基于LED光源的温室光环境监测与控制系统设计

摘要：为了降低照明能耗费用及多层立体式培养的需求，提出了一种基于LED光源的智能温室光环境监测与控制系统设计方案，并完成系统的软硬件设计。该系统通过MCU进行控制来改变温室的光环境。系统监控采用Labview进行编程，完成对其参数的实时监测。实际应用表明，该系统具有操作简便、检测准确的特点，具有很强的实用性和推广性。
关键词：智能温室；光照度；串口通信；实时监测

0 引言
LED作为新一代光源，除了环保节能的特点外，相较于目前农业领域常用的荧光灯或高压钠灯等人工光源，具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等优点，对封闭有环控的农业生产环境，如植物组织培养室等是一种非常适合的人工光源。对温室中植物生长的光环境参数准确监测及控制非常重要，为了实现对光环境参数的准确检测及智能控制，在做了需求分析的基础上，提出并设计了一种基于LED光源的温室光环境监测与控制系统(以下简称“监测与控制系统”)设计方案。该系统能够完成对其光环境准确监测与控制。

1 监控需求分析
LED理想的工作温度通常为25℃。在该温度时，发光强度具有最大值。温度升高，则导通电流将相应地增加。过热的短期影响是颜色漂移，这种颜色漂移是不可逆的。过热的长期影响是发光强度和LED寿命的永久降低。针对为满足温室光环境参数进行监测与控制的需求，结合植物对LED光源的光合作用的关系，经过分析得到光环境监测与控制的主要参数：LED光源的光照度信号、光源板中央温度等信号。要想完成信号的监测与控制，要从三个方面入手：首先该监测与控制系统应能采集处于各种状况的输入参数，并检测系统的输出信号，判断出温室在各种状态下是否按要求工作；其次，应能将检测的数据与PC机通信；再次，还应具有将数据显示和存储，并将数据处理后控制温室光环境的功能。

2 总体设计
本监测与控制系统结构如图1所示，系统主要由上位机、MCU数据采集单元及执行机构3部分组成，在对温室光环境参数的监测过程中，通过各传感器对温室内光源板温度和光照度等参数进行实时检测，监测各参数是否正常。采集的数据经转换后送入单片机，完成数据采集：STC12C5A60S2单片机为核心控制器，PC机与Labview软件作为监控模块，两者通过RS232串口进行通信，借助温室环境数据(光照度、LED光源板中央温度)，构筑温室光环境的监测与控制系统。

3 系统硬件设计
监测系统硬件主要由RS232串行通信接口电路、STC12C5A60S2控制器、LED阵列光源模块、LED驱动电路、DS18B20光源板温度采集电路和TSL2561光照度参数采集电路等组成。为实现温室光环境调控，需要实时自动采集温室光照度与LED温度，反馈给控制器。控制器根据设定值的照度，调节LED驱动电路PWM的占空比，进而调节流过LED的正向电流，使温室光照度近似等于设定值，最终达到照度的调控。同时，控制器根据光源板反馈的温度值与设定值比较，当温度超过设定值时启动降温风扇。对于系统LED光环境调控的原理如图2所示。

3．1 LED阵列光源板
理想情况下，单个LED光源的光强分布是观察角度的余弦函数。实际上，由于封装和芯片形状的原因，LED的光强分布不是一个理想的余弦分布，该分布可以表示为式(1)，照度的实际近似分布应该为式(2)：

式(1)和(2)中，θ是观察角，I0(单位：cd)表示法线方向上的最大光强，E0(单位：Lx)是轴向与LED距离为r处的照度值。m值为一常数(可查LED技术手册)。