李晉蒲 曹瑞紅 趙建貴 等 基于 LoRa 的溫室智能補(bǔ)光系統(tǒng)研制 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 48 5 198 204 doi 10 15889 j issn 1002 1302 2020 05 042 基于 LoRa 的溫室智能補(bǔ)光系統(tǒng)研制 李晉蒲 曹瑞紅 趙建貴 高安琪 韋玉翡 李志偉 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 山西晉中 030801 摘要 由于天氣的影響 溫室作物面臨著光照不足 時(shí)間短且不均勻的問(wèn)題 針對(duì)此現(xiàn)象研制了溫室智能補(bǔ)光系 統(tǒng) 該系統(tǒng)包括環(huán)境因子的采集器與控制 LED 亮度的補(bǔ)光器 2 個(gè)部分 均采用高速 低功耗的 STM32 核心處理器 利 用 LoRa 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)采集器與補(bǔ)光器之間的數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng)獲取光照 溫度 CO 2 環(huán)境等數(shù)據(jù) 并依據(jù)基于遺傳學(xué)算 法優(yōu)化后的溫室作物補(bǔ)光數(shù)學(xué)模型和作物所需最佳紅藍(lán)光閾值 對(duì)溫室內(nèi)的作物自動(dòng)補(bǔ)光 補(bǔ)光器采用節(jié)能且使用壽 命長(zhǎng)的紅藍(lán)燈相結(jié)合的 LED 點(diǎn)陣 試驗(yàn)結(jié)果表明 本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境因子并獲取環(huán)境數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi) 的自動(dòng)化補(bǔ)光 具有實(shí)用價(jià)值 關(guān)鍵詞 溫室 LoRa LED 點(diǎn)陣 智能補(bǔ)光 中圖分類(lèi)號(hào) S625 5 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 1302 2020 05 0198 07 收稿日期 2019 11 25 基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 編號(hào) 2017YFD0701501 山西省研究 生教育創(chuàng)新項(xiàng)目 編號(hào) 2019SY201 作者簡(jiǎn)介 李晉蒲 1994 女 山西晉城人 碩士研究生 研究方向 為農(nóng)業(yè)工程 農(nóng)業(yè)電氣化及信息化 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) E mail 807349720 qq com 通信簡(jiǎn)介 李志偉 博士 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事計(jì)算機(jī)控制技 術(shù) 智能農(nóng)業(yè)裝備和生物環(huán)境測(cè)控技術(shù)研究 E mail lizhiweitong 163 com 光是綠色植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ) 是植物生 長(zhǎng)發(fā)育的必要前提 1 受冬季天氣的影響 溫室環(huán) 境并不能給作物提供充足的光照 致使其長(zhǎng)期處于 弱光狀態(tài) 發(fā)育與生長(zhǎng)速度緩慢甚至停止 因此 設(shè)計(jì)一套溫室補(bǔ)光系統(tǒng)是極有必要的 溫室內(nèi)還 存在光照不均勻的現(xiàn)象 為了使溫室作物達(dá)到最佳 的生長(zhǎng)環(huán)境 需要進(jìn)行多區(qū)域監(jiān)測(cè) 傳統(tǒng)有線傳輸 存在布線困難 維護(hù)性差的問(wèn)題 而傳統(tǒng)的無(wú)線傳 輸距離較短 功耗大 綜合以上 2 點(diǎn) 系統(tǒng)采用新型 無(wú)線 LoRa long range 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 LoRa 不 僅傳輸距離遠(yuǎn) 成本低 而且還極大地改善了接收 的靈敏度 大大降低了功耗 發(fā)光二極管 LED 相 對(duì)于傳統(tǒng)補(bǔ)光燈來(lái)說(shuō) 具有光譜特性明顯 電光轉(zhuǎn) 化效率高 易調(diào)光 工作電壓低 發(fā)光均勻穩(wěn)定和壽 命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) 2 4 以 LED 為主要補(bǔ)光設(shè)備為溫室 內(nèi)的作物提供充足的光源 不僅可以滿足溫室作物 生長(zhǎng)所需的光質(zhì) 并且功耗低 價(jià)格低廉 5 現(xiàn)有 補(bǔ)光算法大體分為 2 種 一種是基于凈光合速率的 補(bǔ)光數(shù)學(xué)模型 另一種是直接根據(jù)作物所需最佳光 照進(jìn)行補(bǔ)光 6 7 兩者都不能根據(jù)實(shí)際環(huán)境因子給 予作物最佳補(bǔ)光數(shù)據(jù) 針對(duì)這種現(xiàn)象 系統(tǒng)以番茄 為例 根據(jù)實(shí)際環(huán)境中溫度和 CO 2 濃度 采用了基 于遺傳學(xué)算法的溫室作物補(bǔ)光數(shù)學(xué)模型 可以更加 精準(zhǔn)地提供補(bǔ)光數(shù)據(jù) 系統(tǒng)分為環(huán)境因子的采集器與控制 LED 亮度 的補(bǔ)光器兩大部分 采集器主要是進(jìn)行多區(qū)域監(jiān) 測(cè) 采集溫室內(nèi)不同區(qū)域的光照 溫度和 CO 2 濃度 等信息 并將這些信息傳輸給補(bǔ)光器 補(bǔ)光器依據(jù) 基于遺傳學(xué)算法優(yōu)化后的溫室作物補(bǔ)光數(shù)學(xué)模型 對(duì)采集器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 得出該區(qū)的最佳光 照 并與實(shí)際情況對(duì)比從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的精準(zhǔn) 補(bǔ)光 本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的補(bǔ)光系統(tǒng)相比 區(qū)別在于可 以依據(jù)溫室內(nèi)不同區(qū)域環(huán)境的差異和優(yōu)化后基于 遺傳學(xué)算法的溫室作物補(bǔ)光數(shù)學(xué)模型 分區(qū)域進(jìn)行 特定補(bǔ)光 不僅解決了溫室內(nèi)光照不均勻的狀況 還能依據(jù)溫室不同作物的補(bǔ)光閾值 實(shí)現(xiàn)多種作物 的精準(zhǔn)補(bǔ)光 耗能低 實(shí)用性更強(qiáng) 8 1 基于遺傳學(xué)算法的溫室作物補(bǔ)光數(shù)學(xué)模型以及 優(yōu)化 溫室內(nèi)部光照不均勻的問(wèn)題普遍存在 因此對(duì) 于溫室內(nèi)不同區(qū)域的作物進(jìn)行同等強(qiáng)度的補(bǔ)光顯 然是不可取的 本系統(tǒng)采用補(bǔ)光模型 針對(duì)溫室不 同區(qū)域的環(huán)境因子實(shí)現(xiàn)分區(qū)補(bǔ)光 9 現(xiàn)有遺傳學(xué) 算法尋優(yōu)目標(biāo)值模型 根據(jù)不同溫度以及 CO 2 濃度 891 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 來(lái)探尋番茄的最優(yōu)光合速率 基于此獲得相應(yīng)條件 下的光子通量密度 也就是相應(yīng)條件下的光飽和 點(diǎn) 然后利用多元回歸的方法 通過(guò)對(duì)不同的溫度 以及 CO 2 濃度與相應(yīng)條件下的光飽和點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù) 擬合 生成了以溫度和 CO 2 濃度為輸入 光飽和點(diǎn) 為輸出的光環(huán)境目標(biāo)值模型 10 模型如式 1 所示 I LSP 32 57 75 58T 0 461 7C 1 202T 2 0 004 15TC 0 000 097 3C 2 1 式中 I LSP 表示作物的光飽和點(diǎn) mol m 2 s T 表 示溫室內(nèi)的溫度 C 表示溫室內(nèi) CO 2 的質(zhì)量分 數(shù) mg kg 系統(tǒng)采用該遺傳算法尋優(yōu)目標(biāo)值模型作為補(bǔ) 光模型 但由于此模型所針對(duì)的環(huán)境與本系統(tǒng)所 針對(duì)的環(huán)境并不完全一致 在此對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整 根據(jù)本系統(tǒng)所針對(duì)的溫室環(huán)境以及對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的 整理和計(jì)算 對(duì)式 1 優(yōu)化處理 調(diào)整后的模型如式 2 所示 對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分析 其確定系數(shù) R 2 為 0 982 表明該模型具有良好的擬合成效 對(duì)模型進(jìn) 行驗(yàn)證 得出模型具有良好的測(cè)試精度和適用性 光飽和點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值最大相對(duì)誤差不超 過(guò) 5 I LSP 33 63 74 23T 0 451 9C 1 113T 2 0 003 27TC 0 000 106 4C 2 2 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 溫室智能補(bǔ)光系統(tǒng)包括采集器與補(bǔ)光器兩大 部分 采集器由若干個(gè)采集區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)各區(qū) 域光照度 溫度以及 CO 2 濃度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集 由于是分區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 有線傳輸布線困難 本系統(tǒng)通過(guò) LoRa 無(wú)線單元將采集器各區(qū)數(shù)據(jù)信息 分別發(fā)送至補(bǔ)光器 補(bǔ)光器依據(jù)數(shù)學(xué)補(bǔ)光模型計(jì)算 出各區(qū)該溫度與 CO 2 濃度條件下溫室作物所需最 佳光強(qiáng) 與該區(qū)實(shí)時(shí)光照數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 再依據(jù)紅 藍(lán)光配比給定閾值 11 紅藍(lán)光配比如表 1 所示 通 過(guò)脈沖寬度調(diào)制 PWM 控制補(bǔ)光燈的亮暗程度 達(dá) 到分區(qū)智能補(bǔ)光的效果 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 表 1 幾種常見(jiàn)溫室作物紅藍(lán)光配比 作物 紅藍(lán)光配比 番茄 2 1 生菜 6 1 黃瓜 7 1 草莓 4 9 1 3 硬件設(shè)計(jì) 3 1 采集器 采集器由電源模塊 核心處理單元 LoRa 無(wú)線 單元 OLED 屏以及多個(gè)采集區(qū)組成 每個(gè)采集區(qū)又 包括光照單元 溫度監(jiān)測(cè)單元 CO 2 濃度監(jiān)測(cè)單元 3 個(gè)部分 光照監(jiān)測(cè)單元采用 GY 30 與 ISL29020 這 2 種傳感器結(jié)合 主要用于監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的光照度 和紅藍(lán)光強(qiáng) 溫度監(jiān)測(cè)單元采用高精度的 DS18B20 測(cè)量范圍為 55 125 精度為 0 5 12 實(shí)時(shí) 991 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的溫度 CO 2 濃 度 監(jiān) 測(cè) 單 元 采 用 S80053 CO 2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi) CO 2 濃度的變化 其 測(cè)量 范 圍 為 0 10 000 mg kg 測(cè) 量 精 度 達(dá) 到 40 mg kg OLED 屏主要用來(lái)顯示溫室內(nèi)的環(huán)境 數(shù)據(jù) 3 1 1 電源模塊 溫室中智能補(bǔ)光系統(tǒng)需要電源 模塊為其供給能量 因此電源模塊是其不可或缺的 一部分 本系統(tǒng)有相應(yīng)的電源接口 可用電源適配 器直接為系統(tǒng)供電 由于 STM32F103CBT6 芯片的 額定工作電壓為 3 3 V 部分傳感器的額定工作電 壓為 5 V 所以在電源模塊中必須進(jìn)行降壓處理 降壓處理分為 2 個(gè)部分 一是以 12 V 為輸入電壓 使用 AMS1117 5 0 穩(wěn)壓器先將電壓降為 5 V 可以 為部分傳感器提供電能 二是以 5 V 為輸入電壓 使 用 AMS1117 3 3 穩(wěn)壓器將電壓降為 3 3 V 從而為 STM32F103CBT6 芯片提供電源 電源模塊的電路 原理如圖 2 所示 3 1 2 核 心 處 理 單 元 核心處理單元以 STM32F103CBT6 為 核 心 處 理 器 處 理 速 度 達(dá) 到 72 MHz 引腳資源 48 個(gè) GPIO 口 37 個(gè) IIC 通信接 口 2 個(gè) 滿足設(shè)計(jì)需求 STM32F103CBT6 以主流的 Cortex 為內(nèi)核 性能極高 一流的外設(shè)以及低功耗的 特性 使其應(yīng)用起來(lái)更加方便 對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō) STM32F103CBT6 芯片完全滿足設(shè)計(jì)需求 3 1 3 LoRa 無(wú)線單元 無(wú)線單元需選用耗能低 遠(yuǎn)距離傳輸 抗干擾能力強(qiáng)的模塊 表 2 為幾種無(wú)線 通信的對(duì)比 綜合分析 該系統(tǒng)采用的無(wú)線模塊其 射頻芯片 SX1278 主要采用 LoRa TM 遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào) 器 以結(jié)合高效的循環(huán)交錯(cuò)糾錯(cuò)編碼算法 13 LoRa 工作電流為 12 mA 左右 休眠電流為 200 nA 其傳 輸距離遠(yuǎn)高于其他無(wú)線通訊 普通環(huán)境下的傳輸距 離能夠達(dá)到 3 000 m 抗噪能力強(qiáng) LoRa 的擴(kuò)頻因子 可以達(dá)到 6 12 表 2 無(wú)線通信技術(shù)的對(duì)比 性能指標(biāo) LoRa ZigBee BlueTooth Wi Fi GSM CDMA2000 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) 無(wú) 802 15 4 802 15 1 802 11b TIA 通信距離 1 20 km 10 2 000 m 10 m 100 m 10 km 以上 通信速率 300 kb s 250 kb s 10 kb s 11 Mb s 2 Mb s 低功耗 超低 支持 不支持 不支持 不支持 頻段 137 1 050 MHz 2 4 G 868 M 915 MHz 2 4 GHz 2 4 GHz 800 900 1 800 1 900 MHz 系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 采集器和補(bǔ)光器通過(guò) 主動(dòng)喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗策略 采 集器通過(guò)定時(shí)器將 LoRa 喚醒 對(duì)補(bǔ)光器下達(dá)命令 采集器開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸 完成后進(jìn)入休 眠狀態(tài) LoRa 調(diào)制解調(diào)器使用隱式和顯式的數(shù)據(jù) 包傳輸格式 13 LoRa 數(shù)據(jù)包格式如表 3 所示 表 3 LoRa 數(shù)據(jù)包格式 前導(dǎo)碼 報(bào)頭 CRC 顯示模式下 有效負(fù)載 負(fù)載 CRC 002 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 LoRa 數(shù)據(jù)包的傳輸周期涵括了發(fā)送前導(dǎo)碼周 期 T preamble 和報(bào)頭及有效負(fù)載的傳輸周期 T payload 前 導(dǎo)碼傳輸周期如式 3 所示 T preamble n preamble 4 25 T s 3 式中 n preamble 表示前導(dǎo)碼長(zhǎng)度 需在軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè) 置 T s 表示 LoRa 符號(hào)速率 根據(jù)軟件設(shè)置的信號(hào)擴(kuò) 頻因子 SF 編碼率 CR 及信號(hào)帶寬 BW 得到 計(jì)算公式為 T s 2 SF BW 4 對(duì)于數(shù)據(jù)包報(bào)頭和有效負(fù)載周期的計(jì)算 首先 確定符號(hào) n payload 的數(shù)目 計(jì)算公式為 n payload 8 max ceil 8PL 4SF 28 16CRC 20IH 4 SF 2DE CR 4 0 5 式中 PL 是有效負(fù)載字節(jié)數(shù) SF 指擴(kuò)頻因子 IH 1 是禁止報(bào)頭 IH 0 是使能報(bào)頭 DE 1 是開(kāi)啟低速 率優(yōu)化 DE 0 是無(wú)低速率優(yōu)化 CR 指編碼率 取 值為 1 4 報(bào)頭和有效負(fù)載傳輸周期公式為 T payload n payload T s 6 數(shù)據(jù)包傳輸周期 T packet 公式為 T packet T preamble T payload 7 通過(guò)系統(tǒng)將信號(hào)擴(kuò)頻因子 SF 設(shè)置成 12 編碼 率 CR 設(shè)置成 1 帶寬 BW 設(shè)置成 7 采用自組網(wǎng) 通訊協(xié)議提升無(wú)線傳輸速率 3 1 4 光照監(jiān)測(cè)單元 光照監(jiān)測(cè)單元分為 2 個(gè)部 分 一是以 GY 30 為主 對(duì)溫室內(nèi)整體光強(qiáng)進(jìn)行實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè) 二是以光強(qiáng)傳感器 ISL29020 和紅藍(lán)濾光片 的組合為主 實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)紅光和藍(lán)光光強(qiáng)的監(jiān)測(cè) 14 GY 30 對(duì)環(huán)境的檢測(cè)范圍大 精度高 15 16 利用 GY 30 監(jiān)測(cè)光照度 與補(bǔ)光模型所計(jì)算出的 最佳光照度進(jìn)行對(duì)比 若大于最佳光照度 則關(guān)閉 補(bǔ)光燈 反之 則進(jìn)行補(bǔ)光操作 GY 30 數(shù)字光照 模塊與核心處理單元的互聯(lián) 并由核心處理單元 采集器 通過(guò) LoRa 無(wú)線單元向補(bǔ)光器發(fā)送數(shù)據(jù) 利用 2 個(gè)光強(qiáng)傳感器 ISL29020 分別完成對(duì)紅 光和藍(lán)光的監(jiān)測(cè)和分析 在檢測(cè)紅光時(shí) 使用可使 625 740 nm 范圍內(nèi)紅光透過(guò)的濾光片加在 ISL29020 上 使紅光照射到 ISL29020 從而使其檢 測(cè)紅光 在檢測(cè)藍(lán)光時(shí) 使用可使 400 480 nm 范圍 內(nèi)藍(lán)光透過(guò)的濾光片加在 ISL29020 上 使藍(lán)光照射 到 ISL29020 從而使其檢測(cè)藍(lán)光 11 ISL29020 與采 集器中的核心處理單元相連 通過(guò) LoRa 無(wú)線單元 將獲取的光照度傳輸給補(bǔ)光器 3 2 補(bǔ)光器 補(bǔ)光器由核心處理單元 電源模塊 LoRa 無(wú)線 單元 LED 點(diǎn)陣燈 LED 驅(qū)動(dòng)單元 5 個(gè)部分構(gòu)成 其中 LED 點(diǎn)陣燈 LED 驅(qū)動(dòng)單元組成了若干個(gè)補(bǔ)光 區(qū) 與采集區(qū)一一對(duì)應(yīng) 實(shí)現(xiàn)分區(qū)補(bǔ)光 LED 點(diǎn)陣 燈由紅 藍(lán) 2 種燈組成 10 10 的矩形陣 17 根據(jù) LED 驅(qū)動(dòng)單元的調(diào)節(jié) 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)部作物進(jìn)行補(bǔ) 光的變換 LED 驅(qū)動(dòng)單元主要對(duì)光環(huán)境進(jìn)行調(diào)控 即改變 LED 點(diǎn)陣燈的亮度 將補(bǔ)光器中核心處理單 元發(fā)出的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇箅娏?由此完成光強(qiáng)信 息動(dòng)態(tài)調(diào)控的過(guò)程 可以根據(jù)溫室作物所需最佳光 照量 周期性地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的光強(qiáng) 3 2 1 LED 點(diǎn)陣燈 溫室內(nèi)植物的光合作用以及 生長(zhǎng)發(fā)育所需的主要光質(zhì)是藍(lán)光和紅光 18 有研究 表明 紅光和藍(lán)光組合可以明顯提高番茄的光合速 率 使其加速生長(zhǎng)并改善其品質(zhì) 11 因此 選用紅 藍(lán) 2 種光源組合作為補(bǔ)光光源是比較理想的 基于 上述原因 系統(tǒng)使用紅 藍(lán) 2 種 LED 燈源來(lái)為溫室 中的農(nóng)作物進(jìn)行補(bǔ)光 本系統(tǒng)選用的是超高亮度 LED 圓形燈 11 具體參數(shù)如表 4 所示 表 4 紅 藍(lán) LED 燈的參數(shù) LED 燈 波長(zhǎng) nm 額定電流 mA 帶寬 nm 直徑 mm 發(fā)光強(qiáng)度 cd 紅光 LED 639 10 30 5 22 25 藍(lán)光 LED 462 20 30 5 5 7 由于單顆 LED 燈光照度有限 不足以補(bǔ)充足夠 的光照 在此將多顆 LED 燈進(jìn)行了組合排列 除此 之外 為了使各個(gè)植株可以同時(shí)吸收紅光和藍(lán)光 且使光源均勻 系統(tǒng)采用互相交叉的方式安裝補(bǔ)光 燈 紅燈和藍(lán)燈相互交錯(cuò) 綜合上述 2 點(diǎn) 本系統(tǒng)采 用了 10 10 的矩陣模型 每個(gè)燈四周排布了與其不 一樣的燈 其中 水平與豎直方向上每相鄰兩燈之 間的距離經(jīng)測(cè)驗(yàn)以 2 2 cm 最優(yōu) 具體如圖 3 所示 3 2 2 LED 驅(qū)動(dòng)單元 相對(duì)于其他調(diào)光方式 PWM 調(diào)光擁有絕對(duì)優(yōu)勢(shì) 1 高精度 可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)光 從而使補(bǔ)光效果更佳 2 可使 LED 燈保持在恒流條 件下工作 大大減少了 LED 燈的損壞 提高其使用壽 命 3 顏色一致性好 可以極好地避免 LED 出現(xiàn)色 偏 17 基于上述幾點(diǎn) 以及為了能夠有效地控制紅 藍(lán)補(bǔ)光燈的亮度 系統(tǒng)采用了 PWM 調(diào)光方式 102 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 LED 驅(qū)動(dòng)單元以 PT4115 恒流驅(qū)動(dòng)為核心 搭 配電阻 電容 電感等元器件 構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路 具體 如圖 4 所示 PT4115 恒流驅(qū)動(dòng)通過(guò) DIM 引進(jìn)并直 接接受 PWM 支持 PWM 調(diào)光 此外 可以通過(guò)采 樣電阻 Rs 設(shè)定輸出控制 LED 的最大平均電流 11 電流計(jì)算如式 8 所示 I out 0 1 D R s 8 式中 I out 是控制 LED 的最大平均電流 D 是 PWM 的 占空比 R s 為采樣電阻 驅(qū)動(dòng)電路以及補(bǔ)光燈陣如圖 4 所示 4 軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的采集器和補(bǔ)光器均以 STM32F103CBT6 單片 機(jī) 為 核 心 采 集 器 利 用 GY 30 ISL29020 DS18B20 S8 0053CO2 這 4 種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)環(huán) 境因子的采集 通過(guò) LoRa 無(wú)線單元再將數(shù)據(jù)傳遞給 補(bǔ)光器 通過(guò)補(bǔ)光器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功 能 該系統(tǒng)的程序流程圖如圖 5 所示 首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化 初始化成功后 采集器和補(bǔ)光器均做好準(zhǔn)備 以采集一區(qū)為例 采 集一區(qū)采集當(dāng)前溫室內(nèi)一區(qū)的光照 CO 2 濃度 溫 度 紅藍(lán)光強(qiáng)等信息 并將這些信息通過(guò) LoRa 無(wú)線 單元傳送給補(bǔ)光器 18 補(bǔ)光器的核心處理器接收 到數(shù)據(jù)后 通過(guò)補(bǔ)光模型計(jì)算出一區(qū)作物的最佳光 照度 并與一區(qū)的實(shí)時(shí)光照進(jìn)行對(duì)比 若實(shí)時(shí)光照 度大于或等于最佳光照度 則使補(bǔ)光一區(qū)的燈為 滅 若實(shí)時(shí)光照度小于最佳光照度 則對(duì)比紅藍(lán)光 強(qiáng)是否小于預(yù)先設(shè)定的閾值 根據(jù)閾值與一區(qū)實(shí)際 紅藍(lán)光強(qiáng)的差值 通過(guò) PWM 改變補(bǔ)光一區(qū) LED 點(diǎn) 陣燈亮度 對(duì)溫室內(nèi)光照度進(jìn)行調(diào)整 5 min 后 采 集一區(qū)重新采集數(shù)據(jù) 以此循環(huán) 其他采集區(qū)也依 照采集一區(qū)的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)光 5 結(jié)論 根據(jù)溫室作物在不同溫度 CO 2 濃度的條件下 所需的光飽合度和紅藍(lán)光閾值 本研究設(shè)計(jì)了一種 基于 LoRa 溫室智能補(bǔ)光系統(tǒng) 利用 GY 30 實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)溫室的整體光照情況 根據(jù)補(bǔ)光模型得到實(shí)際光 照度與作物所需最佳光照的差值 核心處理單元通 過(guò)改變 PWM 信號(hào)改變 LED 補(bǔ)光燈的亮度 來(lái)實(shí)現(xiàn) 溫室內(nèi)的精準(zhǔn)補(bǔ)光 19 將該系統(tǒng)置于溫室進(jìn)行運(yùn) 行測(cè)試 結(jié)果表明 LoRa 無(wú)線單元在數(shù)據(jù)發(fā)送與接 收中傳輸良好 基本無(wú)誤與延遲 采集器采集的數(shù) 據(jù)精度比較準(zhǔn)確 基本上完成了對(duì)溫室內(nèi)部環(huán)境的 多區(qū)域監(jiān)測(cè) 補(bǔ)光器能夠根據(jù)數(shù)據(jù)信息發(fā)出 PWM 信號(hào) 準(zhǔn)確調(diào)整 LED 點(diǎn)陣燈的亮度 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室作 物的精準(zhǔn)補(bǔ)光 20 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室作物的自 動(dòng)化補(bǔ)光 并具有良好的穩(wěn)定性 節(jié)約了人力 實(shí)現(xiàn) 了溫室作物高效定量的調(diào)控目的 其功能強(qiáng) 操作 性好 具有成本低 可自動(dòng)補(bǔ)光的優(yōu)點(diǎn) 因此具有一 定的社會(huì)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值 參考文獻(xiàn) 1 朱 舟 童向亞 鄭書(shū)河 基于作物光照需求的溫室光調(diào)控系統(tǒng) J 農(nóng)機(jī)化研究 2016 38 2 192 196 2 程望斌 劉金剛 劉碧籃 等 自適應(yīng) LED 補(bǔ)光照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與研究 J 湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2018 31 4 23 26 3 徐一清 LED 組合光源的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在溫室植物生產(chǎn)中的應(yīng) 用 D 杭州 浙江農(nóng)林大學(xué) 2017 4 付 明 LED 植物生長(zhǎng)補(bǔ)光燈在遼寧省茄果類(lèi)蔬菜生產(chǎn)上的應(yīng) 用 J 蔬菜 2018 8 47 49 5 都金龍 植物補(bǔ)光系統(tǒng)在溫室中的應(yīng)用 N 中國(guó)花卉報(bào) 2011 12 17 3 6 閆文凱 張雅婷 張玉琪 等 LED 株間補(bǔ)光對(duì)日光溫室番茄產(chǎn) 量及光合作用的影響 J 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué) 版 2018 46 7 132 138 146 7 趙秀元 北方地區(qū)溫室番茄栽培技術(shù) J 山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2009 37 7 87 88 8 王 靜 崔慶法 林茂茲 不同結(jié)構(gòu)日光溫室光環(huán)境及補(bǔ)光研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2002 18 4 86 89 9 徐 永 溫室補(bǔ)光及其發(fā)展趨勢(shì) J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2015 28 29 32 10 胡 瑾 基于作物光合需求的設(shè)施光環(huán)境調(diào)控方法與技術(shù)研究 D 楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué) 2016 11 李 明 劉 娟 凌廣明 溫室大棚 LED 智能補(bǔ)光自適應(yīng)控制 系統(tǒng) J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 46 11 193 196 12 周克輝 基于單片機(jī)控制的 DS18B20數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) J 湖 202 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 302 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 南農(nóng)機(jī) 2010 37 11 61 62 13 柳永波 基于 LoRa 的無(wú)線自組網(wǎng) MAC 協(xié)議研究 D 陜西西 安 西安電子科技大學(xué) 2017 14 張 輝 卜雯意 施 豪 日光式室內(nèi)植物生長(zhǎng) LED 燈模型的 建立與實(shí)現(xiàn) J 黃山學(xué)院學(xué)報(bào) 2018 20 5 36 40 15 韓 文 LED 補(bǔ)光對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)調(diào)控的研究 D 石河子 石河子大學(xué) 2018 16 鄧一凡 LED 植物補(bǔ)光系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制 D 天津 河北 工業(yè)大學(xué) 2017 17 張現(xiàn)征 王 丹 董 飛 等 不同比例紅藍(lán)光對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng) 發(fā)育及光合特性的影響 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019 47 14 136 138 18 代家為 溫室大棚中智能補(bǔ)光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) D 哈 爾濱 黑龍江大學(xué) 2017 19 王 琦 梁鐸耀 孫竹梅 等 光熱感應(yīng)溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 自動(dòng)化儀表 2018 39 9 59 62 20 馬志遠(yuǎn) 晉中市平川番茄周年生產(chǎn)技術(shù) J 山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011 39 7 676 678 692 402 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期