基于LabVIEW的智能LED植物補光照明系統設計

牛萍娟++李艷艷++田會娟++蘇政曉++柳建新++張浩偉

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.115

摘要：基于植物對光和溫濕度的需求，系統利用RRGB芯片配光設計開發了LED光源模塊，若干個光源模塊組成LED陣列平面光源模組，基于LabVIEW的上位機與控制器相結合的系統實現對溫室或園藝植物的智能補光照明。控制器實時檢測紅綠藍三色波段的光量子通量密度（PFD）和溫濕度值，并將檢測信息顯示在上位機界面，通過控制器對脈寬調制（PWM）信號進行動態調節，以保持照射到植物的紅、綠、藍PFD值隨環境光照改變而保持恒定不變，實現照明系統結合環境光照的智能補光。同時，系統也實現了對溫濕度閾值范圍的智能調節。該智能補光照明系統根據不同植物或同一植物不同生長階段對PFD、光質比例補光需求的不同，通過上位機設置紅、綠、藍三色波段光不同的PFD值和溫濕度范圍，下位機按照設置完成環境調控，既滿足了植物對補光環境的要求，又大大節省了能源。

關鍵詞：LED植物補光照明；LabVIEW；脈寬調制；光量子通量密度；光質比例

中圖分類號：TM923；S24文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0394-04

收稿日期：2015-08-15

基金項目：國家火炬計劃（編號：.2013GH580096）。

作者簡介：牛萍娟（1973—），女，博士，教授，主要從事新型半導體發光器件、LED驅動電路和半導體照明應用系統等研究。E-mail：nping_tjpu@163.com。

通信作者：李艷艷，碩士研究生，主要從事半導體照明智能控制研究。E-mail：li__yanyan@126.com。在霧霾天氣日益嚴重的環境下，冬春季節太陽光無法滿足溫室及園藝植物生長，人工補光對于溫室植物生長尤為重要。光強和光質對植物的光合作用、物質代謝和形態建成等具有重要作用[1]。380 ～760 nm 可見光光譜波段是植物光合作用主要吸收的光波段，其中，吸收峰值在紅藍光波段[2]，加入一定比例的綠光可促進植物生長[3]。LED作為新型光源應用于植物照明，較傳統光源不僅具有可靠性強、壽命長、體積小、發熱少、能耗低等優點，而且由于可發出單波長光，還能根據植物的需要進行光譜的精確配置[4]。

單顆超高亮LED還未能提供足夠的光量供溫室植物正常生長，但多顆LED通過組裝設計能滿足植物補光需要[5-8]。傳統的補光照明一般采用定光照、定光質的補光方式[9-11]，照射到植物的光會隨外界環境光照的改變而變化，不僅無法滿足不同植物或同一植物在不同生長階段對光量子通量密度（PFD）和光質比的差異性需求[1，12]，也浪費了能源，提高了成本。本研究的智能補光照明系統設計了PFD均勻分布的紅綠藍LED光源模塊，利用上位機實時監控或設置環境的光強和溫濕度，控制器根據光強變化動態調節PWM信號，從而控制LED紅綠藍光源模組的輸出，精確保持設定的PFD和光質比例，滿足植物需求的同時降低成本。

1LED光源模塊

小功率芯片組合設計與大功率芯片組合設計相比，不同光譜光量子通量密度混合更均勻，散熱更少，功耗更低，用于近距離照射植物。本試驗選用0.2 W貼片型RRGB燈珠用于研究，由杭州遠方光電生產的HAAS-2000高精度快速光譜輻射計和0.5 m小積分球測得單顆RRGB燈珠中R、G、B光量子流和電流的關系見圖1。

對數據進行線性擬合得到電流與光量子數的關系式：

yR=0.000 2xR，r2=0.992 5

yB=0.000 2xB，r2=0.975 4

yG=0.000 2xG，r2=0.971 4。（1）

式中：yR、yB、yG為紅、藍、綠光量子數，xR、xB、xG為通過紅、藍、綠芯片電流。擬合優度r2接近于1，所以，紅綠藍LED光源的電流與光量子數基本成正比例關系。

參考文獻[4]中，生菜和紅菊苣植物被種植在70%紅光，20%綠光和10%藍光光照條件下時，光量子通量密度為 220 μmol/（m2·s） 比400 μmol/（m2·s）條件下光系統Ⅱ（PSⅡ）功能更有效。

因此，若確定光質比例為R ∶B ∶G=7 ∶1 ∶2，由光質比例及光源的額定電流確定仿真時單顆燈珠R、R、G、B的電流大小，分別為20、20、16、6 mA。LED光源單元模塊在照明參考平面內的照明面積計算公式[7-8]如下：

S=[7L+2htan（13.2π180）]2。（2）

式中：L為光源間距；h為燈板離照射面的距離。植物照明較普通照明有所區別，目前，評價植物光照效果的基本測量方法常用的有光合有效輻射能量（PAR）法和光合光子流量法2種。PAR法即用輻照度表示1 m2上促進光合作用的輻射功率，進而表示植物被照射的程度。光合光子流量法，即1 s照射到單位區域面積上的光子數[6，13]。在光學軟件TracePro仿真里用輻照度表示光照大小，實際溫室環境下用光量子通量密度值來表示植物光照，但二者之間可以實現轉化。定義LED 的輻照度均勻度為照明面上各點輻照度的平均值Eave與最大輻照度Emax的比值，以此來計算各模塊在TracePro仿真環境下的總輻射照度均勻度。

Ue=EaveEmax×100%。（3）

TracePro分別仿真燈珠間隔L為0.5、1、1.5 cm時，距離照射面高度15 cm，輻照面積S分別為10.52、142、17.52 cm2，81顆燈珠排布為9行×9列的方形光源模塊的輻照度。不同間距的仿真結果見表1。

由表1看出，隨光源間距L的增加，輻照度平均值減小，均勻度增加，輻照面積也增加。在滿足輻照度大小的基礎上，選擇光源間距為1.5 cm，因為其不僅均勻度高，而且輻照面積廣。光源間隔為1.5 cm時，TracePro仿真的輻照度分布如圖2所示。按照仿真設計出的光源排布開發LED光源模塊，若干光源模塊組成用于植物照明的LED光源模組。

2系統硬件設計

系統采用模塊化設計，包括檢測模塊、控制模塊、驅動電源模塊、LED光源模塊、上位機控制模塊，系統原理見圖3。

2.1檢測模塊

檢測模塊實時檢測環境中的紅、綠、藍光照度和溫濕度，將檢測信號傳入單片機，完成數據采集。具體方案：由于LED光源全部點亮時，環境中同時存在紅綠藍三波段光譜，為了分別檢測紅綠藍光強，光照先經過透光率為90%，波長波段范圍分別為420～480、500～580、625～700 nm的藍光、綠光、紅光帶通濾光片預處理[14-15]，處理后的紅綠藍光透過光照度傳感器BH1750FVI的光敏二極管檢測，并將光信號轉換為數字信號傳入單片機P2口，光照度檢測信號以ⅡC總線方式接入。同理，溫濕度傳感器DHT11將溫濕度的模擬信號轉換為數字信號，從而實現溫濕度的檢測。

2.2控制模塊

系統采用單片機STC89C52RC作為控制器，外部晶振11.059 2 M，輸出波形頻率為1 000 Hz。與檢測部分的連接采用定時器0計數，P1口接入檢測傳感器，P1.0口連接溫濕度傳感器DHT11，P1.1-P1.6口連接3個光照度傳感器，分別檢測紅、綠、藍三色的光照度，P1.1、P1.3、P1.5連接光照度傳感器的ⅡC時鐘引腳SCL，P1.2、P1.4、P1.6連接ⅡC數據引腳SDA。單片機通過軟件編程方式實現PWM信號輸出，使用定時器1，工作方式0，通過P0.0、P0.1、P0.2口輸出三路PWM信號到電源驅動模塊，分別調節紅、綠、藍LED光源的光量子通量密度。控制器電路圖如圖4所示，單片機STC89C52RC通過RS-232接口與上位機連接，用電壓為 5 V、電流為1 A的電源為其供電。

2.3電源驅動模塊

本系統選用基于XL6009升壓型直流電源變換器芯片設計的DC-DC升壓LED調光模塊。在XL6009芯片的PWM調光輸入引腳上加載脈寬可變的PWM信號，通過調節LED的驅動電流繼而調節LED燈的亮度。R、G、B等3路LED驅動電源在PWM調光信號調節下輸出電流的變化曲線，如圖5所示。占空比為100%時，驅動輸出電流為LED光源模塊的額定電流，R、G、B額定電流分別為360、180、180 mA，綠光光源的變化曲線與藍光基本重合。由圖5可看出，占空比與輸出電流不成正比例關系，因此，本系統提出了不斷反饋與調整PWM占空比，從而改變驅動電流調節光照度的補光方法。

2.4上位機模塊

系統采用虛擬儀器（VI）領域中最具有代表性的圖形化編程開發平臺LabVIEW作為上位機開發軟件。單片機控制器與LabVIEW通過VISA函數實現串口通信，上位機向下位機發送設定參數數據，下位機將采集的光照和溫濕度數據傳送給上位機。

LabVIEW程序分為前面板和程序框圖2個部分，如圖6所示。其中，前面板是VI的代碼接口，是用戶交互界面，能實時直觀地觀察到R、G、B的光量子通量密度和溫濕度的變化曲線，通過點擊相應按鍵或直接輸入，設定相應的光量子通量密度值和溫濕度的上下限閾值，超出閾值范圍則警報提醒。由于光照傳感器檢測的光信號以光照度表示，所以需要通過換算關系式（4）實現光照度與光量子通量密度之間的轉換。

光量子通量密度與光照度的關系[7]：

U=βE；

β=∑700400λφe（λ）Δλ81 755.1∑780380φe（λ）V（λ）Δλ。（4）

式中：U表示光合有效量子通量密度，E為光照度，β為光譜相對功率密度，V（λ）為人眼視見函數。

3系統軟件設計

系統軟件設計主要包括上位機界面的軟件設計和下位機控制部分的軟件設計。LabVIEW采用圖形化語言（G語言）編程實現上位機界面的軟件設計，程序圖見圖6，上位機界面設定了植物需要的光量子通量密度值和溫濕度的上下限值，其中光量子通量密度與光照度經關系式（4）實現參數的轉換。對紅、綠、藍3種光質的光的恒光模式調節是補光系統的主要部分。系統恒光模式調節的軟件流程圖如圖7所示。控制器啟動后，先進行系統初始化，然后實時采集環境光照度值，并判斷與設定值的關系。若光照度不等于設定值，由于LED驅動電流與占空比不成正比例關系，所以，需要通過不斷反饋與調整PWM占空比改變驅動電流，從而實現光照度調節。若光照度小于設定值，PWM占空比增加，光照度大于

設定值，PWM占空比減小。延時一段時間再次比較，如果增加PWM占空比沒有超出設定值，則繼續增加PWM占空比，反之則延時一段時間后再次采集光照度，判斷環境光照強度值是否在閾值范圍。若在則執行底部循環；若不在閾值范圍或外界環境光照度發生變化超出閾值范圍，則返回調節PWM占空比，使光照度值恒定在閾值范圍內。減小PWM占空比同理。

4系統測試分析

這里主要測試分析了系統LED補光單元模塊的穩定性。根據溫室的實際面積確定LED燈組數，上位機設定紅、藍、綠光量子通量密度值分別為200、30、56 μmol/（m2·s），即光質比例為R ∶B ∶G=7 ∶1 ∶2[4]。對LED光源單元模塊正下方 15 cm，輻照面積為17.52 cm2的照明區域進行網格劃分，劃分得出25個間隔相同的網格點，利用LI-250A光照計測試系統在不同光照環境下25個網格點處的PFD值。結果表明，太陽光較強時，由于紅、藍、綠PFD值遠遠超出設定閾值，PWM減為0，此時，太陽光作為溫室光源。陽光微弱或沒有陽光照射時，恒光模式啟動，補光系統的PWM占空比增加使紅、藍、綠光達到設定閾值范圍，并穩定保持在閾值范圍。總的PFD值在輻照平面的分布圖如圖8所示。計算得到PFD分布的均勻度為72.7%，與仿真結果基本一致。

5結論

本研究設計了一個智能補光照明系統，基于LabVIEW上位機界面實時監測并可設置溫室環境參數，通過串口模塊連接下位機控制器，下位機采集反饋環境中溫濕度和光照度數據，并通過PWM占空比的動態調節，保持照射到植物的紅綠藍三色波段的光照度以及光質比例恒定不變，同時也實現溫濕度在設定范圍內的智能調節。光源模塊由光學軟件 TracePro 仿真設計，且系統經測試分析表明PFD在輻照平面分布均勻且與仿真一致，溫濕度在設定范圍內調節穩定，系統誤差小，適用于溫室補光照明。

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