基于LabVIEW的智能LED植物补光照明系统设计

牛萍娟++李艳艳++田会娟++苏政晓++柳建新++张浩伟

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.115

摘要：基于植物对光和温湿度的需求，系统利用RRGB芯片配光设计开发了LED光源模块，若干个光源模块组成LED阵列平面光源模组，基于LabVIEW的上位机与控制器相结合的系统实现对温室或园艺植物的智能补光照明。控制器实时检测红绿蓝三色波段的光量子通量密度（PFD）和温湿度值，并将检测信息显示在上位机界面，通过控制器对脉宽调制（PWM）信号进行动态调节，以保持照射到植物的红、绿、蓝PFD值随环境光照改变而保持恒定不变，实现照明系统结合环境光照的智能补光。同时，系统也实现了对温湿度阈值范围的智能调节。该智能补光照明系统根据不同植物或同一植物不同生长阶段对PFD、光质比例补光需求的不同，通过上位机设置红、绿、蓝三色波段光不同的PFD值和温湿度范围，下位机按照设置完成环境调控，既满足了植物对补光环境的要求，又大大节省了能源。

关键词：LED植物补光照明；LabVIEW；脉宽调制；光量子通量密度；光质比例

中图分类号：TM923；S24文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0394-04

收稿日期：2015-08-15

基金项目：国家火炬计划（编号：.2013GH580096）。

作者简介：牛萍娟（1973—），女，博士，教授，主要从事新型半导体发光器件、LED驱动电路和半导体照明应用系统等研究。E-mail：nping_tjpu@163.com。

通信作者：李艳艳，硕士研究生，主要从事半导体照明智能控制研究。E-mail：li__yanyan@126.com。在雾霾天气日益严重的环境下，冬春季节太阳光无法满足温室及园艺植物生长，人工补光对于温室植物生长尤为重要。光强和光质对植物的光合作用、物质代谢和形态建成等具有重要作用[1]。380 ～760 nm 可见光光谱波段是植物光合作用主要吸收的光波段，其中，吸收峰值在红蓝光波段[2]，加入一定比例的绿光可促进植物生长[3]。LED作为新型光源应用于植物照明，较传统光源不仅具有可靠性强、寿命长、体积小、发热少、能耗低等优点，而且由于可发出单波长光，还能根据植物的需要进行光谱的精确配置[4]。

单颗超高亮LED还未能提供足够的光量供温室植物正常生长，但多颗LED通过组装设计能满足植物补光需要[5-8]。传统的补光照明一般采用定光照、定光质的补光方式[9-11]，照射到植物的光会随外界环境光照的改变而变化，不仅无法满足不同植物或同一植物在不同生长阶段对光量子通量密度（PFD）和光质比的差异性需求[1，12]，也浪费了能源，提高了成本。本研究的智能补光照明系统设计了PFD均匀分布的红绿蓝LED光源模块，利用上位机实时监控或设置环境的光强和温湿度，控制器根据光强变化动态调节PWM信号，从而控制LED红绿蓝光源模组的输出，精确保持设定的PFD和光质比例，满足植物需求的同时降低成本。

1LED光源模块

小功率芯片组合设计与大功率芯片组合设计相比，不同光谱光量子通量密度混合更均匀，散热更少，功耗更低，用于近距离照射植物。本试验选用0.2 W贴片型RRGB灯珠用于研究，由杭州远方光电生产的HAAS-2000高精度快速光谱辐射计和0.5 m小积分球测得单颗RRGB灯珠中R、G、B光量子流和电流的关系见图1。

对数据进行线性拟合得到电流与光量子数的关系式：

yR=0.000 2xR，r2=0.992 5

yB=0.000 2xB，r2=0.975 4

yG=0.000 2xG，r2=0.971 4。（1）

式中：yR、yB、yG为红、蓝、绿光量子数，xR、xB、xG为通过红、蓝、绿芯片电流。拟合优度r2接近于1，所以，红绿蓝LED光源的电流与光量子数基本成正比例关系。

参考文献[4]中，生菜和红菊苣植物被种植在70%红光，20%绿光和10%蓝光光照条件下时，光量子通量密度为 220 μmol/（m2·s） 比400 μmol/（m2·s）条件下光系统Ⅱ（PSⅡ）功能更有效。

因此，若确定光质比例为R ∶B ∶G=7 ∶1 ∶2，由光质比例及光源的额定电流确定仿真时单颗灯珠R、R、G、B的电流大小，分别为20、20、16、6 mA。LED光源单元模块在照明参考平面内的照明面积计算公式[7-8]如下：

S=[7L+2htan（13.2π180）]2。（2）

式中：L为光源间距；h为灯板离照射面的距离。植物照明较普通照明有所区别，目前，评价植物光照效果的基本测量方法常用的有光合有效辐射能量（PAR）法和光合光子流量法2种。PAR法即用辐照度表示1 m2上促进光合作用的辐射功率，进而表示植物被照射的程度。光合光子流量法，即1 s照射到单位区域面积上的光子数[6，13]。在光学软件TracePro仿真里用辐照度表示光照大小，实际温室环境下用光量子通量密度值来表示植物光照，但二者之间可以实现转化。定义LED 的辐照度均匀度为照明面上各点辐照度的平均值Eave与最大辐照度Emax的比值，以此来计算各模块在TracePro仿真环境下的总辐射照度均匀度。

Ue=EaveEmax×100%。（3）

TracePro分别仿真灯珠间隔L为0.5、1、1.5 cm时，距离照射面高度15 cm，辐照面积S分别为10.52、142、17.52 cm2，81颗灯珠排布为9行×9列的方形光源模块的辐照度。不同间距的仿真结果见表1。

由表1看出，随光源间距L的增加，辐照度平均值减小，均匀度增加，辐照面积也增加。在满足辐照度大小的基础上，选择光源间距为1.5 cm，因为其不仅均匀度高，而且辐照面积广。光源间隔为1.5 cm时，TracePro仿真的辐照度分布如图2所示。按照仿真设计出的光源排布开发LED光源模块，若干光源模块组成用于植物照明的LED光源模组。

2系统硬件设计

系统采用模块化设计，包括检测模块、控制模块、驱动电源模块、LED光源模块、上位机控制模块，系统原理见图3。

2.1检测模块

检测模块实时检测环境中的红、绿、蓝光照度和温湿度，将检测信号传入单片机，完成数据采集。具体方案：由于LED光源全部点亮时，环境中同时存在红绿蓝三波段光谱，为了分别检测红绿蓝光强，光照先经过透光率为90%，波长波段范围分别为420～480、500～580、625～700 nm的蓝光、绿光、红光带通滤光片预处理[14-15]，处理后的红绿蓝光透过光照度传感器BH1750FVI的光敏二极管检测，并将光信号转换为数字信号传入单片机P2口，光照度检测信号以ⅡC总线方式接入。同理，温湿度传感器DHT11将温湿度的模拟信号转换为数字信号，从而实现温湿度的检测。

2.2控制模块

系统采用单片机STC89C52RC作为控制器，外部晶振11.059 2 M，输出波形频率为1 000 Hz。与检测部分的连接采用定时器0计数，P1口接入检测传感器，P1.0口连接温湿度传感器DHT11，P1.1-P1.6口连接3个光照度传感器，分别检测红、绿、蓝三色的光照度，P1.1、P1.3、P1.5连接光照度传感器的ⅡC时钟引脚SCL，P1.2、P1.4、P1.6连接ⅡC数据引脚SDA。单片机通过软件编程方式实现PWM信号输出，使用定时器1，工作方式0，通过P0.0、P0.1、P0.2口输出三路PWM信号到电源驱动模块，分别调节红、绿、蓝LED光源的光量子通量密度。控制器电路图如图4所示，单片机STC89C52RC通过RS-232接口与上位机连接，用电压为 5 V、电流为1 A的电源为其供电。

2.3电源驱动模块

本系统选用基于XL6009升压型直流电源变换器芯片设计的DC-DC升压LED调光模块。在XL6009芯片的PWM调光输入引脚上加载脉宽可变的PWM信号，通过调节LED的驱动电流继而调节LED灯的亮度。R、G、B等3路LED驱动电源在PWM调光信号调节下输出电流的变化曲线，如图5所示。占空比为100%时，驱动输出电流为LED光源模块的额定电流，R、G、B额定电流分别为360、180、180 mA，绿光光源的变化曲线与蓝光基本重合。由图5可看出，占空比与输出电流不成正比例关系，因此，本系统提出了不断反馈与调整PWM占空比，从而改变驱动电流调节光照度的补光方法。

2.4上位机模块

系统采用虚拟仪器（VI）领域中最具有代表性的图形化编程开发平台LabVIEW作为上位机开发软件。单片机控制器与LabVIEW通过VISA函数实现串口通信，上位机向下位机发送设定参数数据，下位机将采集的光照和温湿度数据传送给上位机。

LabVIEW程序分为前面板和程序框图2个部分，如图6所示。其中，前面板是VI的代码接口，是用户交互界面，能实时直观地观察到R、G、B的光量子通量密度和温湿度的变化曲线，通过点击相应按键或直接输入，设定相应的光量子通量密度值和温湿度的上下限阈值，超出阈值范围则警报提醒。由于光照传感器检测的光信号以光照度表示，所以需要通过换算关系式（4）实现光照度与光量子通量密度之间的转换。

光量子通量密度与光照度的关系[7]：

U=βE；

β=∑700400λφe（λ）Δλ81 755.1∑780380φe（λ）V（λ）Δλ。（4）

式中：U表示光合有效量子通量密度，E为光照度，β为光谱相对功率密度，V（λ）为人眼视见函数。

3系统软件设计

系统软件设计主要包括上位机界面的软件设计和下位机控制部分的软件设计。LabVIEW采用图形化语言（G语言）编程实现上位机界面的软件设计，程序图见图6，上位机界面设定了植物需要的光量子通量密度值和温湿度的上下限值，其中光量子通量密度与光照度经关系式（4）实现参数的转换。对红、绿、蓝3种光质的光的恒光模式调节是补光系统的主要部分。系统恒光模式调节的软件流程图如图7所示。控制器启动后，先进行系统初始化，然后实时采集环境光照度值，并判断与设定值的关系。若光照度不等于设定值，由于LED驱动电流与占空比不成正比例关系，所以，需要通过不断反馈与调整PWM占空比改变驱动电流，从而实现光照度调节。若光照度小于设定值，PWM占空比增加，光照度大于

设定值，PWM占空比减小。延时一段时间再次比较，如果增加PWM占空比没有超出设定值，则继续增加PWM占空比，反之则延时一段时间后再次采集光照度，判断环境光照强度值是否在阈值范围。若在则执行底部循环；若不在阈值范围或外界环境光照度发生变化超出阈值范围，则返回调节PWM占空比，使光照度值恒定在阈值范围内。减小PWM占空比同理。

4系统测试分析

这里主要测试分析了系统LED补光单元模块的稳定性。根据温室的实际面积确定LED灯组数，上位机设定红、蓝、绿光量子通量密度值分别为200、30、56 μmol/（m2·s），即光质比例为R ∶B ∶G=7 ∶1 ∶2[4]。对LED光源单元模块正下方 15 cm，辐照面积为17.52 cm2的照明区域进行网格划分，划分得出25个间隔相同的网格点，利用LI-250A光照计测试系统在不同光照环境下25个网格点处的PFD值。结果表明，太阳光较强时，由于红、蓝、绿PFD值远远超出设定阈值，PWM减为0，此时，太阳光作为温室光源。阳光微弱或没有阳光照射时，恒光模式启动，补光系统的PWM占空比增加使红、蓝、绿光达到设定阈值范围，并稳定保持在阈值范围。总的PFD值在辐照平面的分布图如图8所示。计算得到PFD分布的均匀度为72.7%，与仿真结果基本一致。

5结论

本研究设计了一个智能补光照明系统，基于LabVIEW上位机界面实时监测并可设置温室环境参数，通过串口模块连接下位机控制器，下位机采集反馈环境中温湿度和光照度数据，并通过PWM占空比的动态调节，保持照射到植物的红绿蓝三色波段的光照度以及光质比例恒定不变，同时也实现温湿度在设定范围内的智能调节。光源模块由光学软件 TracePro 仿真设计，且系统经测试分析表明PFD在辐照平面分布均匀且与仿真一致，温湿度在设定范围内调节稳定，系统误差小，适用于温室补光照明。

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