基于數控恒流技術的藍莓光照調節器設計

唐　宇，駱少明，黃偉鋒，張偉鵬，侯超鈞

(1.仲愷農業工程學院 自動化學院，廣州　501225；2.廣東省現代農業產業重點實驗室 精準智能裝備，廣州　501225)

0　引言

人工溫室大棚能解除自然環境對藍莓生長的限制，可顯著降低藍莓生長對季節的敏感性，使其部分或完全擺脫對氣候條件的依賴，在不適宜生長的季節或地域中得到正常的發育，并保持甚至增加產量。正是由于溫室大棚內種植藍莓能夠帶來可觀的經濟效益，使得該技術越來越普及，成為廣大農民創收的重要手段[1]。

在溫室大棚內種植環境的諸多控制因素中，光照是影響溫室大棚內藍莓生長發育的首要環境因子，不同的光照與光質決定著藍莓生長的快慢[2]、生育期的長短和產量的高低。因此，適當補充光照，使藍莓生長前期早生快發，是提高藍莓產量的重要舉措之一[3]。傳統的光照控制是以人工的方式開關遮陽簾和照明燈具實現的，耗時費力，控制手段單一，控制精度低，有一定的局限性。通過引入嵌入式控制方法，采用數控恒流技術控制溫室大棚內的補光LED光源[4]，可顯著提高控制效率和控制精度[5]，靈活便捷，且光照強度和照射時間均可被精確調控至符合藍莓生長的需求[6]，加快藍莓的發育速度和土肥營養吸收速率[7]，進而提高藍莓的質量和產量。國內外針對作物光照調控技術已有相關的研究報道。Cao等人[8]分別使用純紅色、80%紅色+20%藍色、50%紅色+50%藍色、純藍色等4種LED光源照射藍莓，并測定了對藍莓生長的影響。何國榮[9]設計了基于AT89S52單片機的大棚自動卷簾控制器，可增加作物的6.97%日均光照時間。王明達[10]結合無線傳感器網絡技術和計算機技術，設計了溫室光照調控系統，利用遮陽幕實現溫室中光照環境的智能調節和控制。

目前的光照調控大多集中在對被動光源的調整和對主動光源的分級調節，而在藍莓種植環境中根據外界自然光強度的主動光源自適應調節控制未見報道。本文設計了一款結合嵌入式技術和數控恒流LED調光技術的藍莓種植環境光照調節器，通過光強傳感模塊采集光照信息[11]，以STM32嵌入式處理器為核心，通過數字PID算法控制驅動LED光源的恒流電路輸出電流[12]，進而實現對環境光照強度的精確調控。

1　調節器硬件設計

光照調節器由STM32核心模塊、光照強度信息采集模塊、恒流源電路模塊、LED光源模組、鍵盤、OLED(Organic Light-Emitting Diode)顯示模塊、工作電源模塊和接口電路等組成，如圖1所示。處理器模塊以STM32F070嵌入式處理器為核心，以I2C接口與光照強度信息采集模塊進行連接，實現對藍莓內光照強度的檢測。STM32通過內部的模/數轉換器(ADC，Analog to digital Converter)采集恒流源電路的電流強度數據，并通過內部數/模轉換器(DAC，Digital to Analog Converter)輸出電壓形式的控制信號，使恒流源電路模塊輸出期望的電流值，進而控制LED光源發出預期強度的光。

圖1　系統硬件結構

1.1　STM32核心模塊電路設計

光照調節器采用的控制核心是意法半導體公司推出的一款實用、多功能和低能耗處理器STM32F072VBT6。該處理器基于ARM Cortex-M0的32-bit RISC嵌入式內核，內置能以零等待周期進行讀寫訪問的128kB Flash閃存存儲器和 16KB SRAM靜態隨機存儲器。該處理器片內含有2個I2C接口、精度為12-bit的16通道ADC和2通道DAC，可滿足調節器功能需要。調節器中的核心模塊由復位電路、時鐘電路和串口調試電路構成，并引出相應的I/O引腳與其它外圍模塊電路連接，如圖2所示。

圖2　STM32核心模塊電路

1.2　工作電源模塊電路設計

STM32F072VBT6的供電電壓范圍為DC +2.0～3.6V，為滿足其它外圍電路模塊的電能需求，調節器的工作電源設計為DC +3.3V。工作電源將市電AC220V經過交流變壓、整流、濾波和線性直流穩壓處理后變換成低壓直流電，如圖3所示。

圖3　工作電源模塊電路

圖3中的穩壓環節采用三端穩壓集成電路LM317，其輸入端和輸入端均加有LC濾波環節以進一步降低紋波對電路性能的影響。電路的輸出電壓可由公式(1)計算得到，通過調節R3的阻值可令電源輸出端VCC的電壓為DC +3.3V。

VO=VREF(1+R3/R2)+(IADJ×R2)

(1)

其中，參考電壓VREF為1.25V；校準電流IADJ為0.05mA。

1.3　恒流源電路模塊設計

調節器中的恒流源電路模塊以LM2576S-ADJ降壓型開關穩壓電源控制器芯片為核心，該芯片的應用電路結構簡單，輸出電流高達3A，能滿足用于溫室大棚內區域照明補光的LED光源模組的需要。恒流源電路中加入LM358運算放大器對電流信號進行變換，以形成STM32F072VBT6處理器ADC能識別的幅值范圍的電壓信號，如圖4所示。

圖4　恒流源電路模塊

電路中，通過電流采樣電阻采集輸出電流信息，并經過LM358進行信號變換后被STM32F072VBT6處理器的ADC接收，經過算法處理后由該處理器通過DAC發出電壓信號到LM2576S-ADJ的反饋信號輸入端，實現對其輸出電流的恒定控制。

1.4　光照強度信息采集模塊接口電路設計

溫室大棚的光照強度信由TSL2561數字式光強傳感器采集后，通過標準I2C接口傳送給STM32F072VBT6處理器，如圖5所示。TSL2561是TAOS公司推出的第2代光強數字I2C接口轉換芯片, 具有轉換速度高、功耗低、量程寬和配置靈活等優點，用于將光照強度轉換成數字信號輸出。其內部連接1個對紅外與可見光均敏感的光敏二極管(CH0)和1個僅對紅外光敏感的光敏二極管(CH1)，CH0和CH1各能提供16位精度的光強數據。

圖5　光照強度信息采集模塊接口電路

1.5　OLED顯示模塊接口電路設計

OLED模塊采用SSD1306芯片驅動OLED矩陣，分別為128列×64行的像素字符、單色、圖形顯示的模塊。SSD1306芯片內部集成了8 912個單元的RAM，對應與OLED顯示屏的8 912個像素點，分成了0～7頁，1頁中又分成8行，可滿足光照調節器相關電流和光強信息的顯示需要。該部分接口電路如圖6所示。

圖6　OLED顯示模塊接口電路

1.6　LED光源模組電路設計

用于溫室大棚內區域環境光亮度補償的LED光源模組采用串并混聯方式，其結構如圖7所示。

圖7　光源模組中的LED排列結構

每個光源模組采用9顆LX5730D型高亮度LED，以3串聯后再3并聯的方式連接，該型號的LED相關參數如表1所示。

表1　LX5730D的電氣與光學參數

2　調節器軟件設計

光照調節器軟件設計采用C語言編寫，分為處理器主程序和子程序兩大部分。主程序主要完成系統中各功能單元的初始化工作，如圖8所示。

圖8　調節器主程序流程圖

接收用戶通過鍵盤錄入的亮度增強或降低指令，并根據用指令發出控制命令，實時采集并顯示光照傳感器模塊輸出的光強檢測信息和恒流源輸出的電流強度信息，通過數字PID算法控制LED光源發出強度恒定的光。子程序實現系統的各個子功能，主要包括傳感信息采集程序、按鍵掃描程序、顯示程序和數字PID調光程序等模塊。

2.1　傳感信息采集程序

調節器的傳感信息有恒流源電路模塊輸出電流強度和溫室大棚區域環境光照強度兩種：前者直接由STM32F072VBT6處理器的ADC接收并經過線性變換后存儲和顯示；后者涉及I2C總線通信協議和TSL2561的命令控制。其程序流程如圖9所示。

圖9　振動信息采集程序流程圖

2.2　按鍵掃描程序

調節器中設置了4個按鍵，分別代表“系統復位”“亮度增加”“亮度減少”“回車確定”4個功能。采用獨立式連接，在軟件中只需要進行I/O口的掃描判斷，實現方法簡單。該部分程序流程如圖10所示。

圖10　按鍵掃描程序流程圖

2.3　數字PID調光程序

為保證LED光源模組以用戶設定的強度值發光并保持恒定，調光算法采用閉環控制方式，由光強傳感器反饋亮度值采用數字PID算法[12]。根據擴充臨界比例度PID參數整定法，結合Ziegler-Nichle條件可得

ΔP(k)=KP[2.45E(k)-3.5E(k-1)+

1.25E(k-2)]

(2)

其中，E(k)、E(k-1)和E(k-2)為最近3次采樣后算得的偏差值；KP為歸一化控制參數。

在程序中，預置3個緩存單元，每采樣得到1個新的偏差值，替換先前的偏差值。根據式(2)，對最近的3次采樣偏差值進行運算，即可得到控制增量ΔP(k)。在本調節器中，光照強度的采樣周期定制為200ms，程序流程如圖11所示。

圖11　PID調光程序流程圖

3　光照調節器運行測試

將本調節器放置于廣州市從化區街口鎮的從化華隆果菜保鮮有限公司的藍莓種植大棚內進行試驗，安裝示意圖如圖12所示。LED光源模組固定在藍莓大棚頂架上，光路垂直向下；光照強度傳感模塊水平放置在該區域的藍莓冠層頂部上，與光源的垂直距離約2m。

圖12　光照調節器安裝示意圖

3.1　PID參數整定

為得到效果較優的控制參數Kp，人為調節溫室大棚內日光燈的通和斷，測試光照調節器對階躍信號的響應時間。開啟日光燈后恢復到預設的亮度值(200 Lux)所用的時間，使用HT-860型照度計測量光照強度并用秒表計時。試驗重復3次，PID控制參數調整實驗數據如表2所示。

表2　PID控制參數調整實驗數據

KP>0.8時，不能進行正常的控制。

由表2可以看出：KP的最佳值為0.7，精度為10-1。另外，KP精度和采樣周期的長短都會影響PID控制的品質。

3.2　恒流源電流顯示精度測試

光照調節器上電后，通過按鍵設定電流的輸出值，以約50mA的步進幅度遞增，記錄顯示屏上顯示的對應DAC轉換輸出值的電流大小。通過外部電流表檢測電流源輸出電流的大小來進行對比，統計數據如表3所示。

表3中的最大相對誤差為3.96%，平均相對誤差為2.23%。由此可見，恒流源的電流輸出控制得當，精度較高。

表3　電流顯示精度測試數據

3.3　工作穩定性測試

當工作一段時間，電流外部測量值隨著系統工作時間延長稍有減少，但顯示輸出值基本不變。造成這種誤差的主要原因如下：當系統工作的時間加長時，元器件的溫度不斷上升，雖然比較緩慢，當時間一長，采樣電阻和負載電阻的阻值不斷變大，造成輸出電流減少而采樣電阻兩端的電壓不變。測試的結果如表4所示。

表4　長時間工作電流變化趨勢

結果表明：調節器的工作電流存在溫度漂移現象，是由于相關元器件工作時所產生的熱量排散效果不好所致。為此，擬在后續的改進工作中加入風扇和散熱片等專用散熱器具，以降低溫漂現象。

4　結語

基于數控恒流技術的藍莓光照調節器實現了對溫室大棚內區域光照強度的精確控制，克服了傳統人工調光方式靈敏度低、耗時低效的局限性。測試結果表明：該調節器軟硬件設計合理，具有良好的擴展性，在此基礎上可以掛接更多傳感器模塊，實現對藍莓大棚的溫度、濕度和空氣成分等更多參數的檢測和監控，能較好地滿足大棚內藍莓生長發育的光照補償需要，并具有使用靈活、安裝簡便和成本低廉的特點。該設計方案不僅能應用在藍莓大棚光照強度監控領域，還可以推廣到其它照度監控領域，為實現最終的藍莓光照按需供給及其它溫室大棚全方位智能監控提供了技術參考。