基于云平臺的PWM智能LED補光方法研究

田會娟，柳建新，洪 振，劉 歡，張 輝，郝甜甜

(1.天津工業大學電氣工程與自動化學院 天津市電工電能新技術重點實驗室，天津 300387; 2.大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心，天津 300387;3.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387)

基于云平臺的PWM智能LED補光方法研究

田會娟1,2，柳建新2,3，洪 振2,3，劉 歡2,3，張 輝1,2，郝甜甜2,3

(1.天津工業大學電氣工程與自動化學院 天津市電工電能新技術重點實驗室，天津 300387; 2.大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心，天津 300387;3.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387)

基于不同植物對環境光質、光強、光周期多種需求，本文提出了一種云平臺遠程監控和近距離無線動態LED調光方法。實現手機客戶端設置環境紅、藍光照度閾值，利用脈沖寬度調制法(PWM)，采用兩塊無線NRF24L01模塊，經動態循環調節，使得環境的光照強度與設定閾值趨于一致，且紅、藍調光偏差分別在5 lx和1 lx以內，并同時實現對設施環境內溫濕度實時監控。該方法具有植物補光位置與LED光源距離可調、調光精確高、操作簡單、節省人力等優點，具有廣泛的發展前景。

LED；云平臺；NRF24L01；PWM；智能控制

引言

光照條件對溫室植物的生長速度、產量和品質都有很重要的影響，由于冬春季節陰雨雪天氣時有發生，溫室內部會出現光照不足和光質組成不平衡的現象，造成大幅減產和品質降低，因此，利用人工光源進行植物生長的補光研究逐漸受到重視[1-2]。用于植物生長的人工光源包括白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等[3]，但這些傳統人工光源普遍存在著光譜不匹配、功率大、發光效率低、發熱量大等缺點，直接限制了行業的發展。LED作為一種新型溫室照明光源具有壽命長、體積小、能耗低等優點[4-6]，最重要的是可發出單色波長光，作為溫室光源可根據植物不同階段對光譜的需求，實現特定光強和光質要求的補光。

研究表明[7]，在可見光譜中，植物葉片吸收利用的光能約占生理輻射的60%～65%，其中主要為波長610～720 nm的紅橙光和400～510 nm的藍紫光，分別占光源生理輻射量的55%左右和8%～10%；當作物處在光補償點以下時，總光合作用產物將減少，不利于有機物的積累，且不同的室內植物對光周期的要求也不同。因此，對溫室植物進行補光時，需要同時考慮植物生長環境光質、光強、光周期等因數[8]。然而，目前多數LED智能補光方法是光檢測傳感器與補光燈共用控制器，其一般適應于光源與被照作物距離固定的情況[9-10]，當兩者距離不是設定值時(一般有變化)，植物所需要的光環境就很難保證，且調節精度不高。

針對上述問題，本文提出來一種基于云平臺的智能LED補光方法，該方法采用云平臺控制技術，當手機通過WIFI或4G等連接到設備時，則管理員隨時通過客戶端設置溫室植物所需紅、藍光照閾值，同時實現對溫室環境溫濕度、紅藍光照強度的實時監控。

1 系統整體設計

系統采用模塊化設計分為環境參數檢測端和LED調光端，系統原理圖如圖1所示。其中圖1(a)為環境參數檢測端，其主要功能實現通過WIFI模塊建立與云服務器的聯系，將手機客戶端發送的指令傳入控制中心，微控制器接收到該信號后，會根據具體的信息類型進行相應的操作，例如，光源的開關、灌溉及通風的管控；將采集到各傳感器參數以及設備狀態上傳至云服務器，以便客戶端能實時更新數據；微控制器通過光照檢測模塊采集環境紅、藍光照強度，與客戶端設定的照度閾值比較，得出需要的調光標示符后，通過NRF24L01模塊將其發送出去。

圖1(b)為LED調光端，其通過NRF24L01模塊實時監測和接收環境參數采集端發送來的信號，當收到有效信號后，會根據根據具體調光標示符，分別調整輸出兩路PWM信號占空比(每次改變0.2%)，最終通過控制驅動模塊輸出電壓，實現紅、藍LED光照模組的發光強度的變化。

圖1 系統原理圖Fig.1 System diagram

2 硬件設計

2.1 控制模塊

微控制器采用STM32F103RCT6，其具有2個基本定時器、5個串口、1個SDIO接口及51個通用I/O口等。STM32F103RCT6作為微控制器，在環境參數檢測端，通過WIFI模塊建立與云服務器的聯系，當收到來自客戶端的指令時，實現對灌溉、通風系統的控制，以及對環境所需要的光照閾值進行賦值；微控制器通過傳感器獲得環境參數變量，并將采集數據及設備狀態上報云服務器；微控制器通過光照檢測模塊采集環境光照強，并與設定的閾值比較，得出需要調節的信息后，會將調節LED亮度的標示符通過NRF24L01模塊發送出去。在LED調光控制端，控制模塊實時監測并接收發送來的信號，當收到有效調光標示符后，調整輸出兩路PWM信號占空比，控制紅藍LED的發光強度。

2.2 WIFI模塊

本系統所使用的WIFI模塊是ATK-ESP8266，為ALIENTEK推出的一款高性能的UART-WIFI(串口-無線WIFI)模塊，其采用串口與MCU通信，模塊內置TCP/IP協議棧，支持串口轉WIFI STA、串口轉AP和WIFI STA+WIFI AP三種模式，本文使用的是STA模式連入局域網絡。連接微控制器的的WIFI模塊，主要用來建立云服務器與環境參數檢測端的聯系，并通過串口與微控制器進行數據交換，將手機客戶端發送的控制指令送至微處理器，并上報設備狀態和傳感器采集的參數。

2.3 NRF24L01模塊

無線NRF24L01通信模塊，采用FSK調制方式，內部集成NORDIC的Enhanced Short Burst 協議，可以實現點對點或是1對6的無線通信。在環境參數檢測端，該模塊主要接收來自微控制器調光標示符并將其發送出去。在LED調光端則收到數據后，及時傳遞給微控制器進行相應處理。

2.4 檢測模塊

光照強度的檢測使用GY-30 數字光模塊，其為BH1750FVI的簡單擴展電路，通過I2C通信協議與微控制器進行數據交換。在本實驗中要通過其檢測環境中波長為400～510 nm藍紫光和610～720 nm紅橙的光照度值，因此，需要對檢測模塊進行一定的處理，具體方法為使用透光波段分別為600～700 nm、400～500 nm的濾光片進行光照傳感器的處理，原理如圖2所示，然后，并將檢測結果送入單片機微控制器。

圖2 光照檢測模塊原理圖Fig.2 The principle diagram of the light detection module

DHT11是一款濕溫度一體化的數字傳感器。DHT11與處理器之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個I/O口。其主要功能是將檢測到的環境溫度及濕度，通過一根數據線送入微控制器。

2.5 LED驅動模塊

光源驅動模塊使用同時兼容電位器模擬調光和外接PWM信號調光功能的PT4115芯片，該芯片具有極少的外部元件，擴展電路如圖3所示。該驅動模塊具有很寬的電壓輸入范圍：從6 V到30 V，最大輸出電流為1.2 A，輸出電流精度±2%，且高達97 %的效率。PWM調光工作頻率建議為300～20 kHz，輸入電壓3～5 V，模塊通過復用DIM和地線與控制模塊建立聯系，實現微控制器輸入不同PWM占空比時，驅動模塊輸出電壓值隨之改變，進而控制LED發光強度。

圖3 LED驅動模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of LED driver module

2.6 繼電器模塊

繼電器模塊主要為通過微控制器輸出的高低電平，實現外接電路的通斷。在本系統中，主要用于控制灌溉用的水泵及通風用的風機等。

3 程序設計

3.1 環境參數檢測端程序設計

系統采用模塊化設計思想，使用Keil uVision5為軟件開發平臺，利用C語言完成程序的開發。該系統程序包括兩大獨立部分：環境參數檢測端程序和LED調光端程序，環境參數檢測端程序流程圖如圖4(a)所示，具體操作流程如下：首先，系統進行初始化，主要進行系統內部配置、外設硬件引腳設置等，之后，在手機客戶端軟件輔助之下，將硬件設備連入云服務器。然后，系統進入外循環程序段，微處理器通過串口接收WIFI傳來的指令，并對需要操作的對象，進行相應的調整。而后，采集環境參數變量，如溫室內溫濕度、紅藍光光照強度值，并將參數賦予相應結構變量中，以便系統能上報最新的環境參數。再后，通過分別比較紅、藍光照強度采集值與設定閾值的大小關系，得出需要調光的標示符(當數據大于(小于)設定值時，會反饋出一個負(正)號；在設定范圍內時，返回零值)，將調節信號通過無線發射出去。最后，將傳感器參數和設備狀態上傳至云服務器。

3.2 LED調光端程序設計

在LED調光端，主要實現調光信號的接收及補光。首先，系統進行初始化，當NRF24L01接收到數據后，會先判斷收到的是有效調光標示符，若收到“+”、“-”，則分別增加或減少相應一定比例的PWM占空比，且PWM信號占空比為零時，收到負信號；相反為百分百是，收到正信號時，系統不做任何調光處理，軟件流程如圖4(b)所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow diagram

4 實驗測試與結果分析

4.1 光源參數及光譜圖

本文選用81顆0.2 W貼片型RRGB燈珠組成的光源模組進行實驗研究，測試設備采用遠方光電的HAAS-1200精密快速光譜分析系統進行相關數據的測量，測得光源模組數據如表1所示。

表1 紅、藍LED光源參數Table 1 Optical source parameters of red and blue LED

紅、藍光LED光譜如圖5所示。從紅、藍光譜圖可以看出，其主要部分都落在400～510 nm、610～720 nm波段，適合本實驗的要求。

4.2 驅動性能測試

本文所所使用的調光方法為脈寬調制法(PWM)，即通過微控制器輸出不同占空比的方波信號，改變輸出LED驅動模塊輸出電壓，實現紅、藍LED亮度的調節，且調光的均勻性對補光的效果影響很大，通過測試不同占空比條件下，紅、藍LED光照模組發出的光通量，繪制出PWM占空比與光通量的關系圖，如圖6所示。

圖5 光源光譜圖Fig.5 Spectrum chart

圖6 驅動性能測試Fig.6 Driver performance test

從圖6中可以看出，紅、藍光LED光通量隨輸入PWM占空比的變化，呈漸進變化的過程，滿足通過微調占空比，改變一定量的環境照度。

4.3 系統性能測試

為對系統進行性能的測試，選擇實驗室模擬溫室環境，使用由天津工業大學半導體研發中心和天津工大海宇半導體照明有限公司合作開發的植物生長箱系統，設定光源與植物補光處間距為30 cm。用手機客戶端打開光源按鈕，并設置環境紅藍光照強度分別為599 lx、100 lx，將系統搭設完畢，然后對系統的主要性能進行測試。實驗測試時間為8:00—19:00，每整點對環境各參數進行數據采集，得到表2數據。

從表2中可以得出，系統補光功能具有較高的精確性，環境紅、藍光照強度與設定閾值偏差控制5 lx、1 lx以內；當環境光照強度高(低)時，光源功耗就減小(增大)，其功率的波動性，使得其在滿足植物所需的光環境時，起到節約能源的作用；實驗室環境因受外界影響較小，溫度及濕度變化不大。

表2 系統性能測試Table 2 System performance test

4.4 補光效果圖

手機客戶端操作界面如圖7所示，其實現光源開關、通風、灌溉以及光照強度的設置，且環境紅、藍光照最大值設定為1 000 lx、300 lx，同時，在界面上顯示設施環境紅、藍光照強度及溫濕度。用本方法進行小白菜的種植實驗，得到如圖8效果圖，其中圖(a)、(b)是在環境光照強分別為599 lx、100 lx時的效果圖，圖(c)為兩種光源共同作用的效果。

圖7 手機客戶端Fig.7 Mobile phone client

圖8 LED補光效果圖Fig.8 The effect picture of LED fill light

5 結論

基于溫室植物對環境光質、光強、光周期多種需求，本文提出了一種云平臺的PWM智能LED補光方法，該方法采用云平臺控制技術，通過手機客戶端設置溫室植物所需紅、藍光照閾值及控制繼電器，實現對溫室內紅藍LED光照強度、溫度、濕度的管控。系統經實驗測試表明：當智能手機通過WIFI或移動4G等連接設備時，客戶端均能實現對設施內紅、藍光照強度閾值的設置，利用PWM調光法，經過動態調節，使被照植物所需光環境與設定值趨于一致，且紅、藍調光偏差控制在5 lx、1 lx以內。該系統通過兩塊無線NRF24L01模塊協調實現動態補光，具有光檢測與LED補光距離可調、調光精確高等優點，不僅可用在植物補光方面，還可以用于對光線強度要求比較嚴格的場所，具有較大的實用價值和廣闊的市場前景。

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PWM Intelligent LED Lighting System Research Based on the Cloud Platform

TIAN Huijuan1,2， LIU Jianxin2,3， HONG Zhen2,3， LIU Huan2,3， ZHANG Hui1,2， HAO Tiantian2,3

(1.TianjinKeyLaboratoryofAdvancedElectricalEngineeringandEnergyTechnologySchoolofElectricalEngineeringandAutomationTianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.EngineeringResearchCenterofHighPowerSolidStateLightingApplicationSystem,Tianjin300387,China; 3.CollegeofElectronicsandInformationEngineeringTianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

Based on different plants to the needs of environmental light quality, light intensity, light cycle and various needs, we propose a cloud platform for remote monitoring and short-range wireless dynamic LED dimming approach. Mobile client realizes to set red and blue light illumination threshold, using pulse width modulation (PWM), making environmental light intensity and threshold tends to be consistent by the dynamic cycle regulation using two wireless NRF24L01 modules and red, blue light deviation respectively in less than 5 lx and 1 lx, Meanwhile, the real-time monitoring of temperature and relative humidity in the greenhouse. The system has distance adjustable between the plants fill position and LED light source, high precision, simple operation, saving manpower, etc, it has broad prospects for development.

LED; cloud platform; NRF24L01; PWM; intelligent control

國家自然科學基金資助項目——室內照明用LED眩光效應研究及理論分析(編號：61504095),國家中小企業科技創新基金項目——高性能LED植物生長燈驅動電源關鍵技術研究(編號：16JCTPJC46600)

TP273

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.019