基于嵌入式的植物生长补光灯设计

2023-02-16李秋红范世坤牟向阳姚永革

南方农机 2023年5期

李秋红，范世坤，牟向阳，姚永革

（山东农业工程学院，山东济南 250100）

光是植物的生命之源，是植物生长发育不可缺少的条件之一。研究发现，植物生长所需的有效光谱范围在380 nm～760 nm之间，主要吸收红光和蓝光[1-2]，并且不同植物或同一植物在不同时刻所需的光源比例也是不同的[3-4]，仅靠自然光有时不能满足植物的生长需要，所以利用人工光源补光成为植物补光的一种有效手段。人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、卤素灯、白炽灯等，其最突出的特点就是能耗高，所以严重制约了用人工光源进行植物补光的发展[5-6]。但随着LED技术的出现，LED灯不仅节能环保，还具有光量、光质可调等优点。因此，LED灯在植物补光中得到了大力推广和应用[7-9]。目前，市面上推广的补光灯多数为单色光源，植物补光模式单一，无法很好地满足植物特定生长的需要。基于此，本研究以STM32单片机和LED灯为核心，设计了一款多光源、动态补光灯，该补光灯可实现高效、低能耗补光。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件整体设计

本研究设计的植物生长补光灯系统硬件整体设计框架如图1所示，该系统主要由主控模块、检测模块、驱动电路模块、补光模块、降温模块和人机交互模块六部分组成。主控模块选用STM32系列单片机，可以实现对数据的接收、分析处理与输送；检测模块可以实现对周围光环境的检测和对LED基板温度的检测；驱动电路模块预设三路，接收不同的PWM信号分别独立运作，可以实现不同灯光的独立调控；补光模块中三色补光可以实现对植物的补光，紫外光灯可以实现紫外灭虫；降温模块通过散热扇来实现，当温度过高时，启动散热扇对LED基板进行降温。显示屏、蜂鸣器和按键三部分统称为人机交互模块，显示屏用于显示采集的各种光强度和基板温度；当显示数据过多时，可以通过按键对显示数据进行翻页；当基板温度过高或检测值不满足要求时，会启动蜂鸣器进行报警，人机交互模块为直观了解光环境的变化和系统运行方式提供了诸多便利。

图1 系统硬件整体设计框架图

1.2 主控模块

目前，市面上单片机的种类繁多，结合本设计功能需求，主控模块选用STM32F103C8T6芯片。该芯片是一款基于ARM Cortex-M内核的32位微处理器，拥有丰富的引脚、处理能力强、运行速度快，不仅应用广泛，而且价格低廉[10]。由于本设计中的功能模块较多，对I/O接口的需求量大，因此选用STM32F103C8T6芯片更能满足本设计需求，该芯片的最小系统硬件电路如图2所示。

图2 STM32F103C8T6芯片最小系统硬件电路图

1.3 检测模块

1.3.1 光检测模块

本设计选用RGB检测传感器和远红外火焰传感器组合对植物周围的光强进行检测，如图3所示。其中，RGB检测传感器负责检测光环境中的红、蓝光强度，对应的硬件电路如图3（a）所示，选用的传感器型号为BH1745NUC，是一款数字色彩传感器，具有I2C总线接口，灵敏度高，检测动态范围宽；远红外火焰传感器负责检测光环境中的远红光强度，对应的检测电路如图3（b）所示，该检测电路可检测的波长范围为700 nm～1 000 nm，检测角度为60°，当红外光的波长接近880 nm时，检测灵敏度最高。

图3 RGB检测和远红外火焰传感器检测电路

1.3.2 温度检测模块

补光灯长时间工作必然会使LED基板温度升高，严重时会影响补光系统的寿命和稳定性。为了减缓补光灯寿命的衰减速度，提高系统的稳定性，在LED基板周围增设了低功耗的温度检测模块，检测元件采用NTC热敏电阻，对LED基板的温度进行实时监测，LED基板温度检测电路如图4所示。

图4 LED基板温度检测电路

1.4 驱动电路模块

本设计中驱动电路模块分为三部分，分别对红光LED灯、蓝光LED灯和远红光LED灯进行驱动，驱动电路如图5所示。根据接收的不同占空比信号，通过MOS管，实现独立控制调节三色灯光。

图5 驱动电路

1.5 补光模块

补光模块采用以7×7阵列排布方式，由8个红光LED灯、8个蓝光LED灯、4个远红光LED灯和1个紫外光LED灯组成，可实现红光、蓝光、远红光的补光功能和紫外光灭虫功能。LED灯的灯光排版设计如图6所示，该模块中不同色源灯的电路设计采用同色光源串联、异色光源并联的连接方式。对应的补光灯电路如图7所示，通过相应驱动电路，实现四色独立控制。

图6 灯光排版设计图

图7 补光灯电路

1.6 降温模块

本设计在LED基板下方加装了降温模块，该模块主要由散热扇组成，散热扇驱动电路如图8所示。当温度检测模块检测到基板温度高于50 ℃时，启动散热扇进行降温。

图8 散热扇驱动电路

1.7 人机交互模块

该模块由12864液晶显示屏子模块、按键子模块和蜂鸣器子模块组成，人机交互模块电路如图9所示。通过12864液晶显示屏可以显示检测的光照强度、LED基板温度值；按键可以实现翻页；当LED基板温度高于50 ℃或检测值不满足要求时，会启动蜂鸣器进行报警。

图9 人机交互模块电路

2 系统软件设计

该系统设计的补光灯可以实现对植物的动态补光，通过光检测模块可以实现对植物周围光环境中的三色光照强度进行独立检测，将检测到的光强度值与植物在不同时刻的需求值进行比较，分别计算出补光灯所需的补光量，再根据计算值自动选择补光灯的工作模式，输出不同占空比的PWM信号。驱动电路模块根据接收到的PWM信号控制补光模块，实现对植物的精准定量补光。同时，对植物周围光环境中的各色光强度进行再次检测，根据检测结果判断是否达到要求，以此循环往复运作，保证光照充足，补光功能流程如图10所示。在补光过程中，紫外光灯启动工作，提供适量紫外线进行灭虫，同时启动温度检测模块，实时检测LED基板温度，当温度高于50 ℃时，启动散热扇进行降温。在补光的过程中，检测到的光强、温度等数据会实时显示在液晶显示屏上。此外，当检测值不满足要求时，会启动蜂鸣器进行报警。

图10 补光功能流程

3 系统调试

本研究按照先部分后整体的顺序进行系统调试，调试过程中使用3种不同的单色光源照射检测模块，其显示数值会有明显变化，补光灯模块中各色灯会根据主控模块计算出的补光值进行正常调节，且反应迅速。温度检测模块会进行实时测温，使用单热源靠近温度检测模块，该模块反应迅速。当温度高于50 ℃时，会启动蜂鸣器和散热扇；当温度低于27 ℃时，散热扇停止散热，蜂鸣器停止报警。植物在不同时刻对光源的需求不同，为了实现高效、低耗能补光，对补光灯设计了3种补光模式，分别为连续、闪烁、间断补光，环境中光强度值及补光模式如表1所示。