CN115299262A - 一种高均匀度的智能植物补光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及植物补光技术，具体涉及一种高均匀度的智能植物补光方法，利用LED光源模组中红光LED灯珠和全光谱LED灯珠的组合，满足植物的光需求；根据植物光配方，STM32F103ZET6单片机产生两路PWM信号控制LED驱动模块，实现植物工厂中光强、光质、光周期的调节；PWM信号首先以实时时间作为判断依据来控制光强、光谱、光周期，其次依据光强传感器所采集到的数据作为依据，设定LED光源模组在不同时间下的光照强度以及光谱中红光蓝光波段的比例。该方法能够及时检测到外界的光照干扰并做出调整，当环境数据超过预设值时也能及时报警。能够在光配方设定之后立即反应，为植物的生长发育提供良好的光环境。
Description
技术领域
本发明属于植物补光技术领域，特别涉及一种高均匀度的智能植物补光方法。
背景技术
在植物工厂中，单个LED灯珠的功率有限，满足不了植物的光照需求，需要将多个LED灯珠组合排列在一起。但是单个LED灯珠的光强分布为朗伯分布，接收面中间的光照强度比较高，周围的光照强度逐渐减小，这就导致了照射面的光照分布及其不均匀，植物的生长状态出现参差不齐的情况，所以必须通过优化植物光源中LED的排布方式来提高照明均匀度。不仅如此，传统光源的补光模式较为单一、能源利用率低，一般采取简单的定时或者手动控制的方式，效率低且不够科学。植物在生长的各个阶段所需要的光谱、光强、光周期会有所不同，只有采用LED作为植物光源，同时配套精准的光环境自动控制装置，才能将光能利用率最大化，让植物处于最佳的生长状态中。
虽然植物工厂虽然发展较快，但是对于LED植物补光的应用基础研究力度不够大，所使用的植物光源大多缺乏科学依据，对植物生长的促进效果不够理想，标准化和产业化程度不高，投入成本较高，限制了LED光源在设施的推广和应用。因此，需要加大对植物工厂光源系统的研发力度，提高植物光源系统的科学性与实用性，以满足农业生产的需求。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种高均匀度的智能植物补光方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高均匀度的智能植物补光方法，基于智能植物补光系统实现，植物补光系统包括STM32F103ZET6单片机、LED光源模组、LED驱动模块、电源模块、光强检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块、实时时钟模块和OLED显示模块；STM32F103ZET6单片机分别连接LED驱动模块、电源模块、光强检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块、实时时钟模块和OLED显示模块，LED光源模组分别与LED驱动模块和电源模块连接；该方法利用LED光源模组中红光LED灯珠和全光谱LED灯珠的组合，满足植物的光需求；根据植物光配方，光源光谱中红光与蓝光的光质比例最大能达到7:1，且绿光占比不超过25％，单块LED平板光源在垂直距离为30cm的接收面处的最大光量子通量密度在100μmol/m2·s；STM32F103ZET6单片机产生两路PWM信号控制LED驱动模块，实现植物工厂中光强、光质、光周期的调节；PWM信号首先以实时时间作为判断依据来控制光强、光谱、光周期，其次依据光强传感器所采集到的数据作为依据，设定LED光源模组在不同时间下的光照强度以及光谱中红光蓝光波段的比例；包括以下步骤：
步骤1、根据植物的光配方设定LED光源模组在实时时间下的光强度以及光谱中红蓝光波段的比例所对应的程序；
步骤2、STM32F103ZET6单片机根据当前的实时时间发出不同的PWM信号，按照相应的光强、光质、光周期要求执行命令；
步骤3、STM32F103ZET6单片机实时接收来自光强检测模块的光强数据，当检测到的光强不在设定范围时，系统会发出指令调节PWM信号将光强调整到合适的数值；
步骤4、STM32F103ZET6单片机实时接收温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块的环境数据，当其他环境数据超出预设范围时，系统发出警报；
步骤5、STM32F103ZET6单片机驱动OLED模块显示所采集的各项数据和实时时间信息。
在上述高均匀度的智能植物补光方法中，步骤1所述程序设计的方法包括：基于粒子群算法PSO对现有LED阵列进行优化，设定粒子群算法PSO的初始参数，用LED坐标的表达式来表示评价函数，使用改进的粒子群算法对评价函数进行优化，输出最佳光照均匀度的光源阵列中LED的坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)照明均匀性是衡量植物照明光源的一个重要指标，通过将传统的矩形阵列与本发明提出的等差阵列的对比，矩形阵列的光照均匀度为88.10％，等差阵列的光照均匀度为91.67％，符合植物光源设计的光照均匀度要求，也表明本发明所提出的等差排布方式的LED阵列有着更好的光照均匀度。
(2)LED光源模组的散热性能是判断植物照明光源好坏的重要标准之一，补光系统开始工作后，LED光源模组中LED灯珠的温度逐渐上升，并于20分钟左右稳定在60℃左右，基板的温度稳定在48.7℃左右，照射面的温度稳定在27.8℃左右。根据LED数据手册，本发明中的红光LED灯珠的正常工作温度范围为-20～85℃，全光谱LED的正常工作范围为-40～80℃，表明发明的LED光源模组的温度在LED灯珠的正常工作范围之内，不会对其寿命产生影响，并且植物所在的照射面只比室温高出1.8℃左右，不会对植物的生长发育产生负面影响。
(3)本发明能够及时检测到外界的光照干扰并做出调整，当检测到其它环境数据超过预设值时也能及时报警。本发明的智能补光方法能够在光配方设定之后立即反应，而且输出的光环境达到了预期效果。当外界有光照干扰时，此系统也能够及时调整光照输出，使外界的光照干扰对植物的影响达到最小，当环境温度、湿度、CO2浓度改变时，系统也能够进行预警提示，避免了人工监测的繁琐，使得本发明能够为植物的生长发育提供良好的光环境。
附图说明
图1为本发明实施例高均匀度的智能植物补光系统的整体结构图；
图2为本发明实施例例智能植物补光方法流程图；
图3为本发明实施例采用的粒子群算法流程图；
图4为本发明实施例的LED光源阵列排布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施列提出了一种照明均匀度更高的等差LED光源阵列，并以STM32单片机为核心，进行系统总体方案的设计，如图1所示，系统包括电源模块、STM32F103ZET6单片机、LED驱动模块、LED光源模组、光强检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块、实时时钟模块以及OLED显示模块。系统搭建完成后，设定植物所需的光配方，智能补光系统会根据植物不同的生长阶段来输出不同的光环境，从而满足植物生长的光需求。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，本实施例使用红光LED灯珠和全光谱LED灯珠进行组合设计，既减少了电路设计的难度，又能够满足植物的光需求。根据植物光配方，要求光源光谱中红光与蓝光的光质比例最大能达到7:1，且绿光占比不超过25％，单块LED平板光源在垂直距离为30cm的接收面处的最大光量子通量密度在100μmol/m2·s左右。
采用脉冲宽度调制，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行有效控制，通过改变单片机输出的数字信号来改变脉冲的占空比，从而实现改变LED亮度的目的。
具体实施时，一种高均匀度的智能植物补光系统，包括STM32F103ZET6单片机、LED光源模组、LED驱动模块、电源模块、光强检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块、实时时钟模块和OLED显示模块；光强检测模块采用光强传感器，温度检测模块采用温度传感器，湿度检测模块采用湿度传感器，CO2检测模块采用CO2传感器。LED光源模组包含红光LED灯珠和全光谱LED灯珠。
STM32F103ZET6单片机分别连接LED驱动模块、电源模块、光强传感器、温度传感器、湿度传感器、CO2传感器、实时时钟模块和OLED显示模块，LED光源模组分别与LED驱动模块和电源模块连接；
该系统以单片机为控制核心，通过产生两路PWM信号来控制驱动芯片达到调光的目的，通过LED驱动模块LED光源模组实现植物工厂中光强、光质、光周期的变化。电源模块用于给LED光源模组以及单片机供电。系统还包括各类传感器模块用于检测环境中的光强、温度、湿度、以及CO2浓度，实时时钟模块用于给单片机提供时钟信号便于根据实时时间使单片机发出根据时间变换的PWM信号调控LED驱动模块，OLED显示模块上有传感器数据以及时间的动态显示，从而能够对植物工厂的实时环境数据进行显示。如图2所示，一种高均匀度的智能植物补光方法，包括以下步骤：
步骤1：根据植物的光配方设定LED光源模组块在实时时间下的光强度以及光谱中红蓝光波段的比例所对应的程序。
步骤2：STM32F103ZET6单片机会根据当前的实时时间来发出不同的PWM信号，按照相应的光强、光质、光周期要求执行命令。
步骤3：STM32F103ZET6单片机实时接收来自光强检测模块的光强数据，当检测到的光强不在设定范围时，系统会发出指令调节PWM信号将光强调整到合适的数值。
步骤4：STM32F103ZET6单片机实时接收来自温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块的环境数据，当其他环境数据超出预设范围时，系统将会发出警报。
步骤5：STM32F103ZET6单片机驱动OLED模块显示系统采集到的各项数据和实时时间等信息。
本实施例通过温度传感器、湿度传感器、光强传感器和二氧化碳浓度传感器对外界环境中的各项指标进行监控，使得在外界条件发生变换的情况下及时检测并改变LED光源模组的光照强度，从而满足植物生长的光需求。
在本实施例的智能补光程序中，PWM信号首先以实时时间作为判断依据来控制光强、光谱、光周期，其次依据光强传感器所采集到的数据作为依据，从而更科学地设定LED光源阵列在不同时间下的光照强度以及光谱中红蓝光波段的比例。
如图3所示，智能补光程序实现的方法包括：
A、基于粒子群算法对现有LED阵列进行优化，设定好算法的初始参数后，用LED坐标的表达式来表示评价函数，使用改进的粒子群算法对评价函数进行优化，最终输出最佳光照均匀度的光源阵列中LED的坐标。
B、粒子群算法(PSO)源于对鸟类捕食行为的研究，它的核心是通过群体中的个体信息共享和比较来寻找最优解。粒子群算法的流程如下：首先对所有参数进行设置，粒子群初始化，依据评价函数进行计算得到个体极值和种群极值，然后根据更新公式更新粒子的速度和位置，得到新的个体极值和种群极值，直到满足结束条件，其流程如图3所示。
当评价函数比较复杂时，标准的粒子群算法通常会陷入局部最优解，而且后期的收敛速度较慢，这会对算法的精度有所影响。对粒子群算法的寻优速度和精度有影响的参数主要有惯性权重w、个体认知因子c1、群体认知因子c2。当w较大时算法有着更好全局搜索能力，c1较大、c2较小时有着更好的局部搜索能力。因此使用线性递减策略对w进行改进，使其在初始迭代阶段有着很好的全局寻优能力，随着迭代进行，粒子的速度逐渐减小，有着更好的局部寻优能力。为了在初始阶段控制c1取较小值、c2取较大值，加强算法的全局寻优速度，并且在最后迭代阶段加强算法的局部寻优精度，使用正弦函数和余弦函数来控制c1、c2，让c1的值能够随着迭代的进行非线性增加，c2值随着迭代的进行非线性减小。
设定好算法的初始参数后，评价函数的表达式以LED的坐标表示，使用改进的粒子群算法对评价函数进行优化，最终输出最佳光照均匀度的光源阵列中LED的坐标。
C、为了检验优化后的阵列光照均匀度效果，使用光学仿真软件TracePro，根据优化后的结果在TracePro中进行模拟仿真。通过对LED阵列的光照均匀度数据计算对比可知，等差LED阵列中心光照强度与周围相差不大，并且边缘光照强度大幅度下降的范围较小。一方面，由于LED距离中间位置较远，所以照射面中心光照强度与四周差别不大；另一方面，LED在四周排布较为紧密，增强了照射面边缘处的光照强度，使其光照强度大幅度下降的区域变得更小，从而增加了整个平面的光照均匀度，与其它阵列相比光照均匀度有较大提升。
D、该系统以单片机为控制核心，通过产生两路PWM信号来控制驱动芯片达到调光的目的，实现植物工厂中光强、光质、光周期的变化。系统还包括电源模块、LED驱动模块、传感器模块、实时时钟模块以及OLED显示模块，OLED显示模块上有传感器数据以及时间的动态显示，从而能够对植物工厂的实时环境数据进行显示。
LED光源阵列全长490mm，宽290mm，呈等差矩形阵列。其中，LED光源模组采用红光LED灯珠与全光谱LED灯珠相间、呈中心对称的方式排列，具体排列方式如图4所示；图中颜色较深的矩形点代表红光LED灯珠，颜色较浅的矩形点代表全光谱LED灯珠；每个LED灯珠的排布间距呈等差数列，横向排列间距以40mm为初始值，13.3mm为公差从两次向中心排列，横向排列间距以27.6mm为初始值，9.2mm为公差从上下向中心排列；最左侧LED灯珠以及最右侧LED灯珠均距离模块边线45.15mm，最上侧LED灯珠以及最下侧LED灯珠均距离模块边线34.6mm。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种高均匀度的智能植物补光方法，基于智能植物补光系统实现，植物补光系统包括STM32F103ZET6单片机、LED光源模组、LED驱动模块、电源模块、光强检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块、实时时钟模块和OLED显示模块；STM32F103ZET6单片机分别连接LED驱动模块、电源模块、光强检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块、实时时钟模块和OLED显示模块，LED光源模组分别与LED驱动模块和电源模块连接；其特征在于：该方法利用LED光源模组中红光LED灯珠和全光谱LED灯珠的组合，满足植物的光需求；根据植物光配方，光源光谱中红光与蓝光的光质比例最大能达到7:1，且绿光占比不超过25％，单块LED平板光源在垂直距离为30cm的接收面处的最大光量子通量密度在100μmol/m2·s；STM32F103ZET6单片机产生两路PWM信号控制LED驱动模块，实现植物工厂中光强、光质、光周期的调节；PWM信号首先以实时时间作为判断依据来控制光强、光谱、光周期，其次依据光强传感器所采集到的数据作为依据，设定LED光源模组在不同时间下的光照强度以及光谱中红光蓝光波段的比例；包括以下步骤：
步骤1、根据植物的光配方设定LED光源模组在实时时间下的光强度以及光谱中红蓝光波段的比例所对应的程序；
步骤2、STM32F103ZET6单片机根据当前的实时时间发出不同的PWM信号，按照相应的光强、光质、光周期要求执行命令；
步骤3、STM32F103ZET6单片机实时接收来自光强检测模块的光强数据，当检测到的光强不在设定范围时，系统会发出指令调节PWM信号将光强调整到合适的数值；
步骤4、STM32F103ZET6单片机实时接收温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块的环境数据，当其他环境数据超出预设范围时，系统发出警报；
步骤5、STM32F103ZET6单片机驱动OLED模块显示所采集的各项数据和实时时间信息。
2.根据权利要求1所述高均匀度的智能植物补光方法，其特征在于：步骤1所述程序设计的方法包括：基于粒子群算法PSO对现有LED阵列进行优化，设定粒子群算法PSO的初始参数，用LED坐标的表达式来表示评价函数，使用改进的粒子群算法对评价函数进行优化，输出最佳光照均匀度的光源阵列中LED的坐标。
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