植物照明系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

一、植物照明系統(tǒng)的功能目標(biāo)設(shè)計(jì)

本文擬設(shè)計(jì)一個(gè)集監(jiān)測、管理、控制于一體的植物照明系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)易用、高效、可靠的節(jié)能型植物照明系統(tǒng)。植物照明需要重點(diǎn)關(guān)注如下因素：

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

(2)光質(zhì)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(jù)需要有選擇性地吸收相應(yīng)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(lán)光區(qū)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(lán)光的吸收最多。

(3)光周期：光周期是指植物對光照周期(日照時(shí)間長度)和暗周期(黑夜時(shí)間長度)交替出現(xiàn)的要求，光周期也同樣影響著植物的生長發(fā)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(shí)間越長，則開花越早。

為了更好地栽培植物，植物照明系統(tǒng)需能對光照強(qiáng)度、光質(zhì)量和光周期等進(jìn)行相應(yīng)的匹配和調(diào)節(jié)。綜上，系統(tǒng)具體的功能目標(biāo)設(shè)計(jì)如下：

(1)合適的光源。為滿足植物對光質(zhì)量和光照強(qiáng)度的需求，光源應(yīng)盡量匹配植物所需的光譜，并且能達(dá)到植物光合作用飽和點(diǎn)處的光照強(qiáng)度。同時(shí)，光源還需考慮節(jié)能與環(huán)保性，以降低系統(tǒng)的能耗和對環(huán)境的污染。

(2)靈活的燈光控制。系統(tǒng)需能對光照強(qiáng)度、光周期進(jìn)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(shí)，植物照明系統(tǒng)往往范圍大、光源較多，因此除了單點(diǎn)控制，系統(tǒng)還應(yīng)支持多點(diǎn)控制。

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

(4)簡易、實(shí)時(shí)的環(huán)境監(jiān)測。除了光照要求以外，環(huán)境因素如光照強(qiáng)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(shí)的了解環(huán)境狀況并采取相應(yīng)的措施。因此，為了節(jié)省人力成本并減小環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜度，也為了減少人為出錯(cuò)率，系統(tǒng)需要將這些環(huán)境參數(shù)數(shù)字化、集中化，以實(shí)現(xiàn)簡易、實(shí)時(shí)的環(huán)境監(jiān)測。

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

其中，前三者構(gòu)成植物照明系統(tǒng)的主要功能，本文將著重對前三者進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

二、植物照明系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

根據(jù)上一節(jié)的功能目標(biāo)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)需具備簡單和高效的控制方式，而無線控制技術(shù)支持遠(yuǎn)程、集中化的控制并能節(jié)省安裝、維護(hù)成本，正好可滿足該功能目標(biāo)。因此，本文在系統(tǒng)控制上設(shè)計(jì)使用無線通信技術(shù)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-2所示。

系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)控制中心、受控節(jié)點(diǎn)和無線通信線路三大部分構(gòu)成。受控節(jié)點(diǎn)處包括燈具節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)，以支持燈光控制以及環(huán)境監(jiān)測?？刂浦行挠蓡纹瑱C(jī)、無線通信模塊、以太網(wǎng)模塊和串口模塊等組成，是系統(tǒng)的核心，主要功能是對整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理和控制。串口模塊的設(shè)計(jì)為PC控制端提供直接的訪問接口，而無線通信模塊的設(shè)計(jì)為手機(jī)、pad等控制終端提供直接的訪問和控制接入。系統(tǒng)可通過以太網(wǎng)模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓展，如提供遠(yuǎn)程云端控制、基于web的網(wǎng)絡(luò)控制等；多個(gè)植物照明系統(tǒng)也能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，提供遠(yuǎn)距離或大面積的分布式管理和控制。

植物照明系統(tǒng)的各項(xiàng)功能由受控節(jié)點(diǎn)來具體實(shí)現(xiàn)?？刂浦行暮褪芸毓?jié)點(diǎn)之間采用無線通信技術(shù)建立連接，所以系統(tǒng)能以集中控制的方式實(shí)現(xiàn)對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息獲取和控制。另外，控制中心處給手機(jī)、電腦等控制端提供了多種通信接口，系統(tǒng)能通過手機(jī)、電腦等控制設(shè)備便捷地進(jìn)行管理和控制，具有很強(qiáng)的拓展性。

三、植物照明系統(tǒng)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(yuǎn)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(bǔ)充光源。然而，只有30%的電能被高壓鈉燈轉(zhuǎn)換為光，70%的電能轉(zhuǎn)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(huán)境中產(chǎn)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(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)以避免環(huán)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(fā)展。

金屬鹵化物燈的電光轉(zhuǎn)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(xiàn)更好，更加適合植物的生長。熒光燈不能提供遠(yuǎn)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(qiáng)度比高壓鈉燈和金屬鹵化物燈低，導(dǎo)致其用于植物照明時(shí)產(chǎn)量低下，這極大地限制了熒光燈在植物照明中的應(yīng)用。

相對于上述植物照明光源，LED有著以下優(yōu)點(diǎn)：

(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(nèi)。而單色LED的光譜可囊括所有從藍(lán)光到紅光的可見光范圍光譜，能精準(zhǔn)匹配植物吸收光譜，光能有效利用率可達(dá)80%到90%，使其在植物照明領(lǐng)域有著重大的作用。

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

(3)更長的使用壽命。據(jù)測試，LED光源的使用壽命在50000小時(shí)以上，如果使用合理，這可能還是一個(gè)保守的數(shù)字。由此可見，一個(gè)合理設(shè)計(jì)的LED照明系統(tǒng)可以擁有超出任何傳統(tǒng)光源的壽命。

(4)亮度易調(diào)。作為固態(tài)照明，LED很容易集成到數(shù)字控制系統(tǒng)中。LED的亮度可以通過數(shù)字調(diào)光方式在零和最大亮度之間連續(xù)調(diào)節(jié)。

(5)更低的成本。LED具有更小的維護(hù)成本和用電成本。傳統(tǒng)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(zhèn)流器，相比之下還具有更長的使用壽命，因此節(jié)省了更換燈泡的采購和維護(hù)成本。LED也更加節(jié)能，據(jù)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(huán)保。LED不含有會污染環(huán)境的汞，使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì)。因?yàn)樵谥参镎彰髦蠰ED光能有效利用率高，只需提供更低的光照強(qiáng)度便能達(dá)到其他光源同樣的效果，減少了光污染。

綜上，依據(jù)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、控制高效的設(shè)計(jì)目的并匹配植物照明對光譜和光照強(qiáng)度的要求，本系統(tǒng)將采用LED作為植物照明的光源，并在下文給出相應(yīng)的調(diào)光方案。

四、植物照明系統(tǒng)光源的調(diào)光方案

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

(1)線性調(diào)光：隨著正向電流的增大，LED的輸出光強(qiáng)也會增加并幾乎成比例增長，線性調(diào)光正是利用這種機(jī)制來調(diào)節(jié)亮度。因此，可在LED電路中串聯(lián)一個(gè)可變電阻進(jìn)行調(diào)光，操作非常簡單。但這種方式也有一些缺點(diǎn)：一是電阻會耗費(fèi)大量電能，并轉(zhuǎn)換為熱能浪費(fèi)了，導(dǎo)致電路中電能的利用效率不高；二是LED通常由恒流源驅(qū)動，不適合使用這種調(diào)光方式；三是在通過調(diào)節(jié)電流來改變LED亮度的同時(shí)，可能會改變LED的光譜和色溫，尤其是使用了熒光粉的LED。當(dāng)電流變化時(shí)，LED輸出光強(qiáng)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(zhì)發(fā)生了改變。

(2)模擬調(diào)光：也稱為可控硅調(diào)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(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通角的變化可引起電壓波形的變化(電壓也會相應(yīng)變化)。而導(dǎo)通角可通過內(nèi)部集成的可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)，所以可控硅能通過這種簡單的方式進(jìn)行調(diào)光。這種調(diào)光方式只需在電路中添加一個(gè)可控硅調(diào)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(diào)光時(shí)電壓易發(fā)生波動，導(dǎo)致LED閃爍和發(fā)出噪聲，同時(shí)電壓波形的變化可能會對電網(wǎng)產(chǎn)生電磁干擾。

(3)數(shù)字調(diào)光：即脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光，這種方式利用LED支持快速開關(guān)(可以高達(dá)微秒)的特點(diǎn)，通過改變每個(gè)周期內(nèi)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(diào)節(jié)LED在一個(gè)脈沖周期內(nèi)通電時(shí)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(diào)光時(shí)脈沖頻率很容易設(shè)置為200Hz以上，由于視覺殘留效應(yīng)，人眼在調(diào)光時(shí)感覺不到閃爍。同時(shí)使用PWM調(diào)光時(shí)采用恒流源驅(qū)動，不用擔(dān)心電壓波動引起光譜和色溫變化的問題。

綜合比較之下，PWM調(diào)光方案優(yōu)勢明顯，更加契合本文植物照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。首先，PWM調(diào)光時(shí)LED始終在正常工作狀態(tài)和不工作之間切換，不會有線性調(diào)光方式電能利用率低的問題，也不會產(chǎn)生模擬調(diào)光時(shí)可能發(fā)生的光譜變化現(xiàn)象。同時(shí)對脈沖波形的調(diào)控非常精確，因此數(shù)字調(diào)光能實(shí)現(xiàn)精確調(diào)光且具有較大的調(diào)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(tǒng)的調(diào)光方案。

五、植物照明無線通信技術(shù)選擇

從植物照明系統(tǒng)的研究和發(fā)展可以看到，借助無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡易、集中的控制是未來植物照明系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，物聯(lián)網(wǎng)中常用的幾種短距離無線通信技術(shù)有ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi、紅外連接技術(shù)(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(biāo)準(zhǔn)，不適用于植物照明系統(tǒng)，其他無線技術(shù)對比如下表所示。

其中ZigBee和Z-wave功耗最低，電池壽命能長達(dá)數(shù)百天，大量降低了人工維護(hù)的成本；而Wi-Fi和藍(lán)牙相對來說功耗過高，使用電池只能持續(xù)幾天，所以ZigBee和Z-wave比較適合對功耗比較敏感的工業(yè)領(lǐng)域。將ZigBee和Z-wave進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，ZigBee優(yōu)勢非常明顯：ZigBee采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，而Z-wave采用私有協(xié)議；ZigBee的通信距離和傳輸速率都優(yōu)于Z-wave；ZigBee組網(wǎng)方式更加靈活，能夠支持網(wǎng)狀、樹型和星型多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能適應(yīng)更多應(yīng)用場合；網(wǎng)絡(luò)容量方面ZigBee遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他無線技術(shù)，可最多支持6萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)，足夠滿足植物照明組網(wǎng)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(lán)牙和Wi-Fi可以分別達(dá)到24Mbps和54Mbps。相較于藍(lán)牙、Wi-Fi，ZigBeeb不能和電腦、手機(jī)等控制終端直接通信。為了發(fā)揮ZigBee功耗低、組網(wǎng)強(qiáng)大等優(yōu)勢，同時(shí)彌補(bǔ)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(lán)牙相結(jié)合的ZigBee/藍(lán)牙動態(tài)多協(xié)議技術(shù)作為植物照明系統(tǒng)控制中心的主要無線通信技術(shù)。ZigBee/藍(lán)牙動態(tài)多協(xié)議技術(shù)將在第三章進(jìn)行介紹。

六、植物照明系統(tǒng)硬件軟件平臺

6.1植物照明系統(tǒng)硬件平臺簡介

本系統(tǒng)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(nèi)核，工作頻率可達(dá)40MHz，支持休眠和深度休眠模式，具有功耗低、功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)性好和數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)秀等優(yōu)點(diǎn)，擁有1024KB大小的閃存和256KB大小的RAM；其內(nèi)置的無線通信模塊具有10dBm的最大發(fā)射功率和-102.7dBm的接收靈敏度，可提供出色的鏈路預(yù)算，支持ZigBee/藍(lán)牙動態(tài)多協(xié)議技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更大范圍和更加可靠的無線通信。該芯片含有多達(dá)65個(gè)GPIO口，具有多個(gè)UART、USART、I2C接口、SPI接口、定時(shí)器和12位ADC，可工作在-40℃到80℃溫度范圍內(nèi)，擁有創(chuàng)新的節(jié)能模式，可以快速喚醒。

6.2植物照明系統(tǒng)軟件平臺簡介

Micrium OS是一款功能齊全的嵌入式操作系統(tǒng)，其組件緊密集成在一起，但組件之間依賴關(guān)系很少，支持開發(fā)人員根據(jù)應(yīng)用需求靈活裁剪。該系統(tǒng)基于非常成功的μC/OS-III內(nèi)核，μC/OS-III由Micrium公司提供，是一個(gè)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(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。并且μC/OS-III高度可配置，支持每個(gè)任務(wù)優(yōu)先級的循環(huán)調(diào)度，支持不限數(shù)量的任務(wù)和其他內(nèi)核對象，還可以靈活啟用或禁用內(nèi)核的大部分組件以節(jié)省空間。內(nèi)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(shù)文檔，非常易于使用開發(fā)。出于這些優(yōu)勢，本系統(tǒng)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(wù)管理。與前后臺系統(tǒng)按順序執(zhí)行任務(wù)不同，Micrium OS是一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)將不同任務(wù)進(jìn)行抽象，允許開發(fā)者將功能劃分為多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)一個(gè)模塊。如圖2-4所示，系統(tǒng)內(nèi)核允許多任務(wù)處理，由搶占式調(diào)度程序確定任務(wù)的執(zhí)行順序，一旦優(yōu)先級較高的任務(wù)就緒并處于可運(yùn)行狀態(tài)，搶占式調(diào)度程序就會保存當(dāng)前正在運(yùn)行的較低優(yōu)先級任務(wù)的狀態(tài)并切換至優(yōu)先級較高的任務(wù)運(yùn)行。通常，任務(wù)的狀態(tài)保存在堆棧中，并在可以恢復(fù)執(zhí)行時(shí)從堆棧中恢復(fù)。系統(tǒng)支持信號量、互斥鎖等多種任務(wù)同步機(jī)制，任務(wù)之間通過消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信。

(2)內(nèi)存管理。傳統(tǒng)的內(nèi)存管理器使用內(nèi)存分配相關(guān)函數(shù)動態(tài)地分配和釋放內(nèi)存，容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片。在嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)存非常有限，所以Micrium OS把連續(xù)的大塊內(nèi)存分區(qū)，并為每個(gè)內(nèi)存分區(qū)設(shè)置一個(gè)內(nèi)存控制塊對其進(jìn)行動態(tài)管理以克服內(nèi)存碎片的問題。

(3)時(shí)間管理。定時(shí)器使用稱為滴答的中斷來提醒內(nèi)核，這些中斷以固定頻率發(fā)生，每個(gè)滴答時(shí)間范圍在1ms到100ms之間。在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)允許內(nèi)核為應(yīng)用程序提供任務(wù)延遲服務(wù)、超時(shí)控制和基于時(shí)間的循環(huán)調(diào)度等。Micrium還支持使用動態(tài)滴答，在這種情況下，滴答不以固定頻率運(yùn)行，只有在有任務(wù)時(shí)才會提醒內(nèi)核，因此系統(tǒng)可以保持在低功率狀態(tài)而不會被定期喚醒。

總結(jié)

首先對植物照明系統(tǒng)的功能目標(biāo)進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分是控制中心、受控節(jié)點(diǎn)和無線通信線路。之后對系統(tǒng)的光源選型和調(diào)光方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得知LED是系統(tǒng)最合適的光源，相應(yīng)的最優(yōu)調(diào)光方案為PWM調(diào)光。本章還對無線通信技術(shù)進(jìn)行了比較，選出了最優(yōu)的將ZigBee與藍(lán)牙相結(jié)合的ZigBee/藍(lán)牙動態(tài)多協(xié)議通信方式。最后介紹了系統(tǒng)所使用的硬件、軟件平臺。

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