罗斯瀚2，陈婷1，夏梓祥1，彭文1，王白娟1*
1．云南农业大学（昆明650201）；2．南京政治学院(南京210000)
摘要 随着农业生产的发展，植物对光照的需求越来越高。介绍了一种基于单片机、传感器和CPRS远-4空制技术的三基色LED智能补光控制系统。根据操作人员对植物生长的光照需求的了解，按需控制系统的工作条件，满足植物的补光需求，从而避免不同植物在不同生长阶段以及不同地区补光不足或过度的问题。此外，此系统具有提高资源利用、准确化、无污染、低耗能的特点。结果表明，此系统实现了远程人工管理和光强、系统温湿度的查询功能。
关键词 单片机；CJPRS;传感器：三基色LED;智能补光
光照是地球上各种生物生长发育的能量与信号的来源，动植物的形态建成于新陈代谢过程与光照有着密切关系。长期以来在农业领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等；这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高、寿命短，光谱匹配不理想。因此，开发高光效节能光源是农业领域人工光植物栽培的重要课题。
随着光电技术的发展，LED（Light emitting diode．发光二极管）研制成功，使得低能耗LED光源在农业领域的应用成为现实。单颗的红光或蓝光LED光源光照强度还不能满足植物的生长发育，单色的红光或蓝光LED组合又不能完全满足植物对光的需求，但LED组合光源能克服光强不足和光色单一的缺点，成为植物利用比较高的光源。多年来，国内外学者围绕
LED光源在植物照明领域的应用进行了不懈的探索，取得了重要进展。首先，就红蓝光及其组合光源对植物生长发育的影响进行了研究，充分证明了红蓝光作为光源栽培植物的可行性。Tanaka等利用LED进行植物栽培，结果表明，占空比达25%—50%时，可加速植物生长，复合光质比单一光质更适合植物生长，可以正常培育植物。到目前为止，LED已成功用于植物的栽培，并在植物补光、组培、植物工厂以及航天航空领域取得重要进展．
系统根据不同植物在不同生长阶段的光照需求，结合光的三基色原理设计了一种补光控制系统，并在此基础上引入GPRS远程控制技术，利用C8051F350 MCU与CPRS模块SIM300通过UARTS实现通信，由手机发送控制命令，控制单片机PWM输出功能调节其占空比，控制基于三基色原理的LED光源的光照强度；通过I2C协议实现MCU与温度传感器SHT11、光强传感器ISL29020的通信，实时查询温湿度及光照强度，实现智能化补光和实时监控。
1 系统硬软件设计
1.1系统整体结构
整个系统由六个子模块构成：分别是MCU主控模块、GPRS模块、传感器模块、电源模块、LED恒流驱动模块和三基色LED光源，如图1。电源模块分别产生4.0和3.3 V的稳压直流电给其他模块供电。
1.1功能模块介绍
1.1.1单片机控制模块
控制系统使用的单片机是C8051F350。MCU通过UART（MCU-RX和MCU-TX）与GPRS模块SIM300进行通信，其中MCU-RX、MCU-TX分别对应MCU的P0.5管脚和P0.4管脚。MCU主控模块的电路设计图如图2所示。
1.1.2 GPRS通信模块
系统使用GPRS SIM300无线模块。其内部集成了TC P/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP/AT指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便。通过对串口传送过来的命令进行调制，并将控制命令和采集到的数据打包成短信，通过CPRS网络传输，实现用户端与LED光源双向通信，电路原理图如图3。
1.1.3传感器模块
SHTxx系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
ISL29020具有其他产品无法匹敌的性能、宽动态范围、最佳的光谱响应，低光照条件下的灵敏度(<0.015 l u x)、以及最佳的红外和紫外抑制等特点。
系统利用温湿度传感器SHT11和光数字传感器ISL29020采集LED光源的系统温湿度和光照强度。通过I2C协议实现传感器与C8051F350之间的通信，将其采集到的数据交由MCU处理，最后将温湿度及光强信息以短信形式发送给用户端。电路图如图4。
1.1.4电源模块
电源模块是利用直流稳压芯片NCP1117-3.3和LM317将固定的12 V稳压直流电分别转化为3.3和4V，给MCU和GPRS模块SIM300供电（电路如图5）。
1.1.5 LED恒流驱动模块
LED驱动电路分为恒流型和恒压型。由于LED正向压降的任何变化都会导致流过LED电流的变化，从而影响亮度的变化。因此，为了消除LED正向压降变化导致的电流变化，相对于恒压驱动器而言，恒流驱动器是更好的选择。系统所采用的驱动电路是基于NUD4001的三路恒流驱动电路（图6）。
1.1.6三基色LED光源
系统使用的是低能耗、寿命长、无污染的新型节能LED光源，并根据光的三基色原理设计了一款三基色LED光源。
三基色是指红、绿、蓝三色。人眼对红、绿、蓝最为敏感，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色，可根据需要相加相减调配颜色。
1.2软件设计
系统采用的开发环境为Kei14，使用C语言编程。利用单片机C8051F350与SIM300进行通信。对C8051F350和SIM300进行初始化（读模块的地址、合成相应的指令等），然后MCU通过UART传输协议来读取存在SIM300中的命令。由手机发送控制命令，MCU接收命令并输出PWM方波，控制LED光源亮度及颜色，并返回相关数据到用户。基于C8051F350单片机的下位机程序总构架如图7。
2功能实现
系统所实现的功能有：对植物的按需补光、实时查询系统工作状态（温湿度和光照强度）。不同用户根据实际情况设置系统基本情况：设置特定电话号码以获取信息、短信接受。系统根据短信控制驱动电路输出PWM方波，从而控制三基色LED光源的工作状态，满足植物的光照需求，避免不同植物在不同生长阶段以及不同地区补光不足或过度的问题，以及提高资源利用率，达到准确化、无污染、低耗能的特点。此外，系统可以发送查询信息命令查询三基色LED光源和系统的工作状态（温度、湿度和光照强度），实现远程人工管理。
试验结果表明，由于植物在不同生长阶段的光照需求不同，自然光往往不能满足其需求而导致植物光合作用弱，所以当自然光照条件不能满足其最优的光合作用时要进行智能补光（如图8和图9所示）。
3结语
设计了一种基于C8051F350单片机的植物补光系统，实现了植物的按需、定量补光方式。设计采用的PWM补光控制模式中，其输出光照度正比于能量消耗。因此，在满足植物生长所需光照前提下，最大程度的提高了输出光能的利用率，满足了不同植物在不同生长阶段、不同生长环境中智能化、精确化的补光要求。同时，系统具有操作简单易懂、灵活性好、成本低、反应速度快、适应性强等特点，使得农业生产者既能提高经济效益又能提高其生产的积极性，促进温室大棚技术在我国农业生产中的发展和现代农业的发展。此外，LED在食品方面有着相当不错的应用前景：(1) LED在食品照明中的应用，德国研究人员研发出了新型超高亮度LED食品均匀照明技术，该技术对LED照明与反射技术进行了集成，将很好解决食品照明问题；(2) LED在食品安全中的应用，广州市明美光电技术有限公司研发了紫外LED荧光显微镜，该设备能快速检测方便面中荧光剂的存在；(3) LED在冰箱农药降解方面的应用。“凡帝罗”系列冰箱采用UV LED农药降解，有效杀死冰箱内空气以及食品表面的细菌、农药残留，还原食物本来的健康状态。因此，随着LED技术的发展，LED在现代市场中将占有不可忽略的地位。
