基于植物專家系統(tǒng)的智能LED光照控制系統(tǒng)設計.pdf

<p>第39 卷 第 期 2018 年 月 自 動 化 儀 表 PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION Vol39 No Apr2018 收 稿 日 期 :2017-08-01 作 者 簡 介 : 范 瑋(1998)， 女， 在 讀 本 科 生， 主 要 從 事 測 控 技 術 與 儀 器 方 向 的 研 究，E-mail:10152938mailecusteducn; 劉 濟( 通 信 作 者)， 女， 博 士， 副 教 授， 主 要 從 事 工 業(yè) 過 程 建 模 與 控 制、 測 控 技 術 及 系 統(tǒng) 的 研 究，E-mail:jiliuecusteducn 基 于 植 物 專 家 系 統(tǒng) 的 智 能ED 光 照 控 制 系 統(tǒng) 設 計 范 瑋 , 程 予 任 , 孟 昭 閣 , 劉 濟 ( 華 東 理 工 大 學 信 息 科 學 與 工 程 學 院， 上 海2012) 摘 要 : 光 照 度 是 植 物 生 長 的 重 要 環(huán) 境 因 素。 目 前， 我 國 植 物 工 廠 的 光 照 控 制 大 多 使 用 基 于 傳 統(tǒng) 光 源 的 簡 單 控 制 模 式; 即 使 少 數(shù) 使 用 了ED 光 源 的 系 統(tǒng)， 也 只 是 采 用 了 定 波 長、 定 光 強 的ED 光 源。 為 提 供 適 合 植 物 生 長 的 光 環(huán) 境， 設 計 了 基 于 植 物 專 家 系 統(tǒng) 的 智 能 ED 光 照 控 制 系 統(tǒng)。 該 系 統(tǒng) 采 用 紅、 藍 和 遠 紅 外3 色 光ED 組 成 的 發(fā) 光 模 塊 控 制 光 照。 植 物 專 家 依 據(jù) 不 同 生 長 期 植 物 對 光 譜 的 選 擇 性 吸 收 特 點， 設 定 各 色 光 在 各 生 長 期 的 光 照 度; 以 單 片 機 為 核 心 的 控 制 系 統(tǒng) 實 時 檢 測 環(huán) 境 光 照 度， 并 與 專 家 設 定 值 進 行 比 較， 計 算 實 際 調(diào) 光 量; 由 脈 寬 調(diào) 制(PWM) 信 號 控 制 發(fā) 光 模 塊 各 色 光 光 照 度。 控 制 系 統(tǒng) 具 有 光 照 度 超 限 報 警 及 溫 濕 度 自 動 控 制 的 功 能， 既 可 以 實 現(xiàn) 光 環(huán) 境 的 自 動 控 制， 也 可 以 根 據(jù) 用 戶 需 要 靈 活 調(diào) 控， 具 有 操 作 簡 便、 控 制 精 確、 能 源 利 用 率 高 的 特 點。 關 鍵 詞 : 植 物 專 家 系 統(tǒng); 單 片 機; 脈 寬 調(diào) 制; 光 波 長 配 比; 光 照 度 中 圖 分 類 號 :T89;TP2735 &nbsp; &nbsp;文 獻 標 志 碼 :A &nbsp; &nbsp;DOI:1016086/jcnkiissn1000-03802017070066 &nbsp;DesignoftheIntelligentLEDIlluminationControlSystem BasedonPlantExpertSystem FANWei，CENGYuren，MENGZhaoge，IUJi (SchoolofInformationScienceandEngineering，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai2012，China) Abstract:IlluminationisanimportantenvironmentalfactorforplantgrowthAtpresent，lightcontrolinplantfactoryinour countryisstillworkingwithasimplecontrolmode，whichisbasedonthetraditionallightsources，theEDlightsourceisonly usedbyasmallnumberofsystems，andtheEDlightsourceisfixedwavelengthandlightintensityInordertoprovidethe suitablelightenvironmentfortheplantgrowth，anintelligentEDilluminationcontrolsystembasedonplantexpertsystemis designedInthissystem，thelightemittingmodulecomposingofred，blueandfarinfraredthree-colorEDisadopted，andthe illuminanceofeachcolorlightindifferentgrowingperiodsissetbyplantexpertsystembasedonthecharacteristicsofplant selectiveabsorptionspectrumWithsinglechipasthekernel，thecontrolsystemmonitorstheambientilluminationinrealtime， compareswithexpertsetvalue，andcalculatestheactualdimmingamountandcontrolsthebrightnessoftheEDlightmodules throughpulse widthmodulation(PWM) signalThe system also providesthe functionsof illumination over-limit alarm and automaticcontrolfortemperatureandhumidityThesystemcancontrolthelightenvironmentautomatically，andregulateflexibly accordingtousersneedsItfeatureseaseoperation，accuratedetectionandhighusageofenergy Keywords: Plantexpertsystem;Singlechip;Pulsewidthmodulation(PWM);ightwavelengthratio;Illuminance 0 引 言 光 照 是 植 物 生 長 至 關 重 要 的 條 件。 光 環(huán) 境 不 僅 影 響 植 物 的 光 合 速 率， 還 參 與 調(diào) 節(jié) 植 物 每 個 生 長 階 段 的 生 理 過 程。 因 此， 光 照 控 制 系 統(tǒng) 的 創(chuàng) 新 尤 為 重 要。 當 前， 國 內(nèi) 的 植 物 工 廠 普 遍 通 過 遮 蓋 或 開 關 光 源 來 調(diào) 控 光 環(huán) 境。 這 些 方 法 不 僅 無 法 調(diào) 控 各 波 長 光 的 發(fā) 光 強 度 和 比 例， 還 存 在 部 分 光 譜 被 浪 費、 光 譜 匹 配 不 理 想、 光 能 利 用 率 低 等 缺 點。 此 外， 工 廠 大 多 使 用 的 是 高 壓 鈉 燈 等 傳 統(tǒng) 光 源， 屬 于 熱 光 源。 其 大 量 產(chǎn) 熱 使 環(huán) 境 溫 度 升 高， 降 低 了 實 際 經(jīng) 濟 效 益。 ED 光 源 波 長 范 圍 窄、光 譜 可 調(diào) 性 好， 可 以 組 合 出 更 適 宜 植 物 生 長 吸 收 的 波 長。 同 時， 冷 光 源ED 體 積 小， 可 以 實 時 使 用 不 同 波 長 組 合 的 光， 分 別 對 不 同 位 置 進 行 多 種 方 式 的 照 射， 如 點 照 射、 面 照 射、 大 面 積 補 光 等， 對 植 物 生 長 發(fā) 育 有 顯 著 的 促 進 作 用。 第 期 基 于 植 物 專 家 系 統(tǒng) 的 智 能ED 光 照 控 制 系 統(tǒng) 設 計 范 瑋 , 等 目 前， 僅 少 數(shù) 國 家 研 發(fā) 成 功 先 進 的 光 照 控 制 系 統(tǒng)， 例 如 基 于 嵌 入 式CPU 改 變 輸 出 脈 寬 調(diào) 制(pulsewidth modulation，PWM) 占 空 比 來 調(diào) 節(jié) 補 光 燈 的 亮 度、 采 用 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 技 術 進 行 遠 程 監(jiān) 控 等 1 。 日 本 第 一 座 自 動 控 制 植 物 工 廠 于197 年 問 世， 至1998 年 其 已 有 該 類 型 的 植 物 工 廠 近0 個。 美 國 以 垂 直 農(nóng) 業(yè) 模 式 和 ED 創(chuàng) 新 應 用 推 動 該 技 術 2 。 歐 洲 則 主 要 由 飛 利 浦、 Plantab 等 大 公 司 以 及Greenhouse orticulture Team 科 研 所 等 合 作 開 展ED 立 體 栽 培 和 溫 室 補 光 的 示 范 試 驗。 如 何 有 效 進 行 光 環(huán) 境 調(diào) 控 的 問 題 引 起 了 許 多 學 者 和 企 業(yè) 家 的 高 度 重 視， 已 成 為 研 究 熱 點。 現(xiàn) 有 研 究 大 多 集 中 于 溫 濕 度 環(huán) 境 參 數(shù) 調(diào) 控 和 周 期 補 光 3 ， 如: 集 裝 箱 植 物 工 廠 自 動 控 制 系 統(tǒng) 采 用 順 序 控 制 進 行 營 養(yǎng) 液 循 環(huán) 和ED 定 周 期 補 光 ; 基 于 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 的 智 能 生 態(tài) 保 障 系 統(tǒng) 可 以 調(diào) 控 植 物 生 長 的 水 環(huán) 境 5 ; 植 物 園 無 線 網(wǎng) 絡 智 能 管 理 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 可 以 智 能 控 制 園 內(nèi) 照 明 6 。 當 前， 該 領 域 大 部 分 光 環(huán) 境 調(diào) 控 研 發(fā) 方 案 和 產(chǎn) 品 仍 采 用 定 光 強、 定 光 波 長 比 的 光 照 方 式 7 ， 很 容 易 造 成 光 照 不 足 和 光 照 過 度 的 現(xiàn) 象。 國 內(nèi) 具 有 自 主 知 識 產(chǎn) 權(quán) 的 智 能ED 光 照 自 動 控 制 系 統(tǒng) 的 研 發(fā) 基 本 還 是 空 白。 1 植 物 光 照 控 制 專 家 知 識 光 是 植 物 生 長 發(fā) 育 所 需 要 的 主 要 環(huán) 境 因 素， 其 主 要 通 過3 個 參 數(shù) 影 響 植 物 生 長， 即 光 質(zhì)、 光 照 度 和 光 周 期 8 。 1.1 光 質(zhì) 對 植 物 生 長 的 影 響 光 質(zhì) 即 光 的 波 長， 它 既 能 作 為 一 種 能 源 控 制 光 合 作 用， 又 能 作 為 一 種 觸 發(fā) 信 號 影 響 植 物 的 生 長。 葉 綠 素 是 影 響 植 物 光 合 作 用 的 重 要 色 素， 植 物 的 葉 綠 素a、 b 在 紅 橙 光 和 藍 紫 光 波 段 有 兩 個 吸 收 峰。 不 同 波 長 的 光 對 植 物 的 生 長 發(fā) 育、 種 子 萌 芽、 開 花 結(jié) 果 及 形 態(tài) 建 成 等 方 面 的 影 響 各 不 相 同。 光 譜 范 圍 對 植 物 生 長 的 影 響 如 表1 所 示 9 。 表1 光 譜 范 圍 對 植 物 生 長 的 影 響 Tab.1 Theeffectsofspectralrangeonplantgrowth 波 長/nm 影 響 280，315 對 植 物 生 長 過 程 以 及 形 態(tài) 建 成 的 影 響 很 小 (315，00 葉 綠 素 吸 收 少， 阻 礙 莖 伸 長 (00，520 葉 綠 素 與 類 胡 蘿 卜 素 吸 收 率 高， 有 利 于 長 葉 (520，610 色 素 的 吸 收 率 低 (610，720 葉 綠 素 吸 收 率 較 高， 有 利 于 開 花 及 結(jié) 果(720，1000 色 素 的 吸 收 率 低， 影 響 開 花 與 種 子 萌 芽自 然 光 輻 射 的 光 譜 不 能 被 植 物 全 部 吸 收。 植 物 主 要 吸 收 波 長 為595700nm 的 紅 橙 光 和37035nm 的 藍 紫 光 10 。 研 究 表 明， 紅 橙 光 對 葉 綠 素 的 形 成 及 碳 水 化 合 物 的 合 成 起 重 要 作 用; 藍 紫 光 則 對 蛋 白 質(zhì) 合 成 有 重 要 作 用， 且 紫 外 線 有 利 于 維 生 素C 的 合 成。 合 適 的 紅 光 與 藍 光 的 光 通 量 之 比( 即R/B) 是 確 保 培 育 出 形 態(tài) 健 全 植 株 的 必 要 條 件。 根 據(jù) 不 同 植 物 的 生 長 特 性 及 其 生 長 發(fā) 育 的 需 求， 可 以 選 擇 不 同 的B/R。2007 年， 魏 靈 玲 等 進 行 了 黃 瓜 育 苗 試 驗， 發(fā) 現(xiàn) 在B/R 為71 時， 黃 瓜 苗 的 各 項 生 理 指 標 最 優(yōu) 11 。2015 年， 楊 維 杰 等 進 行 了 鐵 皮 石 斛 培 育 試 驗， 發(fā) 現(xiàn) 在 紅 藍 比 為11 時， 可 以 有 效 縮 短 鐵 皮 石 斛 播 種 階 段 的 生 長 時 間; 而 在 紅 藍 比 為1 時， 鐵 皮 石 斛 多 糖 含 量 較 高， 可 以 有 效 提 升 鐵 皮 石 斛 的 品 質(zhì) 12 。 紅 藍 光 質(zhì) 比 的 選 擇 要 依 據(jù) 具 體 植 物 所 需 的 生 長 條 件， 如 生 菜 要 選 擇 刺 激 提 高 莖 葉 質(zhì) 量 及 產(chǎn) 量 的 補 光 方 案，可 以 適 當 增 加 藍 光 比 例; 西 紅 柿 要 選 擇 刺 激 其 開 花 結(jié) 果 的 補 光 方 案， 可 以 適 當 增 加 紅 光 比 例。 植 物 生 長 發(fā) 育 中 對 不 同 波 長 光 配 比 的 需 求 可 以 由 不 同 顏 色 的 ED 組 合 滿 足。 1.2 光 照 度 對 植 物 生 長 的 影 響 光 照 度 對 植 物 生 長 發(fā) 育 的 影 響 程 度， 因 植 物 的 種 類 特 性 而 各 不 相 同。 植 物 可 根 據(jù) 光 照 度 影 響 效 果 分 為 陽 生 植 物、 陰 生 植 物 及 中 生 植 物。 植 物 的 光 響 應 曲 線 如 圖1 所 示。 圖1 植 物 光 響 應 曲 線 Fig1 ightresponsecurveofplant 由 圖1 可 知， 光 合 速 率 隨 著 光 照 度 的 增 大 將 不 斷 上 升， 直 至 光 飽 和 點。 A 點 為 光 補 償 點， 表 示 當 植 物 光 合 速 率 隨 光 照 度 的 下 降 而 降 低 時， 植 物 光 合 作 用 制 造 和 呼 吸 作 用 吸 收 的 有 機 物 達 到 平 衡 狀 態(tài) 的 光 照 度。 B 點 為 光 飽 和 點， 表 示 光 合 速 率 不 再 隨 光 照 度 上 升 而 提 高 時 的 光 照 度。 通 常， 陽 生 植 物 的 光 補 償 點 較 高， 陰 生 植 物 光 補 償 點 較 低。 光 照 度 會 影 響 植 物 的 生 長 發(fā) 育、 結(jié) 構(gòu) 特 征、 花 芽 分 化 以 及 果 實 產(chǎn) 量。 不 同 植 物 對 光 照 度 的 需 求 不 同， 只 有 選 擇 合 適 的 光 照 度， 才 能 促 進 植 物 良 好 生 長。 · 7 2 · 自 動 化 儀 表 第39 卷 1.3 光 周 期 對 植 物 生 長 的 影 響 植 物 對 光 照 時 間 的 需 求 各 不 相 同， 可 以 分 為 短 日 照、 長 日 照 和 中 日 照 這3 類。 查 閱 相 關 資 料 發(fā) 現(xiàn)， 光 周 期 對 長 日 照 植 物 影 響 顯 著。 若 光 照 時 間 不 足， 植 株 花 芽 的 形 成 會 受 到 抑 制; 而 長 日 照 條 件， 則 能 使 植 株 持 續(xù) 健 康 生 長。 不 同 植 物 對 光 照 時 間 的 不 同 需 求 可 以 通 過 ED 光 照 控 制 系 統(tǒng) 來 實 現(xiàn)。 2 控 制 系 統(tǒng) 總 體 設 計 目 前， 國 內(nèi) 大 部 分 研 發(fā) 方 案 和 產(chǎn) 品 未 考 慮 到 一 個 重 要 因 素， 即 不 同 植 物 在 不 同 生 長 階 段 的 需 光 量 及 光 輻 射 波 長 存 在 差 異。 因 此， 這 些 研 發(fā) 方 案 和 產(chǎn) 品 沒 有 真 正 意 義 上 解 決 核 心 問 題， 即 采 用 自 動 控 制 技 術 來 實 現(xiàn) 低 能 耗、 精 準 化 的 補 光 問 題。 故 本 文 設 計 的 光 照 控 制 系 統(tǒng) 引 入 植 物 專 家 系 統(tǒng)， 根 據(jù) 植 物 專 家 已 有 的 研 究 結(jié) 果， 獲 取 不 同 階 段 的 最 適 光 照 經(jīng) 驗 數(shù) 據(jù)， 并 通 過 調(diào) 節(jié) ED 光 源 的 三 色 光 波 長 配 比、 光 照 度 和 光 照 周 期， 實 現(xiàn) 植 物 的 最 適 光 環(huán) 境 調(diào) 控， 從 而 保 證 植 物 一 直 處 于 最 佳 生 長 狀 態(tài)。 該 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 點 在 于 調(diào) 節(jié) 精 度 高， 適 應 性 強， 便 于 用 戶 操 作。 當 栽 培 植 物 的 品 種 發(fā) 生 變 化 時， 系 統(tǒng) 可 以 通 過 人 機 界 面 或 控 制 器 按 鍵 靈 活 地 改 變 系 統(tǒng) 參 數(shù)， 將 植 物 生 長 環(huán) 境 調(diào) 節(jié) 到 最 適 光 環(huán) 境， 減 少 了 控 制 設 備 變 更 的 投 入， 節(jié) 省 時 間， 提 高 了 生 產(chǎn) 效 率。 控 制 系 統(tǒng) 總 體 結(jié) 構(gòu) 如 圖2 所 示。 圖2 控 制 系 統(tǒng) 總 體 結(jié) 構(gòu) 圖 Fig2 Theoverallstructureofcontrolsystem 控 制 系 統(tǒng) 采 用 模 塊 化 設 計， 包 括 主 控 制 器 單 片 機、 人 機 交 互 模 塊、 檢 測 模 塊、 異 步 串 行 通 信 模 塊、 報 警 模 塊、ED 發(fā) 光 模 塊 以 及 電 源 模 塊。 其 中， 檢 測 模 塊 包 括 光 照 度 測 量 電 路 和 溫 濕 度 測 量 電 路。 異 步 串 行 通 信 模 塊 包 括RS-232/85 通 信 光 電 隔 離 模 塊、MA232 串 口 通 信 模 塊 以 及 在 線 編 程 程 序 下 載 電 路。 ED 發(fā) 光 模 塊 包 括 光 耦 合PWM 輸 出 隔 離 電 路、PWM 驅(qū) 動 電 路 以 及ED 發(fā) 光 模 塊。 控 制 系 統(tǒng) 軟 件 包 括 單 片 機 系 統(tǒng) 軟 件 和 上 位 機 系 統(tǒng) 軟 件。 系 統(tǒng) 具 備 上 位 機、 主 控 制 器 聯(lián) 機 控 制 和 下 位 機 自 動 控 制 這2 種 控 制 模 式。 此 外， 僅ED 光 源 通 過PWM 控 制 的 方 式 實 現(xiàn) 連 續(xù) 控 制， 其 他 設 備 均 通 過 電 磁 繼 電 器 實 現(xiàn) 開 關 控 制。 2.1 人 機 交 互 模 塊 上 位 機 實 現(xiàn) 基 于 植 物 專 家 系 統(tǒng) 的 光 照 度 和 各 色 光 波 長 配 比 的 設 置， 并 顯 示 監(jiān) 測 結(jié) 果， 采 用 鍵 盤 輔 助 設 備 進 行 參 數(shù) 調(diào) 整。 植 物 專 家 系 統(tǒng) 由 知 識 庫、 推 理 機、 綜 合 數(shù) 據(jù) 庫、 知 識 獲 取 這 個 部 分 構(gòu) 成。 首 先， 將 植 物 專 家 試 驗 分 析 得 到 的、 關 于 植 物 生 長 最 適 光 照 度 的 知 識 存 儲 在 知 識 庫。 然 后， 推 理 機 針 對 當 前 不 同 植 株 的 不 同 生 長 時 期， 利 用 系 統(tǒng) 已 有 的 專 業(yè) 知 識 獲 取 相 應 數(shù) 據(jù)， 并 采 用 逆 向 推 理 反 復 匹 配 知 識 庫 中 的 規(guī) 則， 得 到 光 照 的 最 適 值。 推 理 過 程 中 所 需 的 原 始 數(shù) 據(jù)、 中 間 結(jié) 果 和 最 終 結(jié) 論， 暫 時 存 儲 于 綜 合 數(shù) 據(jù) 庫。 此 外， 通 過 知 識 獲 取 擴 充、 修 改 知 識 庫 中 的 內(nèi) 容。 2.2 檢 測 模 塊 檢 測 模 塊 實 時 檢 測 紅、 藍 和 紅 外 光 的 光 照 度 及 環(huán) 境 溫 濕 度， 對 檢 測 信 號 進 行 處 理 后 將 其 傳 入 單 片 機， 實 現(xiàn) 對 溫 濕 度、 光 照 數(shù) 據(jù) 的 采 集。 光 照 度 檢 測 要 求 光 照 度 傳 感 器 瞬 時 檢 測3 種 光 單 色 的 光 照 度， 可 采 用 兩 種 檢 測 方 案: 在 普 通 光 照 傳 感 器 基 礎 上 加 濾 鏡， 分 別 用3 個 傳 感 器 檢 測3 種 光 的 光 照 度， 共 同 組 成 系 統(tǒng) 所 需 光 傳 感 器; 采 用1 個 傳 感 器， 通 過 單 片 機 控 制 不 同ED 的 關 閉， 檢 測 當 前 單 色 光 光 照 度。 此 外， 植 物 生 長 光 照 模 塊 包 含 了 可 見 光 和 紅 外 波 段 光 的 測 量 模 塊。 在 紅 外 頻 段 測 量 時， 要 求 檢 測 紅 外 波 長 的 傳 感 器 能 夠 檢 測50700nm 波 段 的 光 譜， 從 而 保 證 檢 測 模 塊 測 量 值 的 準 確 性。 溫 濕 度 檢 測 采 用 可 以 同 時 檢 測 溫 度 和 濕 度 的 數(shù) 字 傳 感 器， 要 求 可 檢 測 溫 度 范 圍 為050( 精 確 度 為±1)、 濕 度 范 圍 為20%90%( 精 確 度 為±%)。 為 了 避 免 數(shù) 據(jù) 傳 送 時 出 現(xiàn) 沖 突， 在 數(shù) 據(jù) 輸 出 端 接 上 拉 電 阻。 2.3 報 警 模 塊 報 警 模 塊 包 括 聲 音 報 警 和ED 燈 光 報 警。 當 系 統(tǒng) 檢 測 到 溫 度、 濕 度 等 參 數(shù) 超 過 警 戒 值 或 發(fā) 生 錯 誤 時， 系 統(tǒng) 發(fā) 出 控 制 信 號 驅(qū) 動ED 燈 光 報 警 和 聲 音 報 警， 提 醒 操 作 者 進 行 相 關 處 理， 直 到 系 統(tǒng) 復 位 鍵 被 按 下， 停 止 報 警。 在 打 開ED 紫 外 線 燈 進 行 滅 菌 操 作 時， 聲 光 報 警 提 醒 人 員 離 開。 2.4 LED 發(fā) 光 模 塊 ED 發(fā) 光 模 塊 采 用 三 路 恒 流 驅(qū) 動 電 路。 該 模 塊 利 用PWM 控 制 技術， 分 別控 制 紅、 藍、 紅 外 三 色ED 光 源 的 發(fā) 光亮 度， 得 到 與 植 物 專 家 系 統(tǒng) 匹 配 的、 最 適 宜 植 物 生 長 的3 種光 的單 色 光 照度， 以 及最 適 配 比的 光 環(huán) 境。 本 光 照 控 制 系 統(tǒng) 的 軟 件 包 括 單 片 機 系 統(tǒng) 軟 件 和 上 · 8 2 · 第 期 基 于 植 物 專 家 系 統(tǒng) 的 智 能ED 光 照 控 制 系 統(tǒng) 設 計 范 瑋 , 等 位 機 系 統(tǒng) 軟 件。 單 片 機 軟 件 采 用 循 環(huán) 掃 描 的 方 法 讀 取 各 光 照 和 溫 濕 度 傳 感 器 采 集 的 數(shù) 據(jù)， 并 進 行 運 算。 在 聯(lián) 機 模 式 下， 單 片 機 與 上 位 機 之 間 通 過 串 口 中 斷 程 序 實 現(xiàn) 通 信， 單 片 機 打 包 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 上 傳 至 上 位 機， 并 接 收 上 位 機 發(fā) 送 的 控 制 信 號， 輸 出 給 光 照 驅(qū) 動 模 塊 和 溫 濕 度 控 制 設 備。 在 單 機 模 式 下， 單 片 機 根 據(jù) 傳 感 器 檢 測 數(shù) 據(jù) 和 內(nèi) 置 設 定 值 的 偏 差， 進 行 控 制 運 算， 并 自 動 向 各 控 制 設 備 輸 出 控 制 信 號。 上 位 機 軟 件 系 統(tǒng) 主 要 實 現(xiàn) 植 物 專 家 系 統(tǒng)、 現(xiàn) 場 數(shù) 據(jù) 監(jiān) 控 與 處 理、 人 機 交 互 操 作、 串 口 通 信 和 全 系 統(tǒng) 控 制 等 功 能。 其 中， 數(shù) 據(jù) 監(jiān) 控 和 處 理 功 能 是 將 環(huán) 境 參 數(shù) 以 動 態(tài) 數(shù) 據(jù)、 曲 線、 表 格 等 各 種 方 式 實 時 顯 示 并 存 儲， 而 且 可 自 動 超 限 報 警。 3 光 環(huán) 境 和 溫 濕 度 控 制 方 案 3.1 光 環(huán) 境 控 制 方 案 光環(huán) 境控 制 方 案 采 用 閉 環(huán) 自 動 控 制 系 統(tǒng)。 該 系 統(tǒng) 由 兩 部分 組 成， 一 部分 是植 物 專 家 系 統(tǒng) 所 得 控 制 信 號 的 正 向 通路， 另 一部 分是 光照 傳 感 器 所 得 檢 測 信 號 的 反 饋 通路。 該 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 了 對3 種 光 單 色 光 照 度 及 配 比 的 實 時檢 測和 控 制。 以 紅光 光 照 度 控 制 為 例，光 照 度 控 制 方 案如 圖3 所 示。 藍 光 及遠 紅外 光 的 控制 方案 類 同。 圖3 光 照 度 控 制 方 案 Fig3 Controlschemeofillumination 在 主 控 制 器 自 動 控 制 模 式 下， 植 物 專 家 系 統(tǒng) 需 預 先 設 定 該 時 期 植 物 生 長 最 適 合 的3 種 光 的 單 色 光 光 照 度 值 以 及 比 例。 單 色 光 傳 感 器 實 時 檢 測 紅、 藍 和 紅 外 光 的 單 色 光 光 照 度， 由 單 片 機 采 集 到 光 照 度 的 數(shù) 字 信 號 后， 將 當 前 的 采 樣 值 通 過 串 行 通 信 傳 送 給 上 位 機。 當 光 照 度 高 于 或 低 于 其 設 定 值 時， 根 據(jù) 設 定 值 與 實 際 值 偏 差， 計 算 出 控 制 量 并 下 傳 到 單 片 機， 由 單 片 機 分 別 產(chǎn) 生 對 應 的PWM 控 制 信 號， 計 算 對 應PWM 控 制 信 號 的 占 空 比; 通 過 三 路ED 控 制 電 路， 調(diào) 整ED 發(fā) 光 模 塊 中 各 單 色 光 輸 出 的 光 照 度 及 三 色 光 比 例。 該 方 案 可 根 據(jù) 植 物 的 需 求， 調(diào) 節(jié) 光 波 長 配 比， 滿 足 單 位 面 積 上 光 合 作 用 所 需 的 照 度 值。 3.2 溫 濕 度 控 制 方 案 單 片 機 通 過 溫 度 傳 感 器 實 時 對 溫 度 進 行 檢 測， 根 據(jù) 控 制 要 求 打 開 或 關 閉 加 熱 源。 若 溫 度 過 高， 還 要 考 慮 開 啟 冷 風 機， 從 而 實 現(xiàn) 溫 度 自 動 控 制， 使 植 物 溫 室 保 持 在 最 適 宜 的 溫 度。 溫 度 控 制 方 案 如 圖 所 示。 濕 度 控 制 方 案 與 溫 度 控 制 方 案 相 似， 但 執(zhí) 行 器 為 電 加 濕 器 與 除 濕 機。 圖 溫 度 控 制 方 案 Fig Controlschemeoftemperature 4 結(jié) 束 語 光環(huán) 境對 植 物 生 長 有 重 要 的 影 響。 由 于 目 前 國 內(nèi) 的 光 環(huán)境 控 制 系 統(tǒng) 較 為 落 后， 所 以 在ED 飛 速 發(fā) 展 的 背 景 下研 究 光 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 有 著 重 要 的 意 義。 本 文 設 計 的、 基 于 植 物專 家 系 統(tǒng) 的 智 能ED 光 照 控 制 系 統(tǒng)， 選 擇 紅、 藍 和 紅 外 光 三 色ED 組 成 發(fā) 光 模 塊 控 制 植 物 的 光 照 環(huán)境; 基 于 單 片 機， 運 用 植 物 專 家 系 統(tǒng) 實 時 設 定 最 適 宜 的各 色光 照 度 配 比， 采 用 閉 環(huán) 自 動 控 制 的 方 法， 可 實 現(xiàn) 光 環(huán) 境 的 低 能 耗、 高 精 準 自 動 調(diào) 節(jié) 以 及 環(huán) 境 溫 濕 度 的 自 動 控 制， 從 而 達 到 在 惡 劣 條 件 下 自 動 控 制 植 株 形 態(tài) 建 成 和 生 長 發(fā) 育 的 目 的， 帶 來 了 良 好 的 經(jīng) 濟 效 益。 經(jīng) 軟、 硬 件 聯(lián) 合 調(diào) 試， 該 控 制 系 統(tǒng) 運 行 良 好。 參 考 文 獻 : 1 時 志 立 植 物 工 廠 設 計 與 光 環(huán) 境 控 制 的 研 究D 鎮(zhèn) 江: 江 蘇 大 學，201 2 STAATSJD-Root:asystemtocultivateplantswiththerootin darknessorunderdifferentlightconditionsJPlantJournalfor Cell&amp;MolecularBiology，2015，8(1):2 3 唐 凱 濤， 賈 鶴 鳴， 黎 育 朋， 等 基 于stm32 的 植 物 工 廠 環(huán) 境 控 制 示 教 系 統(tǒng) 設 計J 科 教 文 匯 旬 刊，2016(5):32-3 趙 倩， 王 琨 琦， 聶 銘 君， 等 集 裝 箱 植 物 工 廠 自 動 控 制 系 統(tǒng) 建 立J 農(nóng) 機 化 研 究，2016(10):217-222 5 許 東， 高 杰 基 于 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 的 智 能 生 態(tài) 保 障 系 統(tǒng)J 自 動 化 儀 表，2016，37(2):1- 6 張 俊 濤， 李 恒， 陳 曉 莉 植 物 園 無 線 網(wǎng) 絡 智 能 管 理 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 的 設 計J 自 動 化 儀 表，201，35(3):6-7 7 杜 曉 峰 探 究 單 色 光 對 植 物 光 合 作 用 影 響 的 實 驗 裝 置J 中 國 科 技 教 育，2016(1):28-29 8 丁 久 玲， 鄭 凱， 俞 祿 生 淺 析 光、 溫、 水 對 室 內(nèi) 植 物 生 長 發(fā) 育 的 影 響J 浙 江 農(nóng) 業(yè) 科 學，2012(10):158-161 9 朱 雪 菘， 劉 木 清 光 對 植 物 生 長 影 響 機 理 的 初 步 探 討J 燈 與 照 明，2016(1):1- 10 朱 雪 菘， 劉 木 清ED 補 充 照 明 系 統(tǒng) 用 于 促 進 鐵 皮 石 斛 生 長 的 初 步 研 究J 照 明 工 程 學 報，2016，27(2):118-123 11 魏 靈 玲， 楊 其 長， 劉 水 麗 密 閉 式 植 物 種 苗 工 廠 的 設 計 及 其 光 環(huán) 境 研 究J 中 國 農(nóng) 學 通 報，2007，23(12):15-19 12 楊 維 杰， 梁 君， 楊 林 林 不 同ED 光 質(zhì) 對 鐵 皮 石 斛 生 長 及 多 糖 含 量 的 影 響J 浙 江 農(nóng) 業(yè) 科 學，2015，56(6):1188-1190 · 9 2 ·</p>