基于嵌入式的植物生長補光燈設計

李秋紅 ，范世坤 ，牟向陽 ，姚永革

（山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

光是植物的生命之源，是植物生長發育不可缺少的條件之一。研究發現，植物生長所需的有效光譜范圍在380 nm～760 nm之間，主要吸收紅光和藍光[1-2]，并且不同植物或同一植物在不同時刻所需的光源比例也是不同的[3-4]，僅靠自然光有時不能滿足植物的生長需要，所以利用人工光源補光成為植物補光的一種有效手段。人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、鹵素燈、白熾燈等，其最突出的特點就是能耗高，所以嚴重制約了用人工光源進行植物補光的發展[5-6]。但隨著LED技術的出現，LED燈不僅節能環保，還具有光量、光質可調等優點。因此，LED燈在植物補光中得到了大力推廣和應用[7-9]。目前，市面上推廣的補光燈多數為單色光源，植物補光模式單一，無法很好地滿足植物特定生長的需要。基于此，本研究以STM32單片機和LED燈為核心，設計了一款多光源、動態補光燈，該補光燈可實現高效、低能耗補光。

1 系統硬件設計

1.1 系統硬件整體設計

本研究設計的植物生長補光燈系統硬件整體設計框架如圖1所示，該系統主要由主控模塊、檢測模塊、驅動電路模塊、補光模塊、降溫模塊和人機交互模塊六部分組成。主控模塊選用STM32系列單片機，可以實現對數據的接收、分析處理與輸送；檢測模塊可以實現對周圍光環境的檢測和對LED基板溫度的檢測；驅動電路模塊預設三路，接收不同的PWM信號分別獨立運作，可以實現不同燈光的獨立調控；補光模塊中三色補光可以實現對植物的補光，紫外光燈可以實現紫外滅蟲；降溫模塊通過散熱扇來實現，當溫度過高時，啟動散熱扇對LED基板進行降溫。顯示屏、蜂鳴器和按鍵三部分統稱為人機交互模塊，顯示屏用于顯示采集的各種光強度和基板溫度；當顯示數據過多時，可以通過按鍵對顯示數據進行翻頁；當基板溫度過高或檢測值不滿足要求時，會啟動蜂鳴器進行報警，人機交互模塊為直觀了解光環境的變化和系統運行方式提供了諸多便利。

圖1 系統硬件整體設計框架圖

1.2 主控模塊

目前，市面上單片機的種類繁多，結合本設計功能需求，主控模塊選用STM32F103C8T6芯片。該芯片是一款基于ARM Cortex-M內核的32位微處理器，擁有豐富的引腳、處理能力強、運行速度快，不僅應用廣泛，而且價格低廉[10]。由于本設計中的功能模塊較多，對I/O接口的需求量大，因此選用STM32F103C8T6芯片更能滿足本設計需求，該芯片的最小系統硬件電路如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6芯片最小系統硬件電路圖

1.3 檢測模塊

1.3.1 光檢測模塊

本設計選用RGB檢測傳感器和遠紅外火焰傳感器組合對植物周圍的光強進行檢測，如圖3所示。其中，RGB檢測傳感器負責檢測光環境中的紅、藍光強度，對應的硬件電路如圖3（a）所示，選用的傳感器型號為BH1745NUC，是一款數字色彩傳感器，具有I2C總線接口，靈敏度高，檢測動態范圍寬；遠紅外火焰傳感器負責檢測光環境中的遠紅光強度，對應的檢測電路如圖3（b）所示，該檢測電路可檢測的波長范圍為700 nm～1 000 nm，檢測角度為60°，當紅外光的波長接近880 nm時，檢測靈敏度最高。

圖3 RGB檢測和遠紅外火焰傳感器檢測電路

1.3.2 溫度檢測模塊

補光燈長時間工作必然會使LED基板溫度升高，嚴重時會影響補光系統的壽命和穩定性。為了減緩補光燈壽命的衰減速度，提高系統的穩定性，在LED基板周圍增設了低功耗的溫度檢測模塊，檢測元件采用NTC熱敏電阻，對LED基板的溫度進行實時監測，LED基板溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 LED基板溫度檢測電路

1.4 驅動電路模塊

本設計中驅動電路模塊分為三部分，分別對紅光LED燈、藍光LED燈和遠紅光LED燈進行驅動，驅動電路如圖5所示。根據接收的不同占空比信號，通過MOS管，實現獨立控制調節三色燈光。

圖5 驅動電路

1.5 補光模塊

補光模塊采用以7×7陣列排布方式，由8個紅光LED燈、8個藍光LED燈、4個遠紅光LED燈和1個紫外光LED燈組成，可實現紅光、藍光、遠紅光的補光功能和紫外光滅蟲功能。LED燈的燈光排版設計如圖6所示，該模塊中不同色源燈的電路設計采用同色光源串聯、異色光源并聯的連接方式。對應的補光燈電路如圖7所示，通過相應驅動電路，實現四色獨立控制。

圖6 燈光排版設計圖

圖7 補光燈電路

1.6 降溫模塊

本設計在LED基板下方加裝了降溫模塊，該模塊主要由散熱扇組成，散熱扇驅動電路如圖8所示。當溫度檢測模塊檢測到基板溫度高于50 ℃時，啟動散熱扇進行降溫。

圖8 散熱扇驅動電路

1.7 人機交互模塊

該模塊由12864液晶顯示屏子模塊、按鍵子模塊和蜂鳴器子模塊組成，人機交互模塊電路如圖9所示。通過12864液晶顯示屏可以顯示檢測的光照強度、LED基板溫度值；按鍵可以實現翻頁；當LED基板溫度高于50 ℃或檢測值不滿足要求時，會啟動蜂鳴器進行報警。

圖9 人機交互模塊電路

2 系統軟件設計

該系統設計的補光燈可以實現對植物的動態補光，通過光檢測模塊可以實現對植物周圍光環境中的三色光照強度進行獨立檢測，將檢測到的光強度值與植物在不同時刻的需求值進行比較，分別計算出補光燈所需的補光量，再根據計算值自動選擇補光燈的工作模式，輸出不同占空比的PWM信號。驅動電路模塊根據接收到的PWM信號控制補光模塊，實現對植物的精準定量補光。同時，對植物周圍光環境中的各色光強度進行再次檢測，根據檢測結果判斷是否達到要求，以此循環往復運作，保證光照充足，補光功能流程如圖10所示。在補光過程中，紫外光燈啟動工作，提供適量紫外線進行滅蟲，同時啟動溫度檢測模塊，實時檢測LED基板溫度，當溫度高于50 ℃時，啟動散熱扇進行降溫。在補光的過程中，檢測到的光強、溫度等數據會實時顯示在液晶顯示屏上。此外，當檢測值不滿足要求時，會啟動蜂鳴器進行報警。

圖10 補光功能流程

3 系統調試

本研究按照先部分后整體的順序進行系統調試，調試過程中使用3種不同的單色光源照射檢測模塊，其顯示數值會有明顯變化，補光燈模塊中各色燈會根據主控模塊計算出的補光值進行正常調節，且反應迅速。溫度檢測模塊會進行實時測溫，使用單熱源靠近溫度檢測模塊，該模塊反應迅速。當溫度高于50 ℃時，會啟動蜂鳴器和散熱扇；當溫度低于27 ℃時，散熱扇停止散熱，蜂鳴器停止報警。植物在不同時刻對光源的需求不同，為了實現高效、低耗能補光，對補光燈設計了3種補光模式，分別為連續、閃爍、間斷補光，環境中光強度值及補光模式如表1所示。

表1 環境中光強度值及補光模式

為了驗證本設計的可行性，通過紅色光源照射來模擬紅光充足情形，檢測模塊檢測到此時的紅光強度值高于3 500 lux，說明紅光充足，不需補紅光，紅光LED燈熄滅停止補光，其他LED燈根據檢測條件繼續工作。紅光充足時和紅、藍光不足時的調試結果分別如圖11和圖12所示。

圖11 紅光充足時的調試結果

圖12 紅、藍光不足時的調試結果

4 總結

本設計以STM32單片機為控制核心，利用RGB檢測傳感器和遠紅外火焰傳感器實現三色光獨立檢測，單片機對檢測到的三色光強度值進行分析，計算出各色補光值，輸出不同的PWM信號，驅動不同的補光模塊實現精準定量補光。研究結果表明，該補光燈操作簡單、功耗低、性價比高，應用前景廣闊。