智能型LED植物生長燈控制系統設計

摘 要：本文設計了一套基于Zigbee無線網絡通信技術的LED植物照明技術。利用波長為620-660nm的紅色LED燈珠及波長為450-480nm的藍色LED燈珠，設計出適合不同植物光需求的模塊陣列;采用PWM控制方式來調節紅光或藍光LED的平均工作電流，從而改變燈具的光譜特性，設計出適合植物處于不同生長階段的補光燈;采用溫度、濕度、照度和CO2濃度采集技術、設計出集成化網絡控制系統，實現統一控制。通過Zigbee網絡將所有植物生長燈加入網絡，實現統一控制。控制器可以預存補光模式，根據植物的生長階段，自動切換補光模式。

關鍵詞：LED;Zigbee網絡;PWM;電量采集;遠程監控

中圖分類號：TN913? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）01-0057-06

1 引言

LED具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、壽命長、耗能低、波長固定與低發熱等優點，與目前普遍使用的高壓鈉燈和熒光燈相比，不僅光量、光質（紅/藍光比等）可調，而且還是低發熱量冷光源，可近距離照射，從而使植物的栽培層數、空間利用率大大提高。隨著LED性能的不斷提高、價格的逐漸下降以及各類特定波長產品的開發，LED在農業領域的應用范圍將會更加廣闊。LED作為植物的生長光源，近年來得到世界各國的高度重視。隨著LED植物生長燈滲透率的提升，LED在中國農業市場的應用也越來越廣。目前，市場上大多數LED植物生長燈是按固定的紅藍光燈珠比例組合制成的管狀、圓盤狀等簡單產品為主，雖然可以根據客戶的需求進行燈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。另外現有的這些LED植物生長燈在設計上無法滿足不同植物種類在不同生長階段、不同組織部位和培育階段、不同培育目的的要求，在控制技術上不能根據不同季節、不同時間段、不同光照環境等外界因素對植物進行智能控光。造成植物在適合的生長時間段得不到充足的光照，周期性控制差。本文研發的智能型LED植物生長燈能夠根據植物生長的不同階段，動態改變LED燈具的光譜特性，實現紅藍光任意比例、任意強度的全數字調光;能夠充分考慮外界光照條件、環境溫度等因素，根據植物在不同階段不同環境下的實際需光量，通過閾值設置的方式滿足植物不同生長階段需光量的要求;能夠實現對大規模的植物補光燈的集中、智能化網絡控制功能。不僅能夠提高植物的光合作用效率、提高作物的產量、縮短生長周期，還可以提高系統的光能利用效率、節約電能，實現智能化控制。

2 設計方案

LED植物生長燈控制系統整體設計框圖如圖1所示。整個系統由LED植物補光燈控制盒和LED植物補光燈組成。該系統以控制盒為核心，通過Zigbee無線網絡將所有植物生長燈加入網絡，實現統一控制;控制盒還具有預存補光模式的自動控制功能，根據植物的不同生長階段，自動切換補光模式，以獲得豐富的智能控制功能[1]。電源模塊采用直流穩壓電源。LED植物補光燈是由智能驅動器與LED植物補光燈頭組裝在一起構成的。智能驅動器實現驅動控制、接收LED植物補光燈控制盒發來的設置參數，執行相應的數據指令。

3 硬件設計

3.1 LED植物補光燈控制盒設計

LED植物補光燈控制盒的功能結構圖如圖2所示，它主要實現參數的設置、發送、接收并對補光參數進行顯示等相關操作。LED植物生長燈控制盒包括FPGA主控制芯片、LCD顯示面板、按鍵陣列或觸摸板電路、RAM存儲器。LCD顯示面板、按鍵陣列或觸摸板電路、RAM存儲器接口分別通過數據線與FPGA主控制芯片連接。該LED控制盒是以XILINX的FPGA芯片XC3S500E為主控制芯片，負責控制和協調各部分實現補光參數的預設，以及實現對燈具內部參數的訪問;LCD顯示面板為用戶提供交互信息顯示;根據不同植物，同種植物不同生長階段的補光需求，可以通過按鍵陣列或觸摸屏方式輸入控制參數;外圍擴展FLASH用于存儲多種補光模式，RAM主要用于開發過程中對中間數據進行處理，RAM存儲器根據實際需求選擇SRAM或SDRAM，通信接口用于傳輸通信協議，I/O擴展接口用于對控制盒的遙控、探測環境溫度或濕度。

LED控制盒根據不同的設計容量，可以接入若干LED植物生長燈，如接入256個LED植物生長燈。每一個植物燈可以根據所在的排序確定唯一的通訊地址，這樣LED植物燈控制盒可以通過ZIGBEE控制網絡訪問每個植物燈內部的工作參數，并通過顯示裝置顯示出相應的參數信息。同時根據不同植物的補光要求，對訪問的植物補光燈具進行溫度、亮度等參數的預設，將預設的信息存入存儲器并通過ZIGBEE控制網絡發送到被訪問的LED補光燈具。補光燈具接收到控制盒發來的設置參數，進行處理、判斷、執行數據等操作指令，最終產生紅藍不同占空比的PWM信號，實現對不同R/B的輸出，滿足不同植物的補光需求。

3.1.1 LED控制盒電源的設計

控制盒電路中LCD、RAM存儲器、SPI等單元電路需要+1.2V、+2.5V、+3.3V的電壓，由電源電路提供。電源電路主要包括三個低壓差電壓調節器LD1117-12、LD1117-25、LD1117-33和兩個外部電阻，通過調節電阻的阻值，得到+1.2V、+2.5V和+3.3V三種電源電壓，其原理電路如圖3所示[2]。低壓差電壓調節器還具有限流和熱保護的作用，電路輸出電壓的精度小于±1%。為了改善電源的瞬態響應和提高穩定性，需要在輸出端接至少10μF的鉭電容。

3.1.2 SPI FLASH的配置電路設計

本文使用的FPGA每次上電都需要配置芯片SPI對其進行加載，SPI接口屬于一種四線同步串行協議。二者的連接遵循FPGA配置接口命名原則，MISO、SCLK、SS依次命名為DIN、CCLK、CSO_B。當使用SPI FLASH配置模式時，FPGA的管腳M2M1M0的值設置為“001”。這里選用STMicroelectronics公司的SPI FLASH存儲器M25P16[3]（其容量為16M bits）對FPGA芯片進行配置。由于XC3S500E的配置文件大小一般情況下小于2M bits，因此所選的存儲器M25P16能夠滿足要求。SPI FLASH的配置設計電路如圖4所示。SPI FLASH存儲器M25P16可以為FPGA芯片提供多種LED照明模式的功能數據信息。使用擦除指令可以對整個SPI FLASH一次性擦除，也可以擦除其中一段[4]。

3.1.3 RAM存儲器的設計

RAM存儲器采用DDR SDRAM（雙倍速率同步動態存儲器），DDR SDRAM是一種雙倍速率同步動態存儲器，是繼SDRAM之后產生的，它的傳輸速率和內存帶寬比SDRAM高一倍。本文采用MICRON公司生產的DDR SDRAM存儲芯片MT46V16M16，主要在嵌入式系統中處理中間數據。通上電源VDD和VDDQ（同步），等時鐘穩定后，SDRAM需要延時100μs的時間，才能發起除了COMMAND INHIBIT和NOP之外的其他操作命令。在這100μs時間內控制器依次發出NOP命令和PERCHARGE命令（所有頁被預充電），一旦處于空閑狀態，進行兩個自動刷新命令，在此之后進行模式加載[5]。SDRAM的具體操作模式，如突發長度、突發類型、突發寫模式、CAS延遲等通過模式寄存器定義，而模式寄存器用LMR（LOAD MODE REGISTER）命令進行設置。SDRAM存儲電路圖[6]如圖5示。

3.1.4 LCD液晶顯示電路

LCD液晶顯示器用于顯示LED補光照明模式，本文選擇Sitronix公司提供的ST7066U點陣LCD控制驅動器[7]。該液晶顯示器可以顯示多種文字信息，也可以根據自己的定義顯示所需字符。LCD液晶顯示電路如圖6所示。

3.1.5 Zigbee模塊設計

本文通過Zigbee無線傳感器網絡模塊[8]將所有植物生長燈加入網絡，實現統一控制。Zigbee的突出特點是應用簡單、電池壽命長、有組網能力、可靠性高以及成本低[9]。該系統中的Zigbee網絡[10]由四個帶有STM32F030芯片的Zigbee底板開發板組成，其中三個作為終端，一個作為協調器。其中的STM32F030芯片用來接收各傳感器采集的信息和數據，再通過串口1將信息發送到Zigbee終端。STM32F03底板原理圖如圖7所示。設計中用到3個STM32F030底板，每個傳感器連接一個底板，底板上用于連接傳感器的引腳是10引腳和21、22引腳，10引腳用來連接溫度傳感器DS18B20的DQ引腳，21引腳連接光照傳感器BH1750和濕度傳感器SHT10的SCL，22引腳連接這兩個傳感器的SDA;用于連接Zigbee終端J8的引腳是32、33、38-41引腳，連接J9的引腳是16、42、43、45、46引腳。

3.1.6 溫度傳感器

溫度傳感器主要負責對植物生長周圍的溫度信息進行檢測，并將其轉換為相應的數字信號，傳遞給控制盒進行處理。溫度傳感器采用數字化單總線器件傳感器DS18B20，從DS18B20讀出來數據或者是寫進去數據只需要一根單線接口就可以完成。它的測量范圍為-55～+125℃，測量的溫度直接通過一根線方式串行傳輸，從而很大地提高了系統的抗干擾能力。本設計中，只采用了一個溫度傳感器，將溫度上限設為40℃，下限設置為0℃，如果超過溫度閾值，傳感器會自動發生警報。如圖8為DS18B20接線圖，2引腳為DQ總線，連接STM32F0的10引腳，即GPIO分組的PA0，通過DQ總線實現數據傳輸。

3.1.7 光照強度傳感器

光照強度傳感器采用兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器BH1750FVI模塊，它不僅支持IIC總線接口，而且不需要連接別的額外的器件，STM32F030芯片上有其相應的外設和驅動電路，通過配置相應的寄存器，就可以完成IIC的通信。本設計中采用一個光照傳感器，將光強上限設置為500Lux，下限設置為0Lux，如果超過光強閾值，傳感器會自動發生警報。如圖9為光照傳感器的電路圖，BH1750的1引腳連接電源，3引腳接地，BH1750的4和6引腳連接STM32F0的21、22引腳，即GPIO分組的PB10和PB11。

3.1.8 濕度傳感器

濕度傳感器模塊[11]采用STH10傳感器，該產品響應迅速并且抗干擾能力強。本設計中采用一個濕度傳感器，將濕度上限設置為70RH%，下限設置為10RH%，如果超過濕度閾值，傳感器會自動發生警報。如圖10為傳感器的電路圖，STH10的2引腳為DATA串行數據輸入引腳，用于讀取傳感器數據，連接STM32F0的22引腳。STH10的3引腳為SCK串行時鐘輸入引腳，用于同步微處理器與傳感器，連接STM32F0的21引腳。

3.2 LED智能驅動器設計

LED智能驅動器實現驅動控制、接收LED植物燈控制盒發來的設置參數，執行相應的數據指令。智能驅動器內部結構如圖11所示，它包括單片機控制芯片、紅藍亮度傳感器、紅藍基色PWM恒流源。其中紅藍基色PWM恒流源受單片機控制芯片控制，并與植物補光燈具連接。單片機控制芯片接收控制盒發送來的植物補光參數，并對其進行處理、判斷、執行等相關操作，最終輸出紅藍兩路不同占空比的PWM信號。紅藍亮度傳感器主要對植物所需的紅藍光進行檢測，輸出相應的數字信號，通過單片機控制芯片進行處理。紅藍基色PWM恒流源保證電能可以高效的轉化為LED驅動電流，從而改變燈具的光譜特性，以達到不同的補光需求。

3.2.1 傳輸協議設置

LED植物補光燈控制盒對智能驅動器的數據傳輸協議共17位，如圖12所示。各位代表的含義解釋如下：T16-T9為植物補光燈具地址位，共可滿足256個LED植物補光燈的需求;T8為紅藍光亮度選擇信號位，當T8為1時表示選擇紅光亮度信號，為0時表示選擇藍光亮度信號;T7-T0為預設的亮度信號位，可以實現0～255級范圍內的任意亮度調節。

智能驅動器對LED植物燈控制盒的數據傳輸協議共14位，如圖13所示。各位代表的含義解釋如下：T13-T6為植物補光燈具地址位，共可滿足256個LED植物補光燈的需求;T5-T0為環境溫度信號位，該信號由溫度傳感器轉換所得。

3.2.2 單片機最小系統

能夠使單片機在通電后正常工作所需要的器件最少，這樣的系統稱之為單片機最小系統。而單片機最小系統中主要部分是單片機、時鐘電路和復位電路。單片機最小系統如圖14所示。

（1）單片機：本文采用的STC89C52RC MCU是宏晶科技有限公司生產的新一代超級抗干擾、高速、高性能、低功耗MCU。STC89C52RC的工作電壓為直流5V，其內部集成了8位的CPU、512B的RAM、8KB的ROM、4個并行8線I/O端口、3類6個中斷源。

（2）時鐘電路：單片機的第18和第19引腳間跨接一個晶體振蕩器（簡稱晶振）來形成自激振蕩器，從而產生脈沖并送入單片機內部時鐘電路。這樣就可以在單片機運行過程之中產生唯一的單片機時序。

（3）復位電路：復位電路的作用是使單片機從不確定的狀態返回到初始狀態，并且從這個初始狀態開始工作。

3.2.3 LED驅動部分的設計

為了設計適合于植物處于不同生長階段的補光需求，采用PWM控制方式來調節紅光或藍光LED的平均工作電流，從而改變燈具的光譜特性，以達到調控R/B比的目的。單片機控制芯片接收控制盒發送來的植物補光參數，并對其進行處理、判斷、執行等相關操作，最終輸出紅藍兩路不同占空比的PWM信號控制紅、藍燈珠發光。本文中驅動芯片采用恒流驅動芯片LM3407。LM3407采用脈沖電平調制（PLM）控制方案，此方案在使用一個外部1%精度的電流設定厚膜電阻時，能確保在整個輸入電壓和工作溫度范圍內恒定電流輸出精度好于10%。其驅動電路設計[12]如圖15所示。

3.3 植物補光燈頭設計

根據植物學上的光合作用理論，植物并非利用太陽光的全部成分來進行光合作用[13]，葉綠素a在波長640-660nm的紅光區域部分有一個較強的吸收峰;葉綠素b在波長430-450nm的藍光區域部分有一個較強的吸收峰。紅光作為光合作用的能量源，能夠促進植物莖的生長。藍光可以促進氣孔開放，有助于外界的二氧化碳進入細胞內，促進葉的生長[14]。光譜范圍對植物生長的影響見表1。葉綠素a、b吸收光譜見圖16[15]。

結合表1和圖16可知，460nm的藍光燈珠和630nm的紅光燈珠發出的單色光光譜，與葉綠素吸收光譜峰值完全吻合，能夠促進植物的高效生長，提高植物對光能的利用率。本文中采用波長460nm的藍光燈珠和630nm的紅光燈珠設計強度和比例可任意調節、光照均勻的模塊陣列;根據不同植物的需光特性將這些模塊陣列組成不同光質的LED燈板;模塊化自由組合，靈活滿足各種照明需求。LED作為冷光源可近距離照明植株，為保證植物栽培面上的光合成有效光量子流密度分布均勻，LED光源安裝時距離植株10cm左右，其次，在冬季和早春季節以及陰雨天氣，溫室內的光照強度約為2000勒克斯（lx）左右，而陰性植物需要500～2500lx的光照射;中性植物則需要2500～30000lx的光照射。所以，LED組合光源下方10cm處的照明區域內照度不低于5000lx。考慮到工程上最便利使用的方式為工整陣列，且以方陣最為對稱，因而設計陣列式LED組合，以行、列數各為6的方陣組成一個模塊。每行每列中紅光LED與藍光LED間隔均勻排列，即每一個LED周圍必是不同顏色的LED，如圖17所示。

LED補光陣列采用模塊化設計，以達到快速安裝、更換和拓展的目的。同時配光形式屬于平面排列配光。所謂的平面排列配光就是將多顆LED單元均勻布置，軸線方向的夾角為零，單元之間的最小間距由LED的物理尺寸來決定，安裝在平面的基板上，形成具有一定面積的面發光光源。

4 軟件設計

根據硬件需要，采用軟件EDK搭建硬件平臺對FPGA進行嵌入式開發。LED植物燈控制盒采用SPI配置FPGA。其中的SPI，SDRAM，RS232可以直接通過EDK開發工具向導搭建，LCD顯示器和ZIGBEE協議需要用戶自制IP核。

LED植物燈控制盒主要實現參數的設置、發送、接收并對補光參數進行顯示等相關操作。在通電之后，控制系統通過ZIGBEE控制網絡訪問每個植物燈內部的工作參數，并通過LCD顯示出來。同時與預設的補光參數進行比較，確定不同的補光模式，在通過ZIGBEE控制網絡發送到被訪問的LED補光燈具，滿足不同植物的補光需求。當外部有補光模式選擇時，則進入選擇的補光模式子程序，選擇完補光模式后，將程序通過SPI加載到FPGA。ZIGBEE模塊通過協議傳輸各個燈具的調光信息。LCD顯示器將所選擇的補光模式顯示出來。圖18為系統的程序流程。

5 總結

本文針對LED補光燈在大棚照明中的應用，設計出多種補光方案。LED植物生長燈控制系統由植物補光燈控制盒和LED植物補光燈兩部分組成。在補光燈控制盒中完成SPI FLASH、SDRAM、LCD和ZIGBEE通信模塊等硬件設計，在補光燈頭驅動器里完成通信模塊和驅動模塊的設計，通過軟件開發工具EDK對補光燈控制盒的控制器件FPGA進行嵌入式開發，完成SPI的讀寫，LCD的顯示，以及ZIGBEE協議，最終應用ZIGBEE協議實現了對LED補光燈頭的網絡控制。

——————————

參考文獻：

〔1〕張德軍，張德民.一種分布式場景燈光控制系統：中國，發明專利，CN 101217841A. 2008-07 -09.

〔2〕LD1117/A， Low Drop Fixed and Adjustable Positive Voltage Regulators [J/OL]， Unisonic Technologies Co.， Ltd.2005.

〔3〕STMicro Inc.Datasheet for M25P16 [J/OL]. 2004.

〔4〕UG230 （v1.0）， Spartan-3E Starter Kit Board User Guide [J/OL].March 9， 2006.

〔5〕柴萬東，張立萍.一種基于FPGA的LED室內照明系統設計與實現[J].內蒙古民族大學學報，2016，38（01）.

〔6〕Micron， Inc. Datasheet for MT46V16M16 [J/OL]. 2000.

〔7〕ST7066U， Dot Matrix LCD Control/Driver [J/OL]. Sitronix， March 11， 2006.

〔8〕向磊. 基于ZigBee網絡的蔬菜工廠監控系統[D].武漢工程大學，2015.7-27.

〔9〕仇榮華.基于ZigBee和ARM平臺的水產養殖水質在線監測系統[D].山東大學，2010.1-7.

〔10〕鄭凱.基于ZigBee無線傳感器技術的心電監護網絡的研究[D].吉林大學，2008.1-3.

〔11〕王新政. 禽舍環境智能控制關鍵技術研究[D].東北林業大學，2012.1-6.

〔12〕LM3407 350mA， Constant Current Output Floating Buck Switching Converter of High Power LEDs[J/OL]. National Semiconductor， January 18， 2008.

〔13〕趙啟蒙，周小麗，周明琦，劉木清.LED植物補光照明系統對擬南芥萌發率的效用探究[J].照明工程學報，2012，21（23）：3.

〔14〕周國泉，徐一清，付順華.溫室植物生長用人工光源研究進展.浙江林學院學報，2008，25（06）.

〔15〕Winslow R. Briggs，Margaret A. Olney. Photorec-eptors? in Plant Photomorphogenesis to Data. Five Ph-ytochromes，? Two Cryptochromes， One Phototropin a-nd One? Superchrome. Plant Physiology，January 2001，Vol. 125， pp. 85～88.