略谈补光系统的设计及应用

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1系统硬件设计

系统硬件以STC12C5A60S2单片机为处理核心，采用标准接口电路5V电源供电;时钟模块的主体芯片DS1302可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能;液晶显示模块采用OCM12864－3128×64点阵型液晶，可显示各种字符及图形;按键则用4×4排列原理，直接购买了按键贴膜，通过8根排线直接与主板连接。单片机基本外围电路中晶振频率为12MHz，两路红绿指示灯方便程序的调试。系统通过红蓝光滤光片和ISL29010光传感器监测环境中红蓝光光照强度。

1．1控制模块

控制模块以51单片机为处理核心，外围连接键盘、LCD和传感器等外设，采用标准接口电路5V电源供电，其中:P0口连接液晶屏的8路数据口;P2口连接4*4矩阵键盘;P3．0和P3．1用于单片机与串口连接的数据读写线，完成程序的下载;P3．2～P3．7为液晶控制端;P4．2和P4．3为单片机PWM控制端输出口。采用内部分频技术实现对PWM信号频率的控制，将输出频率降至300Hz，实现植物补光的温室精确控制。

1．2检测模块

检测模块利用红蓝光滤光片和ISL29010光照传感器实时检测设施内部红蓝光光照强度，并将采集数据提供给单片机进行处理。滤光片采用高通滤光片和低通滤光片两种，分别将自然光中600～700nm和400～500nm的红蓝光提取出来，通过ISL29010光照传感器检测出红蓝光强，上传给单片机进行相应处理，从而实现环境中红蓝光强检测。

1．3补光模块

补光模块包括LED补光灯阵列和驱动电路，LED补光灯阵列由波600～700nm的窄带红光和波长400～500nm的窄带蓝光组成。驱动电路采用PT4107为核心控制芯片，利用继电器来控制外接市电电源为核心控制芯片供电，当满足外部调光条件继电器导通时，其接收单片机发送PWM控制信号实现对调节灯组亮度的调节。

2系统软件设计

系统采用模块化和多控制模式的设计思路，以IAR为软件开发平台，采用C语言完成系统软件开发，分别设计了数据采集程序、专家指导程序、定量控制程序、按键程序、显示程序和计时程序，实现各模块对应功能及数据传输。其专家指导程序以樱桃生长各生境参数为标准进行设定，设计了基于专家规则的温室光环境调控方法，实现了手动和自动两种阶段转换方式，可根据当前阶段信息自行计算红蓝光PWM值和需补光量，完成不同阶段的按需智能补光。以番茄为例，其每个阶段的生长累积时间和适宜光强各不相同。如在番茄的初花期、盛花期和末花期3个阶段，其阶段累积时间和适宜光强系统可以根据番茄这一阶段特性进行专家规则的修定，对番茄在不同阶段进行生长时间的模拟累积和光强检测，通过专家规则实现阶段参数的智能调控和不同阶段的按需定量补光。系统针对当前生长阶段信息，基于专家系统，根据不同阶段需光量的差异性，设定该阶段需补光量和当前累积补光时间，通过对外界光强的监测，采用PWM技术控制LED补光灯阵列工作电流，同时统计该阶段尚需工作时间，实现对植物的分阶段按需定量补光。由于同类植物生长的微弱差异，系统提供手动参数修改与阶段强制调整功能，从而提高了系统的通用性。

3系统功能实现

本系统以樱桃为目标作物，分为休眠期、萌芽期、开花期、幼果期、落果期和收获期，每个时期所需时间和补光量各不相同。基于各阶段生长时间和补光量信息的专家规则，完成相应阶段时间累积后跳入下个阶段，自动调用下阶段相关参数，实现定量补光。为了验证设备的性能，于西北农林科技大学樱桃实验基地对系统进行了调试验证。系统运行到开花期时的实时信息，包括开花期的需补光量和距离下阶段的时间。当手动强制进入下阶段(即进入幼果期)后，由于前后两阶段需光量的不同，对应的PWM值也会不同，系统所输出PWM占空比也会随之变化。开花期和幼果期两阶段的PWM值输出占空比信号。以上说明系统可完成各项功能要求，证明了系统的可实现性和正确性。

4结论

1)系统研究实现了基于专家规则的动态智能补光系统，其结合时下热门的专家系统，对植物各生境参数进行设定，通过系统监测到的实时光照信息，完成不同阶段植物需光量计算，实现了对植物的分阶段按需精确补光。

2)与其他补光系统相比，运用DS1302时钟芯片对植物生长累积时间进行模拟，采用专家系统对樱桃生长各生境参数进行设定，根据植物生长特性自动进行阶段转换，实现了分阶段按需定量补光。

3)经验证表明，该系统具有良好的稳定性，可以满足在不同阶段对不同植物进行按需精确补光的要求，促进了植物的生长，极大地提高了温室作物的产量和效益，带动了相关农业又好又快发展。

作者：刘翔 胡瑾 樊宏攀 乔俊枫 单位：西北农林科技大学