摘要：大棚植物在生长的过程中，光照系统是促进生长非常重要的因素，本文基于STM32F103ZET单片机设计了一种适用于温室大棚等设施农业环境中的远程可控LED光照系统，可监测植物生长环境，通过WIFI无线通信控制系统的PWM调光电路，适时调整光源系统的光照强度。本系统设计操作简便，LED光强调整效率高，稳步提升外部生长环境的光照强度满足温室大棚内植物生长的需求。
关键词：LED；无线通信；PWM调光；植物生长
引言
光照是农作物生长进行光合作用，维持高效生长的关键要素[1]，我国国土面积广袤，又是农业大国，光照条件影响农作物的生长速度与产量，这与国民生计关系十分密切。温室大棚内通过使用LED光源设备人力控制光照的强度、照射时间、光谱范围，有针对性的增加棚内植物接受光照的面积，即使是阴雨天气也能够补充充足的光照供植物生长[2]，提升植物光合作用的效率以及对营养物质的吸收，促进农作物的生长速度与产量。1980年我国引入温室大棚技术，光照、温度、湿度、菌群等影响植物生长的环境因子可以被人为设定维持，通过改善外部环境至最适宜植物生长来提升植物的生产效率以及产量。温室大棚的应用水平及普及程度体现了国家农业科技的发展水平。随着科学技术的进步，设施农业的发展逐渐趋向于机械化，生产效率也在逐步提高，2012年我国温室大棚的覆盖率达到世界设施农业总面积的85%，规划至2020年预计设施农业的面积达到7500万亩[3]。但是在我国北方的许多地区，温室内光源系统仍然受制于实地电力配置条件，存在所用光源设备电量消耗较高，光照强度参数控制不灵活，无法实现远距离无线控制设备，技术应用水平较低等诸多问题，这些因素都将对温室内农作物的生长以及产量产生一定的影响[4]。
本文章基于无线控制大棚内植物生长环境的光源问题设计了一个LED光源系统[5]，此系统通过WIFI通信传输系统，实现远程控制由STM32F103ZET单片机为核心元件[5]，结合光传感器检测到所处环境的光照强度信息进行PWM调光，满足温室大棚内植物生长对光照的需求。
1 整体方案设计
本设计在控制器选择上使用的是STM32F103ZET单片机，该核心元件负责对温室大棚内的光照系统所涉及的环境参数以及LED灯光源电路部分进行处理和控制。使用BH1750光照强度传感器用于检测环境的光照强度，通过单片机输出占空比可调的PWM信号进入LED灯光源模块电路对光源的照射强度进行调整[6]。本设计分为自动模式与手动模式，自动模式下无需人为操作即可对LED部分进行控制；手动模式下，用户可通过WIFI进行控制。系统整体功能框图如图1所示：
.png)
图1 系统功能框图
2 硬件电路设计
2.1 电源模块
本LED光源系统电源部分使用的是稳定恒压12V电源供电，经过7805模块对电路进行一系列降压斩波之后分别得到5V的直流电压以及3.3V的直流电压，实现整个系统的供电功能。本LED智能光源系统的电源后期可能会增添太阳能电池板用于作为本系统的应急后备电源。当直流供给部分断电或者供电电压不足时，可以通过继电器切换为太阳能电池板供电。直流电源部分示意图如图2所示：
.png)
图2 电源模块
2.2 光照检测模块
本LED光源系统使用的光照强度检测传感器为BH1750传感器，此传感器属于一种用于两线式串行总线接口的数字型光照强度传感器集成电路，其输出的就是对应的当前环境的亮度的数值，由于其分辨率较高用于作为环境的光照检测非常合适。
2.3 WIFI模块
本LED光源系统的通信传输模块使用的是远程控制模块ESP8266[6]，它能够提供TCP服务功能，用户可在配置完成工作之后，即信号传输端与光源系统接收端处于同一无线网服务器之下在全球范围内对LED光源系统进行调光控制。
2.4 LED调光电路
系统采用PWM调光方式，PWM调光相比模拟调光具有调光范围广、不改变LED色温等优势[7]。将单片机输出的PWM脉冲信号输入到mos管的栅级，控制mos管开关，进而控制LED的平均电流，达到调光的效果。调光电路如图3所示。
.png)
图3 调光电路
3 软件部分设计
本文所论述的LED光源系统中主要的核心控制部分为对LED灯亮度的控制，考虑到不同的光源种类对植物生长会产生不同的影响[8]，故在设计调光程序之间需要对LED灯进行特殊选材，只有能发出固定频段红蓝光的灯珠能够促进植物的生长[9]。本文对LED光源的调光方式选用是PWM波与调光电路结合的方法，通过单片机IO口输出占空比可调的PWM信号，将此信号加至调光电路MOS管的管脚上，通过在程序中改变一个内存中不易失的全局变量值，达到改变整个PWM波形占空比的目的，选择合适的频率就能够实现连续无级调光[1,10]。由于本设计存在用户手动操作补光以及自动补光功能，所以在自动模式下需要本系统自主判断当前环境的自然光照强度。通过单片机产生模拟的I2C时序对BH1750进行读写，主要分为写指令、读数据子程序，在单片机中的主程序中通过调用子程序实现对光照数据的读操作。在程序中通过进制和数据转换操作，将其保持在一个变量中。自动模式下，通过位式控制算法判断当前的自然光照值处于哪个区间，进而改变为不同的PWM占空比，实现了自动调光的目的[11]。本设计的物联网功能使用的是ESP8266wifi模块，通过单片机串口与之向量，在单片机串口发送指令配置完工作模式之后，单片机串口即可使用DMA方式从wifi模块接收远程传递进入模块的数据。数据保存在单片机内存数组中，便于主程序随时查询光照值进行判断然后执行相应的PWM输出操作。至此，本文LED光源系统的软件部分已介绍完毕。
4 结论
适宜的光照对植物的生长影响关键，本文设计的利用光传感器采集的光照强度信息无线调控发光设备，根据现实光照背景通过脉宽调制灵活改变光照强度，系统的结构简单、操作明了，能够满足在温室大棚中的农作物生长光照需要，具有可应用推广的前景。关于温室大棚的LED光源系统另一个值得关注的点是LED灯管的发光颜色对植物进行光合作用的速率也有一定程度的影响，通过硬件设备或软件程序智能化调整光谱对植物进行补光，满足植物对光照的不同阶段，不同程度更加多样化的需求对于设施农业当中的光源系统研究也有着更加广阔的前景与应用。
参考文献
[1] 范玮, 程予任, 孟昭阁, et al. 基于植物专家系统的智能LED光照控制系统设计[J]. 自动化仪表, 2018, 39(04): 26-29.
[2] 崔世钢, 于洋, 苏雄, et al. LED光源在农业上的应用[J]. 天津职业技术师范大学学报, 2012, 22(02): 6-9.
[3] 张珊. 基于ZigBee的植物LED补光控制系统的设计与实现[D]. 太原科技大学, 2015.
[4] 董超. 基于LED可调光植物生长人工环境监控系统应用研究[D]. 武汉工程大学, 2017.
[5] 刘刚. 植物生长LED照明控制系统的研究[D]. 天津职业技术师范大学, 2014.
[6] 罗斯瀚, 陈婷, 夏梓祥, et al. 基于LED光源的植物智能补光控制系统设计[J]. 食品工业, 2016, 37(02): 193-196.
[7] 韩岳. 温室大棚物联网智能测控系统研究[D]. 山东农业大学, 2016.
[8] 赵杰荣, 李永涛, 李悠然, et al. 基于单片机的LED植物补光系统[J]. 大连工业大学学报, 2016, 35(05): 373-377.
[9] 邓礼松. 基于智能控制系统植物补光光源研究[D]. 重庆师范大学, 2019.
[10] Science - Applied Science; Findings on Applied Science Reported by Investigators at Obuda University (Comparative Study on Plant Type Specific LED Light Source Design Parameters)[J]. Science Letter, 2020.
[11] 李晋蒲, 曹瑞红, 赵建贵, et al. 基于LoRa的温室智能补光系统研制[J]. 江苏农业科学, 2020, 48(05): 198-204.