圍標準電路對12V蓄電池充電，蓄電池為整個系統供電。蓄電池輸出端利用MIC29302穩壓變壓模組輸出12V穩壓電源訊號，並調整匹配電阻產生5V穩壓電源訊號，從而提供本系統需要12V和5V兩個供電電源。其中，微控制器、檢測模組以及使用者互動模組均使用5V電源供電，LED補光模組採用12V電源供電。
2．2控制模組
控制模組選用STC12C5A60S2微控制器作為核心處理器，採用5V電源供電，具有8路10位A/D介面、2路PWM輸出口、Flash儲存空間56K、靜態存取記憶體1280B、可程式設計只讀儲存器1K，完成節點任務排程、資料採集、智慧管理、控制訊號輸出、閾值的調整、資料轉儲等工作，電路如圖3所示。其中，P0口連線液晶屏的8路資料口;P1口負責與取樣訊號連線，P1．0接入溫度檢測訊號、P1．1接入紅光檢測訊號、P1．2接入藍光檢測訊號，從而完成對感測器監測資料的採集;P2口連線4×4矩陣鍵盤，P3．0，P3．1用於微控制器與串列埠連線的資料讀寫線，完成程式的下載;P3．2～P3．7位液晶控制端;P4．2，P4．3為微控制器PWM控制端輸出口，其根據微控制器計算出與兩波段所需補光量對應的PWM訊號佔空比，輸出PWM訊號對LED燈組的亮度進行控制。
2．3檢測模組
檢測模組利用光照感測器、溫度感測器實時檢測設施內部光照強度和溫度，並將採集資料提供給微控制器進行處理，原理圖如圖4所示。其中，溫度檢測模組由溫度感測器18B20及其標準調理電路組成，資料線接入微控制器P1．0口，實現對溫度的採集。光照檢測包括紅光光強檢測和藍光光強檢測，採用波長範圍在400～500nm的藍光2BU6矽光電池和波長範圍600～700nm的紅光2BU6矽光電池作為檢測元件。採用4路運算放大器LM324設計運算放大器將矽光電池的微弱模擬訊號分別進行轉換和放大，最終將模擬訊號接入微控制器P1．1，P1．2埠進行A/D轉換，從而實現分波段光強檢測。
2．4補光模組
補光模組包括LED燈組及其驅動電路，驅動電路採用PT4115驅動模組電路，紅光和藍光兩個模組獨立工作，原理圖如圖5所示。其中，LED燈組採用額定功率1W、中心波長為660nm的窄帶紅光LED陣列和中心波長為450nm的窄帶藍光LED陣列。由微控制器輸出的兩路PWM訊號分別與紅藍光兩路PT4115的DIM控制端相連，其中紅光碟機動晶片與P4．2產生的PWM訊號接通，藍光則與P4．3產生的PWM訊號接通。利用PWM的訊號控制驅動晶片PT4115的輸出電流，由此實現LED燈組的定量補光。
2．5使用者互動模組
使用者互動模組主要包括液晶顯示屏和鍵盤兩部分，其中顯示屏採用OCM12864－3液晶屏，可實現系統資料的查詢顯示;而鍵盤採用4×4矩陣鍵盤，實現對系統相關資料的設定及改變。
3軟體設計
該系統軟體主要包括感測器解析函式、資料管理與引數設定程式、PWM訊號控制程式和顯示程式，實現3類引數設定、環境因子採集以及對受控燈組的自動控制功能，軟體流程如圖6所示。系統工作時，首先需要對溫度，紅藍光強閾值進行設定，溫度感測器週期對設施內溫度監測，判斷溫度是否超出不利於光合作用的閾值範圍，超出則關斷LED補光燈組。當溫度在所設閾值範圍內，再分別對紅、藍光進行光強檢測，實際光強在閾值之內時，系統進入自動定量補光狀態，根據所設閾值與實際值之差計算實際需光量，進而再根據與實際需光量對應的兩路PWM控制訊號的佔空比，分別產生對應的PWM訊號，達到控制LED燈的亮度對植物實施精確補光的目的。
4執行結果分析
該系統充分考慮了植物補光時的各種影響因素，透過對各因素的'監測、設定、資料管理和決策程式，精確計算植物所需光照與實際光照總體差值，採用均值方式計算每個LED的輸出光強;基於LED驅動電流和輸出光強的關係式，系統就可以透過對PWM輸出電流的控制，從而實現對補光量的控制。該系統已於2010年在西北農林科技大學甜瓜基地投入試用，實現了設計方案中各類部分功能，可長期有效實現定量精確補光，圖7為裝置原型介面。
5結論
本文研發了一種基於STC12C5A60S2微控制器的植物智慧精確補光系統。該系統利用太陽能供電，根據溫度、光照感測器監測結果，透過核心處理器STC12C5A60S2利用PWM訊號，控制特定波長的紅、藍光兩路LED燈組驅動電流，從而控制光源亮度，解決現有補光裝置的不足，實現了對農作物的智慧化、精確化補光。系統試驗證明其具有良好的穩定性，可滿足在不同生長階段對不同植物進行智慧化、精確化的補光要求，作物產品產量、品質提高，耗能明顯降低。同時，具有誤差低、響應速度快、使用方便、部署靈活、成本低廉、維護簡單等特點。