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智慧农业

植物照明系统方案设计


一、植物照明系统的功能目标设计

本文拟设计一个集监测、管理、控制于一体的植物照明系统,该设计的总体目标是实现易用、高效、可靠的节能型植物照明系统。植物照明需要重点关注如下因素:

(1)光照强度:光照强度决定植物的光合作用效果,随着光照强度的增强,光合作用的速度将加快直至饱和状态。光合作用是植物生长发育过程中的关键过程,因此光照强度对植物的影响很大,只有在适宜的光照强度下植物才能生长良好。

(2)光质量(光谱分布):植物不是吸收太阳光中所有波长的光,它们会根据需要有选择性地吸收相应波长的光。植物主要依靠叶绿素和类胡萝卜素吸收光能,其吸收波段分布如图2-1所示,由此可见植物在红光和蓝光区域吸收率最高,而在其余波段吸收率较低。所以在光合作用中,植物对红光和蓝光的吸收最多。

图 2-1 各光合色素对光谱的吸收图

(3)光周期:光周期是指植物对光照周期(日照时间长度)和暗周期(黑夜时间长度)交替出现的要求,光周期也同样影响着植物的生长发育。光周期主要影响植物开花,植物花芽的形成需要满足其对光周期的要求。对于部分植物,光照时间越长,则开花越早。

为了更好地栽培植物,植物照明系统需能对光照强度、光质量和光周期等进行相应的匹配和调节。综上,系统具体的功能目标设计如下:

(1)合适的光源。为满足植物对光质量和光照强度的需求,光源应尽量匹配植物所需的光谱,并且能达到植物光合作用饱和点处的光照强度。同时,光源还需考虑节能与环保性,以降低系统的能耗和对环境的污染。

(2)灵活的灯光控制。系统需能对光照强度、光周期进行控制,以满足不同植物或同一植物在不同生长阶段对照明的需求。同时,植物照明系统往往范围大、光源较多,因此除了单点控制,系统还应支持多点控制。

(3)简单、高效的控制方式。对于常常具有较大规模的植物照明系统,传统的有线开关或者控制器不仅安装、维护较为困难,分散化的控制还导致效率低下、人力成本高,所以系统需要更加简单和高效的控制方式。

(4)简易、实时的环境监测。除了光照要求以外,环境因素如光照强度、温湿度、CO2浓度等对植物的健康生长也极其重要,工作人员需要及时的了解环境状况并采取相应的措施。因此,为了节省人力成本并减小环境监测系统的复杂度,也为了减少人为出错率,系统需要将这些环境参数数字化、集中化,以实现简易、实时的环境监测。

(5)可拓展的多种控制方式。为适应多种场合的需要,系统最好能支持手机、电脑、pad等多种控制终端以及本地和远程的管理和控制。

其中,前三者构成植物照明系统的主要功能,本文将着重对前三者进行设计实现。

二、植物照明系统总体框架设计

根据上一节的功能目标设计,系统需具备简单和高效的控制方式,而无线控制技术支持远程、集中化的控制并能节省安装、维护成本,正好可满足该功能目标。因此,本文在系统控制上设计使用无线通信技术,系统总体结构设计如图2-2所示。

图 2-2 植物照明系统总体结构框图

系统主要由照明系统控制中心、受控节点和无线通信线路三大部分构成。受控节点处包括灯具节点和传感器节点,以支持灯光控制以及环境监测。控制中心由单片机、无线通信模块、以太网模块和串口模块等组成,是系统的核心,主要功能是对整个照明系统进行有效的管理和控制。串口模块的设计为PC控制端提供直接的访问接口,而无线通信模块的设计为手机、pad等控制终端提供直接的访问和控制接入。系统可通过以太网模块进行网络拓展,如提供远程云端控制、基于web的网络控制等;多个植物照明系统也能进行网络互联,提供远距离或大面积的分布式管理和控制。

植物照明系统的各项功能由受控节点来具体实现。控制中心和受控节点之间采用无线通信技术建立连接,所以系统能以集中控制的方式实现对各个节点的信息获取和控制。另外,控制中心处给手机、电脑等控制端提供了多种通信接口,系统能通过手机、电脑等控制设备便捷地进行管理和控制,具有很强的拓展性。

三、植物照明系统光源的选择

用于植物照明的光源主要有白炽灯、高压钠灯、荧光灯、金属卤化物灯和LED这几种。

白炽灯是第一种用于改变植物光周期的人造光源。但白炽灯能耗高且效率低,因其光合有效辐射只占电能消耗的15%,其余的85%作为远红外光和热量耗散了。高压钠灯由于寿命长和光谱合适而被广泛用作植物照明中的补充光源。然而,只有30%的电能被高压钠灯转换为光,70%的电能转换为热量而损失了。高压钠灯一般都在高温下(≥200˚C)工作,会在环境中产生明显的红外热辐射。因此,高压钠灯不能靠近植物放置,并且需要相应的通风系统以避免环境的温度过高。这种特性限制了高压钠灯在植物照明中的发展。

金属卤化物灯的电光转化效率比高压钠灯低,只有大约24%,但它的光谱比白炽灯和高压钠灯表现更好,更加适合植物的生长。荧光灯不能提供远红外光谱中的光,这造成长日照植物开花有障碍。并且,荧光灯的光照强度比高压钠灯和金属卤化物灯低,导致其用于植物照明时产量低下,这极大地限制了荧光灯在植物照明中的应用。

相对于上述植物照明光源,LED有着以下优点:

(1)更加灵活、匹配的光谱。单色大功率LED光源具有窄波段光谱,光谱宽度范围大概在20nm之内。而单色LED的光谱可囊括所有从蓝光到红光的可见光范围光谱,能精准匹配植物吸收光谱,光能有效利用率可达80%到90%,使其在植物照明领域有着重大的作用。

(2)更高的光照强度。LED照明系统可以配置产生非常高的光照水平,如果需要,甚至可以远超日照。但与高压钠灯不同,即使在较高光照强度下,它们也可以被安置在植物附近,因为LED将大部分能量都转化成了光能,工作过程中产生的辐射热量较低,并且废热可通过有源散热器与发光表面分开。

(3)更长的使用寿命。据测试,LED光源的使用寿命在50000小时以上,如果使用合理,这可能还是一个保守的数字。由此可见,一个合理设计的LED照明系统可以拥有超出任何传统光源的寿命。

(4)亮度易调。作为固态照明,LED很容易集成到数字控制系统中。LED的亮度可以通过数字调光方式在零和最大亮度之间连续调节。

(5)更低的成本。LED具有更小的维护成本和用电成本。传统光源具有易碎的灯丝、电极或充气加压灯罩,必须定期更换。LED没有灯丝,也没有气体光源工作所需的镇流器,相比之下还具有更长的使用寿命,因此节省了更换灯泡的采购和维护成本。LED也更加节能,据测试,150瓦的高压钠灯和14瓦的LED具有相同的植物照明效果。

(6)环保。LED不含有会污染环境的汞,使用中不产生有害物质。因为在植物照明中LED光能有效利用率高,只需提供更低的光照强度便能达到其他光源同样的效果,减少了光污染。

综上,依据系统节能环保、控制高效的设计目的并匹配植物照明对光谱和光照强度的要求,本系统将采用LED作为植物照明的光源,并在下文给出相应的调光方案。

四、植物照明系统光源的调光方案

对于LED主要有线性调光、模拟调光和数字调光这三种常用的调光方式。三种调光方式介绍如下:

(1)线性调光:随着正向电流的增大,LED的输出光强也会增加并几乎成比例增长,线性调光正是利用这种机制来调节亮度。因此,可在LED电路中串联一个可变电阻进行调光,操作非常简单。但这种方式也有一些缺点:一是电阻会耗费大量电能,并转换为热能浪费了,导致电路中电能的利用效率不高;二是LED通常由恒流源驱动,不适合使用这种调光方式;三是在通过调节电流来改变LED亮度的同时,可能会改变LED的光谱和色温,尤其是使用了荧光粉的LED。当电流变化时,LED输出光强也随之变化,但是荧光粉为固定厚度,所以透过荧光粉的灯光性质发生了改变。

(2)模拟调光:也称为可控硅调光,这种方式利用了可控硅能改变输入电压的特性。具体来说就是在可控硅导通时,导通角的变化可引起电压波形的变化(电压也会相应变化)。而导通角可通过内部集成的可调电阻来调节,所以可控硅能通过这种简单的方式进行调光。这种调光方式只需在电路中添加一个可控硅调光器,安装比较方便,因此得到广泛的使用。但是这种方式也有其缺陷:在调光时电压易发生波动,导致LED闪烁和发出噪声,同时电压波形的变化可能会对电网产生电磁干扰。

(3)数字调光:即脉冲宽度调制(PWM)调光,这种方式利用LED支持快速开关(可以高达微秒)的特点,通过改变每个周期内脉冲的宽度即可改变LED亮度。如图2-3所示,电源为脉冲恒流源,通过调节LED在一个脉冲周期内通电时间所占的比例(占空比),可以得到不同的平均电压,从而获得不同的亮度。使用PWM调光时脉冲频率很容易设置为200Hz以上,由于视觉残留效应,人眼在调光时感觉不到闪烁。同时使用PWM调光时采用恒流源驱动,不用担心电压波动引起光谱和色温变化的问题。

图 2-3 占空比对 LED 亮度的影响图

综合比较之下,PWM调光方案优势明显,更加契合本文植物照明系统的设计要求。首先,PWM调光时LED始终在正常工作状态和不工作之间切换,不会有线性调光方式电能利用率低的问题,也不会产生模拟调光时可能发生的光谱变化现象。同时对脉冲波形的调控非常精确,因此数字调光能实现精确调光且具有较大的调光范围,能很好的满足植物照明对灯光灵活控制的要求。因此,本文将以PWM方式作为系统的调光方案。

五、植物照明无线通信技术选择

从植物照明系统的研究和发展可以看到,借助无线通信技术实现简易、集中的控制是未来植物照明系统的发展方向。目前,物联网中常用的几种短距离无线通信技术有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、红外连接技术(IrDA)、超宽带(UWB)和Z-wave等,IrDA和UWB传输距离过短(不超过10m)且没有国际化标准,不适用于植物照明系统,其他无线技术对比如下表所示。

物联网常用无线通信技术对比

其中ZigBee和Z-wave功耗最低,电池寿命能长达数百天,大量降低了人工维护的成本;而Wi-Fi和蓝牙相对来说功耗过高,使用电池只能持续几天,所以ZigBee和Z-wave比较适合对功耗比较敏感的工业领域。将ZigBee和Z-wave进行对比可以发现,ZigBee优势非常明显:ZigBee采用标准协议,而Z-wave采用私有协议;ZigBee的通信距离和传输速率都优于Z-wave;ZigBee组网方式更加灵活,能够支持网状、树型和星型多种网络拓扑结构,能适应更多应用场合;网络容量方面ZigBee远远领先于其他无线技术,可最多支持6万多个节点,足够满足植物照明组网的需要。但ZigBee也有其劣势,ZigBee最大传输速率比较低,仅有250kbps,而蓝牙和Wi-Fi可以分别达到24Mbps和54Mbps。相较于蓝牙、Wi-Fi,ZigBeeb不能和电脑、手机等控制终端直接通信。为了发挥ZigBee功耗低、组网强大等优势,同时弥补其传输速率低、不能与控制端直接通信等劣势,本文将采用将ZigBee与蓝牙相结合的ZigBee/蓝牙动态多协议技术作为植物照明系统控制中心的主要无线通信技术。ZigBee/蓝牙动态多协议技术将在第三章进行介绍。

六、植物照明系统硬件软件平台

6.1植物照明系统硬件平台简介

本系统将采用Silicon Labs公司的EFR32MG12P332F1024GL125(以下简称为EFR32)芯片作为主控芯片。该EFR32芯片以ARM32 Cortex-M4为内核,工作频率可达40MHz,支持休眠和深度休眠模式,具有功耗低、功能强大、实时性好和数据处理能力优秀等优点,拥有1024KB大小的闪存和256KB大小的RAM;其内置的无线通信模块具有10dBm的最大发射功率和-102.7dBm的接收灵敏度,可提供出色的链路预算,支持ZigBee/蓝牙动态多协议技术,可以实现更大范围和更加可靠的无线通信。该芯片含有多达65个GPIO口,具有多个UART、USART、I2C接口、SPI接口、定时器和12位ADC,可工作在-40℃到80℃温度范围内,拥有创新的节能模式,可以快速唤醒。

6.2植物照明系统软件平台简介

Micrium OS是一款功能齐全的嵌入式操作系统,其组件紧密集成在一起,但组件之间依赖关系很少,支持开发人员根据应用需求灵活裁剪。该系统基于非常成功的μC/OS-III内核,μC/OS-III由Micrium公司提供,是一个移植性好、高效、可剪裁、可以适用于多种微处理器的抢占式多任务实时内核。并且μC/OS-III高度可配置,支持每个任务优先级的循环调度,支持不限数量的任务和其他内核对象,还可以灵活启用或禁用内核的大部分组件以节省空间。内核占用的ROM空间大小范围为6KB至24KB,占用的RAM大小通常为3KB到4KB。Micrium OS以源代码形式提供并提供丰富的技术文档,非常易于使用开发。出于这些优势,本系统将它作为软件平台。以下将简单介绍Micrium OS的主要模块。

(1)任务管理。与前后台系统按顺序执行任务不同,Micrium OS是一个多任务实时操作系统。系统将不同任务进行抽象,允许开发者将功能划分为多个模块实现,每个任务负责一个模块。如图2-4所示,系统内核允许多任务处理,由抢占式调度程序确定任务的执行顺序,一旦优先级较高的任务就绪并处于可运行状态,抢占式调度程序就会保存当前正在运行的较低优先级任务的状态并切换至优先级较高的任务运行。通常,任务的状态保存在堆栈中,并在可以恢复执行时从堆栈中恢复。系统支持信号量、互斥锁等多种任务同步机制,任务之间通过消息队列实现进程间通信。

图 2-4 Micrium OS 任务流程图

(2)内存管理。传统的内存管理器使用内存分配相关函数动态地分配和释放内存,容易产生内存碎片。在嵌入式系统中,内存非常有限,所以Micrium OS把连续的大块内存分区,并为每个内存分区设置一个内存控制块对其进行动态管理以克服内存碎片的问题。

(3)时间管理。定时器使用称为滴答的中断来提醒内核,这些中断以固定频率发生,每个滴答时间范围在1ms到100ms之间。在这个时间范围内允许内核为应用程序提供任务延迟服务、超时控制和基于时间的循环调度等。Micrium还支持使用动态滴答,在这种情况下,滴答不以固定频率运行,只有在有任务时才会提醒内核,因此系统可以保持在低功率状态而不会被定期唤醒。

总结

首先对植物照明系统的功能目标进行了分析,并设计了系统的框架结构,整个系统的主要构成部分是控制中心、受控节点和无线通信线路。之后对系统的光源选型和调光方案进行了设计,得知LED是系统最合适的光源,相应的最优调光方案为PWM调光。本章还对无线通信技术进行了比较,选出了最优的将ZigBee与蓝牙相结合的ZigBee/蓝牙动态多协议通信方式。最后介绍了系统所使用的硬件、软件平台。

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