基于LED红蓝组合光源的蔬菜贮藏保鲜系统

麦强

东莞职业技术学院电子与电气工程学院（东莞 523808）

蔬菜作为我国第一大农产品，是日常中不可缺少的食物之一，但由于贮藏保鲜技术落后，蔬菜采后在运输和销售过程中损失率达到30%，严重制约中国蔬菜发展[1-3]。由于蔬菜采后呈鲜活状态，内部组织仍然会进行蒸腾作用、呼吸作用等新陈代谢运动，蔬菜的感官和食用品质会随采后保鲜时间的增长而逐渐减低。为延缓蔬菜的衰老，目前主要采用物理保鲜技术、化学保鲜技术和生物保鲜技术三大类。其中，物理保鲜技术由于无毒无残留、操作方法简单，被广泛应用。试验主要采用低温高湿保鲜方法，通过0～5 ℃冷库环境延长蔬菜保鲜期。但由于冷库体积大、能耗高、价格高昂、移动不方便等问题，难以得到普通菜农和菜贩的广泛采用。

光照在蔬菜生长发育过程中具有重要的作用，还会影响采后蔬菜的新陈代谢。将光照引入蔬菜的贮藏保鲜环境中，使蔬菜进行光合作用，维持蔬菜品质，延缓衰老，延长货架期。近年来研究发现光照波长、光配比、光强及均匀性对蔬菜的贮藏保鲜有一定影响。

随着人工光源LED技术快速发展，LED光源具有高光能利用率、单色性好、节能等优点，使其在植物工厂领域应用备受关注。LED光源能精确控制波长、光配比、光强等参数，与自动化控制、传感器技术相结合实现对植物生长环境的精确控制与监测。近几年，兴起研究红蓝组合LED光源对蔬菜生理活动的影响机理，为光照条件对蔬菜贮藏保鲜提供重要依据。因此，对由LED红蓝组合光源构成的蔬菜贮藏保鲜系统进行介绍，对系统的光强均匀性进行测定，确保光源满足蔬菜保鲜需求。

1 系统总体设计

1.1 系统的结构组成

蔬菜贮藏保鲜系统由单片机系统、传感器系统、LED红蓝组合光源控制系统、湿度控制系统构成。系统结构框图如图1所示。

整套系统以单片机系统为核心，通过传感器系统检测温湿度数据，并根据人机交互系统中用户设置的参数，对环境控制系统进行控制。环境控制系统由LED红蓝组合光源控制系统、湿度控制系统构成。LED光源通过PWM控制460 nm及660 nm LED输出光通量，并根据不同参数要求设置不同光配比。湿度控制系统根据AM2301温湿度传感器采集到的数据，根据设置参数要求，利用PID算法调节环境湿度的高低。

1.2 设备系统工作过程

用户通过在人机交互系统设置贮藏保鲜蔬菜的品种，并启动设备。单片机系统根据选定蔬菜设置相应的参数，根据传感器采集到的数据，对环境进行控制。

环境控制系统的工作过程中，单片机系统根据传感器数据动态调节环境光强与湿度。在LED红蓝组合光源控制过程中，利用带滤光的PIN光电二极管对红蓝环境光进行检测，单片机系统根据检测到的数据，通过驱动电路调整红蓝光的光强；在湿度控制过程中，利用温湿度传感器检测环境湿度，如果实际的湿度环境低于蔬菜保鲜所需，则启动超声波雾化器，通过风扇将水汽吹进贮藏区域，提高环境湿度；当湿度满足要求时，则关闭加湿系统。

2 系统硬件设计

2.1 单片机系统

系统采用STC15F2K60S2单片机，通过单片机的独立按键和液晶屏实现人机交互功能；利用I/O连接的继电器控制各系统的电源通断；通过I/O输出PWM信号到DD311驱动芯片的使能端口，控制各路LED输出的光通量；利用AD模数转化读取PIN光电传感器检测到的光强信号；利用单线制串行方式读取环境湿度参数。

2.2 湿度控制系统

温度控制系统由AM2301温湿度传感器检测环境数据，利用串口通信发送给单片机，单片机采用PID算法控制继电器启动或关闭超声波雾化器和风扇，实现对湿度控制作用。

2.3 LED光源系统

LED光源系统采用460 nm及660 nm波长的高亮度单色LED灯珠，采用DD311电流驱动芯片，通过PWM调节芯片输出电流大小。系统由4条LED灯具构成，每条灯具上各有2路460 nm和660 nm LED，每一路由6颗灯珠串联构成，每路LED间采用并联方式。LED光源系统电路如图2所示。

3 系统软件设计

系统软件控制流程为：设备开机后系统进行初始化，初始化保鲜参数、传感器参数等；初始化后设备等待用户在人机交互界面选择蔬菜品种及启动指令，系统进入自动工作状态；单片机接收温湿度传感器实时采集的环境数据，与设置蔬菜保鲜参数进行对比，判断是否启动或关闭增湿程序，并将采集到的温湿度数据在液晶屏显示；单片机根据PIN光电传感器检测到光强数据与红蓝光配比进行比较，通过PWM调节LED红蓝光源光强。系统软件控制流程图如图3所示。

图2 LED光源系统电路

图3 系统软件控制流程图

4 功能性验证

4.1 系统光均匀性研究

LED光源由红蓝光源组合构成。通过采用远方SPIC-200光谱仪对光源波长进行分析，如图4和图5所示，红光波峰对应的波长为660 nm，蓝光波峰对应的波长为460 nm，均为理想的红蓝光源。

为探究不同光强照射均匀性特性，在接收平面上均匀布置16个光强测试点，如图6所示。调节LED红蓝光输出量，3种光强接收平面上不同点处光强如表1所示。光强1的最大与最小光强值相差1 μmol/（m2·s），光强2和光强3的最大与最小光强值相差3 μmol/（m2·s）。在不同光强照射下，整体光强分布均匀性好。

图4 红光LED相对光谱曲线

图5 蓝光LED相对光谱曲线

图6 光强测试点分布

表1 不同光强下接收平面光强分布

4.2 系统光通量控制结果

LED光源系统采用PWM控制红蓝光LED的光量子通量密度。测量不同PWM值对应2种波长的LED光量子通量密度。运用MATLAB对测量数据拟合曲线，并得出曲线的函数表达式。PWM值与460 nm和660 nm LED光通量折线图如图7所示。

图7 PWM占空比与460 nm和660 nm LED光量子通量密度变化折线图

拟合得到PWM占空比与460 nm LED光量子通量密度变化曲线函数表达式：g（x）=-0.000 321 6x2+0.815 6x-0.396 8。

PWM占空比与660 nm LED光量子通量密度变化曲线函数表达式：f（x）=（-6.497e-05）x3+0.013 17x2+0.111 9x+7.757。

基于PWM值与LED光量子通量密度的函数关系，可得到PWM控制LED输出光通量算法b。根据蔬菜贮藏保鲜光环境参数，采用算法b可输出相应要求的LED光通量。

4.3 设备湿度控制测试结果分析

湿度控制系统的控制同样采用增量式PID算法控制增湿操作的通断，根据温湿度传感器采集设备内实际的湿度变化数据，控制设备内的湿度。对系统进行湿度控制功能试验，得到其湿度随时间变化曲线，如图8所示。

图8 湿度随时间变化曲线

由试验测试结果可知，实际湿度增加30%时，用时440 s，设备能有效控制湿度，其湿度控制情况适宜植物生长发育所需。

5 结论

通过对红蓝光波长进行测试，波峰为460 nm和660 nm具有良好的单色性，并在不同光强照射下光强分布均匀，光量子通量密度在8～80 μmol/（m2·s）范围内精确控制，湿度调节响应速度快，系统为蔬菜贮藏保鲜提供有效光环境。