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智慧農業

植物照明系統方案設計


一、植物照明系統的功能目標設計

本文擬設計一個集監測、管理、控制于一體的植物照明系統,該設計的總體目標是實現易用、高效、可靠的節能型植物照明系統。植物照明需要重點關注如下因素:

(1)光照強度:光照強度決定植物的光合作用效果,隨著光照強度的增強,光合作用的速度將加快直至飽和狀態。光合作用是植物生長發育過程中的關鍵過程,因此光照強度對植物的影響很大,只有在適宜的光照強度下植物才能生長良好。

(2)光質量(光譜分布):植物不是吸收太陽光中所有波長的光,它們會根據需要有選擇性地吸收相應波長的光。植物主要依靠葉綠素和類胡蘿卜素吸收光能,其吸收波段分布如圖2-1所示,由此可見植物在紅光和藍光區域吸收率最高,而在其余波段吸收率較低。所以在光合作用中,植物對紅光和藍光的吸收最多。

圖 2-1 各光合色素對光譜的吸收圖

(3)光周期:光周期是指植物對光照周期(日照時間長度)和暗周期(黑夜時間長度)交替出現的要求,光周期也同樣影響著植物的生長發育。光周期主要影響植物開花,植物花芽的形成需要滿足其對光周期的要求。對于部分植物,光照時間越長,則開花越早。

為了更好地栽培植物,植物照明系統需能對光照強度、光質量和光周期等進行相應的匹配和調節。綜上,系統具體的功能目標設計如下:

(1)合適的光源。為滿足植物對光質量和光照強度的需求,光源應盡量匹配植物所需的光譜,并且能達到植物光合作用飽和點處的光照強度。同時,光源還需考慮節能與環保性,以降低系統的能耗和對環境的污染。

(2)靈活的燈光控制。系統需能對光照強度、光周期進行控制,以滿足不同植物或同一植物在不同生長階段對照明的需求。同時,植物照明系統往往范圍大、光源較多,因此除了單點控制,系統還應支持多點控制。

(3)簡單、高效的控制方式。對于常常具有較大規模的植物照明系統,傳統的有線開關或者控制器不僅安裝、維護較為困難,分散化的控制還導致效率低下、人力成本高,所以系統需要更加簡單和高效的控制方式。

(4)簡易、實時的環境監測。除了光照要求以外,環境因素如光照強度、溫濕度、CO2濃度等對植物的健康生長也極其重要,工作人員需要及時的了解環境狀況并采取相應的措施。因此,為了節省人力成本并減小環境監測系統的復雜度,也為了減少人為出錯率,系統需要將這些環境參數數字化、集中化,以實現簡易、實時的環境監測。

(5)可拓展的多種控制方式。為適應多種場合的需要,系統最好能支持手機、電腦、pad等多種控制終端以及本地和遠程的管理和控制。

其中,前三者構成植物照明系統的主要功能,本文將著重對前三者進行設計實現。

二、植物照明系統總體框架設計

根據上一節的功能目標設計,系統需具備簡單和高效的控制方式,而無線控制技術支持遠程、集中化的控制并能節省安裝、維護成本,正好可滿足該功能目標。因此,本文在系統控制上設計使用無線通信技術,系統總體結構設計如圖2-2所示。

圖 2-2 植物照明系統總體結構框圖

系統主要由照明系統控制中心、受控節點和無線通信線路三大部分構成。受控節點處包括燈具節點和傳感器節點,以支持燈光控制以及環境監測。控制中心由單片機、無線通信模塊、以太網模塊和串口模塊等組成,是系統的核心,主要功能是對整個照明系統進行有效的管理和控制。串口模塊的設計為PC控制端提供直接的訪問接口,而無線通信模塊的設計為手機、pad等控制終端提供直接的訪問和控制接入。系統可通過以太網模塊進行網絡拓展,如提供遠程云端控制、基于web的網絡控制等;多個植物照明系統也能進行網絡互聯,提供遠距離或大面積的分布式管理和控制。

植物照明系統的各項功能由受控節點來具體實現。控制中心和受控節點之間采用無線通信技術建立連接,所以系統能以集中控制的方式實現對各個節點的信息獲取和控制。另外,控制中心處給手機、電腦等控制端提供了多種通信接口,系統能通過手機、電腦等控制設備便捷地進行管理和控制,具有很強的拓展性。

三、植物照明系統光源的選擇

用于植物照明的光源主要有白熾燈、高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵化物燈和LED這幾種。

白熾燈是第一種用于改變植物光周期的人造光源。但白熾燈能耗高且效率低,因其光合有效輻射只占電能消耗的15%,其余的85%作為遠紅外光和熱量耗散了。高壓鈉燈由于壽命長和光譜合適而被廣泛用作植物照明中的補充光源。然而,只有30%的電能被高壓鈉燈轉換為光,70%的電能轉換為熱量而損失了。高壓鈉燈一般都在高溫下(≥200?C)工作,會在環境中產生明顯的紅外熱輻射。因此,高壓鈉燈不能靠近植物放置,并且需要相應的通風系統以避免環境的溫度過高。這種特性限制了高壓鈉燈在植物照明中的發展。

金屬鹵化物燈的電光轉化效率比高壓鈉燈低,只有大約24%,但它的光譜比白熾燈和高壓鈉燈表現更好,更加適合植物的生長。熒光燈不能提供遠紅外光譜中的光,這造成長日照植物開花有障礙。并且,熒光燈的光照強度比高壓鈉燈和金屬鹵化物燈低,導致其用于植物照明時產量低下,這極大地限制了熒光燈在植物照明中的應用。

相對于上述植物照明光源,LED有著以下優點:

(1)更加靈活、匹配的光譜。單色大功率LED光源具有窄波段光譜,光譜寬度范圍大概在20nm之內。而單色LED的光譜可囊括所有從藍光到紅光的可見光范圍光譜,能精準匹配植物吸收光譜,光能有效利用率可達80%到90%,使其在植物照明領域有著重大的作用。

(2)更高的光照強度。LED照明系統可以配置產生非常高的光照水平,如果需要,甚至可以遠超日照。但與高壓鈉燈不同,即使在較高光照強度下,它們也可以被安置在植物附近,因為LED將大部分能量都轉化成了光能,工作過程中產生的輻射熱量較低,并且廢熱可通過有源散熱器與發光表面分開。

(3)更長的使用壽命。據測試,LED光源的使用壽命在50000小時以上,如果使用合理,這可能還是一個保守的數字。由此可見,一個合理設計的LED照明系統可以擁有超出任何傳統光源的壽命。

(4)亮度易調。作為固態照明,LED很容易集成到數字控制系統中。LED的亮度可以通過數字調光方式在零和最大亮度之間連續調節。

(5)更低的成本。LED具有更小的維護成本和用電成本。傳統光源具有易碎的燈絲、電極或充氣加壓燈罩,必須定期更換。LED沒有燈絲,也沒有氣體光源工作所需的鎮流器,相比之下還具有更長的使用壽命,因此節省了更換燈泡的采購和維護成本。LED也更加節能,據測試,150瓦的高壓鈉燈和14瓦的LED具有相同的植物照明效果。

(6)環保。LED不含有會污染環境的汞,使用中不產生有害物質。因為在植物照明中LED光能有效利用率高,只需提供更低的光照強度便能達到其他光源同樣的效果,減少了光污染。

綜上,依據系統節能環保、控制高效的設計目的并匹配植物照明對光譜和光照強度的要求,本系統將采用LED作為植物照明的光源,并在下文給出相應的調光方案。

四、植物照明系統光源的調光方案

對于LED主要有線性調光、模擬調光和數字調光這三種常用的調光方式。三種調光方式介紹如下:

(1)線性調光:隨著正向電流的增大,LED的輸出光強也會增加并幾乎成比例增長,線性調光正是利用這種機制來調節亮度。因此,可在LED電路中串聯一個可變電阻進行調光,操作非常簡單。但這種方式也有一些缺點:一是電阻會耗費大量電能,并轉換為熱能浪費了,導致電路中電能的利用效率不高;二是LED通常由恒流源驅動,不適合使用這種調光方式;三是在通過調節電流來改變LED亮度的同時,可能會改變LED的光譜和色溫,尤其是使用了熒光粉的LED。當電流變化時,LED輸出光強也隨之變化,但是熒光粉為固定厚度,所以透過熒光粉的燈光性質發生了改變。

(2)模擬調光:也稱為可控硅調光,這種方式利用了可控硅能改變輸入電壓的特性。具體來說就是在可控硅導通時,導通角的變化可引起電壓波形的變化(電壓也會相應變化)。而導通角可通過內部集成的可調電阻來調節,所以可控硅能通過這種簡單的方式進行調光。這種調光方式只需在電路中添加一個可控硅調光器,安裝比較方便,因此得到廣泛的使用。但是這種方式也有其缺陷:在調光時電壓易發生波動,導致LED閃爍和發出噪聲,同時電壓波形的變化可能會對電網產生電磁干擾。

(3)數字調光:即脈沖寬度調制(PWM)調光,這種方式利用LED支持快速開關(可以高達微秒)的特點,通過改變每個周期內脈沖的寬度即可改變LED亮度。如圖2-3所示,電源為脈沖恒流源,通過調節LED在一個脈沖周期內通電時間所占的比例(占空比),可以得到不同的平均電壓,從而獲得不同的亮度。使用PWM調光時脈沖頻率很容易設置為200Hz以上,由于視覺殘留效應,人眼在調光時感覺不到閃爍。同時使用PWM調光時采用恒流源驅動,不用擔心電壓波動引起光譜和色溫變化的問題。

圖 2-3 占空比對 LED 亮度的影響圖

綜合比較之下,PWM調光方案優勢明顯,更加契合本文植物照明系統的設計要求。首先,PWM調光時LED始終在正常工作狀態和不工作之間切換,不會有線性調光方式電能利用率低的問題,也不會產生模擬調光時可能發生的光譜變化現象。同時對脈沖波形的調控非常精確,因此數字調光能實現精確調光且具有較大的調光范圍,能很好的滿足植物照明對燈光靈活控制的要求。因此,本文將以PWM方式作為系統的調光方案。

五、植物照明無線通信技術選擇

從植物照明系統的研究和發展可以看到,借助無線通信技術實現簡易、集中的控制是未來植物照明系統的發展方向。目前,物聯網中常用的幾種短距離無線通信技術有ZigBee、藍牙、Wi-Fi、紅外連接技術(IrDA)、超寬帶(UWB)和Z-wave等,IrDA和UWB傳輸距離過短(不超過10m)且沒有國際化標準,不適用于植物照明系統,其他無線技術對比如下表所示。

物聯網常用無線通信技術對比

其中ZigBee和Z-wave功耗最低,電池壽命能長達數百天,大量降低了人工維護的成本;而Wi-Fi和藍牙相對來說功耗過高,使用電池只能持續幾天,所以ZigBee和Z-wave比較適合對功耗比較敏感的工業領域。將ZigBee和Z-wave進行對比可以發現,ZigBee優勢非常明顯:ZigBee采用標準協議,而Z-wave采用私有協議;ZigBee的通信距離和傳輸速率都優于Z-wave;ZigBee組網方式更加靈活,能夠支持網狀、樹型和星型多種網絡拓撲結構,能適應更多應用場合;網絡容量方面ZigBee遠遠領先于其他無線技術,可最多支持6萬多個節點,足夠滿足植物照明組網的需要。但ZigBee也有其劣勢,ZigBee最大傳輸速率比較低,僅有250kbps,而藍牙和Wi-Fi可以分別達到24Mbps和54Mbps。相較于藍牙、Wi-Fi,ZigBeeb不能和電腦、手機等控制終端直接通信。為了發揮ZigBee功耗低、組網強大等優勢,同時彌補其傳輸速率低、不能與控制端直接通信等劣勢,本文將采用將ZigBee與藍牙相結合的ZigBee/藍牙動態多協議技術作為植物照明系統控制中心的主要無線通信技術。ZigBee/藍牙動態多協議技術將在第三章進行介紹。

六、植物照明系統硬件軟件平臺

6.1植物照明系統硬件平臺簡介

本系統將采用Silicon Labs公司的EFR32MG12P332F1024GL125(以下簡稱為EFR32)芯片作為主控芯片。該EFR32芯片以ARM32 Cortex-M4為內核,工作頻率可達40MHz,支持休眠和深度休眠模式,具有功耗低、功能強大、實時性好和數據處理能力優秀等優點,擁有1024KB大小的閃存和256KB大小的RAM;其內置的無線通信模塊具有10dBm的最大發射功率和-102.7dBm的接收靈敏度,可提供出色的鏈路預算,支持ZigBee/藍牙動態多協議技術,可以實現更大范圍和更加可靠的無線通信。該芯片含有多達65個GPIO口,具有多個UART、USART、I2C接口、SPI接口、定時器和12位ADC,可工作在-40℃到80℃溫度范圍內,擁有創新的節能模式,可以快速喚醒。

6.2植物照明系統軟件平臺簡介

Micrium OS是一款功能齊全的嵌入式操作系統,其組件緊密集成在一起,但組件之間依賴關系很少,支持開發人員根據應用需求靈活裁剪。該系統基于非常成功的μC/OS-III內核,μC/OS-III由Micrium公司提供,是一個移植性好、高效、可剪裁、可以適用于多種微處理器的搶占式多任務實時內核。并且μC/OS-III高度可配置,支持每個任務優先級的循環調度,支持不限數量的任務和其他內核對象,還可以靈活啟用或禁用內核的大部分組件以節省空間。內核占用的ROM空間大小范圍為6KB至24KB,占用的RAM大小通常為3KB到4KB。Micrium OS以源代碼形式提供并提供豐富的技術文檔,非常易于使用開發。出于這些優勢,本系統將它作為軟件平臺。以下將簡單介紹Micrium OS的主要模塊。

(1)任務管理。與前后臺系統按順序執行任務不同,Micrium OS是一個多任務實時操作系統。系統將不同任務進行抽象,允許開發者將功能劃分為多個模塊實現,每個任務負責一個模塊。如圖2-4所示,系統內核允許多任務處理,由搶占式調度程序確定任務的執行順序,一旦優先級較高的任務就緒并處于可運行狀態,搶占式調度程序就會保存當前正在運行的較低優先級任務的狀態并切換至優先級較高的任務運行。通常,任務的狀態保存在堆棧中,并在可以恢復執行時從堆棧中恢復。系統支持信號量、互斥鎖等多種任務同步機制,任務之間通過消息隊列實現進程間通信。

圖 2-4 Micrium OS 任務流程圖

(2)內存管理。傳統的內存管理器使用內存分配相關函數動態地分配和釋放內存,容易產生內存碎片。在嵌入式系統中,內存非常有限,所以Micrium OS把連續的大塊內存分區,并為每個內存分區設置一個內存控制塊對其進行動態管理以克服內存碎片的問題。

(3)時間管理。定時器使用稱為滴答的中斷來提醒內核,這些中斷以固定頻率發生,每個滴答時間范圍在1ms到100ms之間。在這個時間范圍內允許內核為應用程序提供任務延遲服務、超時控制和基于時間的循環調度等。Micrium還支持使用動態滴答,在這種情況下,滴答不以固定頻率運行,只有在有任務時才會提醒內核,因此系統可以保持在低功率狀態而不會被定期喚醒。

總結

首先對植物照明系統的功能目標進行了分析,并設計了系統的框架結構,整個系統的主要構成部分是控制中心、受控節點和無線通信線路。之后對系統的光源選型和調光方案進行了設計,得知LED是系統最合適的光源,相應的最優調光方案為PWM調光。本章還對無線通信技術進行了比較,選出了最優的將ZigBee與藍牙相結合的ZigBee/藍牙動態多協議通信方式。最后介紹了系統所使用的硬件、軟件平臺。

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