基于LED紅藍組合光源的蔬菜貯藏保鮮系統

麥強

東莞職業技術學院電子與電氣工程學院（東莞 523808）

蔬菜作為我國第一大農產品，是日常中不可缺少的食物之一，但由于貯藏保鮮技術落后，蔬菜采后在運輸和銷售過程中損失率達到30%，嚴重制約中國蔬菜發展[1-3]。由于蔬菜采后呈鮮活狀態，內部組織仍然會進行蒸騰作用、呼吸作用等新陳代謝運動，蔬菜的感官和食用品質會隨采后保鮮時間的增長而逐漸減低。為延緩蔬菜的衰老，目前主要采用物理保鮮技術、化學保鮮技術和生物保鮮技術三大類。其中，物理保鮮技術由于無毒無殘留、操作方法簡單，被廣泛應用。試驗主要采用低溫高濕保鮮方法，通過0～5 ℃冷庫環境延長蔬菜保鮮期。但由于冷庫體積大、能耗高、價格高昂、移動不方便等問題，難以得到普通菜農和菜販的廣泛采用。

光照在蔬菜生長發育過程中具有重要的作用，還會影響采后蔬菜的新陳代謝。將光照引入蔬菜的貯藏保鮮環境中，使蔬菜進行光合作用，維持蔬菜品質，延緩衰老，延長貨架期。近年來研究發現光照波長、光配比、光強及均勻性對蔬菜的貯藏保鮮有一定影響。

隨著人工光源LED技術快速發展，LED光源具有高光能利用率、單色性好、節能等優點，使其在植物工廠領域應用備受關注。LED光源能精確控制波長、光配比、光強等參數，與自動化控制、傳感器技術相結合實現對植物生長環境的精確控制與監測。近幾年，興起研究紅藍組合LED光源對蔬菜生理活動的影響機理，為光照條件對蔬菜貯藏保鮮提供重要依據。因此，對由LED紅藍組合光源構成的蔬菜貯藏保鮮系統進行介紹，對系統的光強均勻性進行測定，確保光源滿足蔬菜保鮮需求。

1 系統總體設計

1.1 系統的結構組成

蔬菜貯藏保鮮系統由單片機系統、傳感器系統、LED紅藍組合光源控制系統、濕度控制系統構成。系統結構框圖如圖1所示。

整套系統以單片機系統為核心，通過傳感器系統檢測溫濕度數據，并根據人機交互系統中用戶設置的參數，對環境控制系統進行控制。環境控制系統由LED紅藍組合光源控制系統、濕度控制系統構成。LED光源通過PWM控制460 nm及660 nm LED輸出光通量，并根據不同參數要求設置不同光配比。濕度控制系統根據AM2301溫濕度傳感器采集到的數據，根據設置參數要求，利用PID算法調節環境濕度的高低。

1.2 設備系統工作過程

用戶通過在人機交互系統設置貯藏保鮮蔬菜的品種，并啟動設備。單片機系統根據選定蔬菜設置相應的參數，根據傳感器采集到的數據，對環境進行控制。

環境控制系統的工作過程中，單片機系統根據傳感器數據動態調節環境光強與濕度。在LED紅藍組合光源控制過程中，利用帶濾光的PIN光電二極管對紅藍環境光進行檢測，單片機系統根據檢測到的數據，通過驅動電路調整紅藍光的光強；在濕度控制過程中，利用溫濕度傳感器檢測環境濕度，如果實際的濕度環境低于蔬菜保鮮所需，則啟動超聲波霧化器，通過風扇將水汽吹進貯藏區域，提高環境濕度；當濕度滿足要求時，則關閉加濕系統。

2 系統硬件設計

2.1 單片機系統

系統采用STC15F2K60S2單片機，通過單片機的獨立按鍵和液晶屏實現人機交互功能；利用I/O連接的繼電器控制各系統的電源通斷；通過I/O輸出PWM信號到DD311驅動芯片的使能端口，控制各路LED輸出的光通量；利用AD模數轉化讀取PIN光電傳感器檢測到的光強信號；利用單線制串行方式讀取環境濕度參數。

2.2 濕度控制系統

溫度控制系統由AM2301溫濕度傳感器檢測環境數據，利用串口通信發送給單片機，單片機采用PID算法控制繼電器啟動或關閉超聲波霧化器和風扇，實現對濕度控制作用。

2.3 LED光源系統

LED光源系統采用460 nm及660 nm波長的高亮度單色LED燈珠，采用DD311電流驅動芯片，通過PWM調節芯片輸出電流大小。系統由4條LED燈具構成，每條燈具上各有2路460 nm和660 nm LED，每一路由6顆燈珠串聯構成，每路LED間采用并聯方式。LED光源系統電路如圖2所示。

3 系統軟件設計

系統軟件控制流程為：設備開機后系統進行初始化，初始化保鮮參數、傳感器參數等；初始化后設備等待用戶在人機交互界面選擇蔬菜品種及啟動指令，系統進入自動工作狀態；單片機接收溫濕度傳感器實時采集的環境數據，與設置蔬菜保鮮參數進行對比，判斷是否啟動或關閉增濕程序，并將采集到的溫濕度數據在液晶屏顯示；單片機根據PIN光電傳感器檢測到光強數據與紅藍光配比進行比較，通過PWM調節LED紅藍光源光強。系統軟件控制流程圖如圖3所示。

圖2 LED光源系統電路

圖3 系統軟件控制流程圖

4 功能性驗證

4.1 系統光均勻性研究

LED光源由紅藍光源組合構成。通過采用遠方SPIC-200光譜儀對光源波長進行分析，如圖4和圖5所示，紅光波峰對應的波長為660 nm，藍光波峰對應的波長為460 nm，均為理想的紅藍光源。

為探究不同光強照射均勻性特性，在接收平面上均勻布置16個光強測試點，如圖6所示。調節LED紅藍光輸出量，3種光強接收平面上不同點處光強如表1所示。光強1的最大與最小光強值相差1 μmol/（m2·s），光強2和光強3的最大與最小光強值相差3 μmol/（m2·s）。在不同光強照射下，整體光強分布均勻性好。

圖4 紅光LED相對光譜曲線

圖5 藍光LED相對光譜曲線

圖6 光強測試點分布

表1 不同光強下接收平面光強分布

4.2 系統光通量控制結果

LED光源系統采用PWM控制紅藍光LED的光量子通量密度。測量不同PWM值對應2種波長的LED光量子通量密度。運用MATLAB對測量數據擬合曲線，并得出曲線的函數表達式。PWM值與460 nm和660 nm LED光通量折線圖如圖7所示。

圖7 PWM占空比與460 nm和660 nm LED光量子通量密度變化折線圖

擬合得到PWM占空比與460 nm LED光量子通量密度變化曲線函數表達式：g（x）=-0.000 321 6x2+0.815 6x-0.396 8。

PWM占空比與660 nm LED光量子通量密度變化曲線函數表達式：f（x）=（-6.497e-05）x3+0.013 17x2+0.111 9x+7.757。

基于PWM值與LED光量子通量密度的函數關系，可得到PWM控制LED輸出光通量算法b。根據蔬菜貯藏保鮮光環境參數，采用算法b可輸出相應要求的LED光通量。

4.3 設備濕度控制測試結果分析

濕度控制系統的控制同樣采用增量式PID算法控制增濕操作的通斷，根據溫濕度傳感器采集設備內實際的濕度變化數據，控制設備內的濕度。對系統進行濕度控制功能試驗，得到其濕度隨時間變化曲線，如圖8所示。

圖8 濕度隨時間變化曲線

由試驗測試結果可知，實際濕度增加30%時，用時440 s，設備能有效控制濕度，其濕度控制情況適宜植物生長發育所需。

5 結論

通過對紅藍光波長進行測試，波峰為460 nm和660 nm具有良好的單色性，并在不同光強照射下光強分布均勻，光量子通量密度在8～80 μmol/（m2·s）范圍內精確控制，濕度調節響應速度快，系統為蔬菜貯藏保鮮提供有效光環境。