摘 要：隨著城鄉(xiāng)居民生活水平提高，對瓜果蔬菜的需求也日益增長?，F(xiàn)有的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)研究多數(shù)在育種、水肥管理等領(lǐng)域，很少有研究關(guān)注瓜果蔬菜的光照動態(tài)調(diào)整問題。針對瓜果蔬菜光強適應(yīng)系統(tǒng)的空缺，本文提出一種基于反饋控制機制的自適應(yīng)節(jié)能補光系統(tǒng)。經(jīng)過程序優(yōu)化和試驗驗證，結(jié)果表明本文系統(tǒng)實現(xiàn)了精準控制、自動補光以及實時調(diào)控的設(shè)計目標。本文系統(tǒng)的應(yīng)用前景包括家禽類產(chǎn)蛋節(jié)律控制、珍貴中藥材保育等，為新一代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；反饋控制；果蔬增產(chǎn)；單片機

中圖分類號：TV 93 " " " " " 文獻標志碼：A

作物增產(chǎn)的主流方式為育種、采用先進給水肥料配給等。這些方式在一定程度上提高了作物的產(chǎn)量，但是水肥管理系統(tǒng)的設(shè)計和使用成本較高，能夠負擔該成本的農(nóng)戶較少?；谶@些局限性，本文提出一種環(huán)保、安全、可靠和成本低的針對果蔬產(chǎn)量增長的補光控制系統(tǒng)。LED燈是一項成熟的工業(yè)技術(shù)，具有使用壽命長、光譜純度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于作物的增長增收研究。多項研究結(jié)果表明，對作物進行光合作用的補光技術(shù)可以有效提高作物產(chǎn)量[1]。

LED補光技術(shù)仍然存在較大的缺陷，補光設(shè)備多數(shù)采用固定值進行補光[2]，即觀測員根據(jù)文獻和經(jīng)驗，選取一個固定值例如200 μmol/（m2·s-1）進行補光[3]，該方案雖然可以將黃瓜產(chǎn)量提高165.27%，但是存在外界光源過高引起過照和外界光源過低引起照度不足的情況，造成能源浪費、作物增產(chǎn)規(guī)模不佳。

基于此，本文提出了一種以理想光照強度作為參考值，利用LED燈對該參考值進行動態(tài)補足的自適應(yīng)節(jié)能補光系統(tǒng)，進行仿真模擬和實物驗證，試驗結(jié)果表明該方案可以準確、高效地提供作物需要的光源，為節(jié)能、增產(chǎn)提供條件。

1 自適應(yīng)動態(tài)補光系統(tǒng)

1.1 硬件設(shè)計

針對瓜果種植多采用固定補光技術(shù)的現(xiàn)狀，本文提出一種基于環(huán)境光強進行實時調(diào)控的補光增產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計。與其他補光方案相比，該設(shè)計的優(yōu)點是能夠檢測環(huán)境光強，實時控制補光，補光參數(shù)能夠根據(jù)環(huán)境的光強變化實時變化。在控制硬件方面，本文使用Arduino單片機進行控制，該單片機運行穩(wěn)定，使用成本和技術(shù)門檻低，可以滿足本文系統(tǒng)設(shè)計的需要。系統(tǒng)設(shè)計框如圖1所示。

自適應(yīng)動態(tài)補光系統(tǒng)主要是由3個子系統(tǒng)組成的，分別為傳感檢測子系統(tǒng)、中央處理子系統(tǒng)以及補光執(zhí)行子系統(tǒng)。傳感檢測子系統(tǒng)主要包括物理信號向電信號轉(zhuǎn)化模塊和輸入信號傳遞模塊，中央處理子系統(tǒng)主要包括中央處理器模塊和輸出信號傳遞模塊，補光執(zhí)行子系統(tǒng)主要包括補光模塊和報警模塊，3個子系統(tǒng)之間相互協(xié)作，利用光強傳感器獲得環(huán)境光強信號，由中央處理器處理后輸出控制信號，最終由補光執(zhí)行單元進行補光。系統(tǒng)組成如圖2所示。

1.2 傳感器選擇與參數(shù)說明

1.2.1 光敏電阻

采用型號為LDR-05的光敏電阻，該電阻在10 lx～1 000 lx光強條件下靈敏度和溫度穩(wěn)定性很高，其阻值為1 kΩ～10 kΩ，響應(yīng)時間快（lt;10 ms），適用于對環(huán)境光強進行實時監(jiān)測。

1.2.2 LED燈的規(guī)格

選用Phytolux系列LED燈，其峰值波長為660 nm，功率為20 W，有適合植物生長的紅藍光組合，具備調(diào)光功能，能夠根據(jù)實時光強需求調(diào)節(jié)光輸出。

1.2.3 微控制器

Arduino Mega 2560有54個數(shù)字輸入/輸出引腳和16個模擬輸入引腳，能夠同時處理多個傳感器數(shù)據(jù)，處理速度為16 MHz，滿足實時控制要求，因此本文將其作為中央控制單元。

1.3 系統(tǒng)功能

在種植環(huán)境中選擇適當?shù)牟杉c實時采集環(huán)境光強，采集光強信號后，實時將采集的光強信號反饋至中央處理器。由中央處理進行判斷，如果判定為光強不足，那么根據(jù)光強的缺少量實時將需要補充的光強信息發(fā)送給LED燈，使LED燈執(zhí)行自適應(yīng)補光操作。如果判定為光強過高，那么發(fā)送預(yù)警信號，提醒控制者注意遮光，避免作物曬傷。系統(tǒng)原理如圖3所示。

1.4 光強檢測原理

光強傳感器的數(shù)據(jù)來源為環(huán)境光強，光信號變化引起光強傳感器電平變化，將光強轉(zhuǎn)化為電壓信號，完成第一步信號采集工作，將信號采集的結(jié)果傳遞至中央芯片，為后續(xù)信號處理做準備。系統(tǒng)傳感部分原理如圖4所示。

1.5 自適應(yīng)補光原理

環(huán)境光強變化將直接影響光敏電阻的阻值，對其電學特性產(chǎn)生影響?；诖耍驹O(shè)計的步驟如下。

步驟一：光強傳感器在環(huán)境中接受光照，利用環(huán)境光強對光敏電阻阻值的影響將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號[4]。在不同光強信號下，光強傳感器傳遞的電信號有明顯差異，在采集傳感器串口模擬量的過程中，由于環(huán)境光強存在差異，因此模擬量區(qū)別較大。當環(huán)境光強較高時，模擬量處于較低水平；當環(huán)境光強較低時，模擬量處于較高水平。光強與模擬電壓關(guān)系如圖5所示。

步驟二：利用光強傳感器模塊將光強信號傳遞至中央處理器，中央處理器根據(jù)算法進行處理，計算需要補充的光強參數(shù)，以電平信號的形式傳遞至執(zhí)行單元， 串口電壓與光強關(guān)系如圖6所示。

步驟三：執(zhí)行單元接收傳感器傳遞的電平信號，以該信號為準進行定量光照，在特殊情況下如果光照過強，那么及時向管理者提醒遮光。

1.6 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)包括以下3個。1）溫度。-30 ℃～100 ℃。2）主要功能。根據(jù)具體場景進行補光，在必要情況下報警遮光。3）使用工況。正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工況均可。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)基于Arduino平臺進行開發(fā)，程序設(shè)計的核心算法為基于動態(tài)光強信號進行自適應(yīng)輸出信號的算法。具體來說，本文根據(jù)光強傳感器獲得光強信號，利用中央處理器進行映射運算，獲得待測光強的相對值，利用反饋控制機制準確、高效地計算理想的光強值和LED燈的電壓值，利用print函數(shù)輸出至串口，利用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號精確控制LED燈的輸出。最終達到動態(tài)精準補光的預(yù)期效果。系統(tǒng)流程如圖7所示。環(huán)境光強等級見表1。

2.1 關(guān)鍵步驟

2.1.1 傳感器數(shù)據(jù)讀取

2.1.1.1 步驟描述

微處理器（Microcontroller Unit，MCU）和ADC模塊定時讀取光敏電阻的輸出信號，將該信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（光強值）。在程序初始化后，主循環(huán)中不斷執(zhí)行該過程，以保證系統(tǒng)實時監(jiān)測環(huán)境光強。

2.1.1.2 邏輯說明

使用analogRead（A0）函數(shù)從光強傳感器中讀取光強信號，存儲在變量lightSensorValue中。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

2.1.2.1 步驟描述

MCU將讀取的光強值與預(yù)期光強K進行比較，計算需要補光或減少的輸出光強B。

2.1.2.2 邏輯說明

根據(jù)計算公式B=K-lightSensorValue獲得需要的補光量，使用映射函數(shù)map（）將其轉(zhuǎn)換為PWM信號的占空比。

2.1.3 控制信號生成

2.1.3.1 步驟描述

根據(jù)計算得到的光強差值生成對應(yīng)的PWM信號，傳遞至LED驅(qū)動電路來控制LED燈的亮度。

2.1.3.2 邏輯說明

使用analogWrite（D9， PMWValue）函數(shù)將計算得到的PWM信號輸出至LED燈，控制光強補償。

2.1.4 LED燈控制

2.1.4.1 步驟描述

LED燈根據(jù)接收的PWM信號調(diào)整亮度對環(huán)境光強進行實時補償。如果光強過高，那么系統(tǒng)發(fā)出遮光警告并減少LED燈的輸出。

2.1.4.2 邏輯說明

程序會判斷PMW Value大小，決定是否需要調(diào)節(jié)LED燈的亮度或發(fā)出遮光警告。

2.1.5 循環(huán)與更新

2.1.5.1 步驟描述

上述步驟循環(huán)執(zhí)行，MCU不斷更新光強數(shù)據(jù)并動態(tài)調(diào)整LED燈的輸出，保證環(huán)境光強始終接近設(shè)定值。

2.1.5.2 邏輯說明

使用主循環(huán)loop（）持續(xù)運行數(shù)據(jù)讀取、處理和控制信號輸出，保證系統(tǒng)在不同環(huán)境中能夠自動進行調(diào)節(jié)。

2.2 控制子系統(tǒng)

2.2.1 環(huán)境光強獲取子系統(tǒng)

環(huán)境光強獲取子系統(tǒng)的核心構(gòu)成元件是光敏電阻，其是一種基于內(nèi)光電效應(yīng)的半導體，隨著入射光強增加，該半導體的阻值下降?；谄潆妼W特性和外部光強存在關(guān)聯(lián)的特性，該元件廣泛應(yīng)用于檢測環(huán)境光強，本文選擇該元件作為環(huán)境光強獲取子系統(tǒng)的核心元件。

2.2.2 光強物理信號與電信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)

光強物理信號與電信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)由電路比較器和運算放大器組成。系統(tǒng)能夠?qū)⒈緛聿荒苡嬎愕墓鈴娦盘栟D(zhuǎn)化為便于計算的模擬量信號，將該信號信息暫存在寄存器中，為后續(xù)運算做準備。

2.2.3 電信號傳遞子系統(tǒng)

電信號傳遞子系統(tǒng)由輸入信號傳遞子系統(tǒng)和輸出信號傳遞子系統(tǒng)組成。輸入信號傳遞子系統(tǒng)鏈接前端的光強檢測單元和中央處理器來傳輸輸入信號，輸出信號傳遞子系統(tǒng)鏈接后端的補光執(zhí)行單元和中央處理器來傳遞輸出信號。

2.2.4 中央處理子系統(tǒng)

中央處理子系統(tǒng)為系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，其作用是處理輸入的模擬量信號，得到具體的輸出信號值。中央處理子系統(tǒng)可以直接獲得輸入光強A，基于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的理想光強K計算理想光強與環(huán)境光強的差值，得到B。B為執(zhí)行單元的執(zhí)行信號，可以利用中央處理子系統(tǒng)對輸出信號直接進行控制。當A大于K時，系統(tǒng)能夠跳出補光循環(huán)，提醒用戶進行遮光，避免曬傷。

2.2.5 補光執(zhí)行子系統(tǒng)

補光執(zhí)行子系統(tǒng)的作用是響應(yīng)中央處理子系統(tǒng)發(fā)出的輸出信號，系統(tǒng)對LED補光單元進行控制，并動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)補光強度，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

2.3 軟件設(shè)計的具體操作

2.3.1 自適應(yīng)補光算法

算法基于光敏電阻讀取的環(huán)境光強值計算A，并與K進行比較。如果Alt;K，那么計算差值B=K-A，并將B轉(zhuǎn)化為PWM信號，控制LED燈的亮度。

2.3.2 代碼示例

int lightSensorValue=analogRead（sensorPin）;//讀取光強傳感器值

int desiredLight=400;//設(shè)定的理想光強

int adjustment=desiredLight-lightSensorValue;//計算需要補充的光強

int PMWValue=map（adjustment，0，1023，0，255）;//將補充光強映射為PWM值analogWrite（ledPin，PMWValue）;//輸出PWM信號控制LED燈

2.4 反饋控制系統(tǒng)分析

系統(tǒng)的反饋控制基于比例-積分-微分 （Proportion Integration Differentiation，PID）算法，利用A與K的差值B調(diào)節(jié)LED燈的輸出。PID控制器的計算過程如公式（1）所示。

u（t）=kp?e（t）+ki?∫e（t）dt+kd?de（t）/dt （1）

式中：u（t） 為控制信號；e（t）為控制器的輸入信號與期望值之間的誤差。調(diào)整PID參數(shù)（kp， ki， kd），優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，當環(huán)境光強突變時，系統(tǒng)能夠快速、平穩(wěn)地調(diào)整LED燈的輸出。

3 樣機測試

基于以上設(shè)計，本文搭建了樣機（如圖8所示）進行測試。

3.1 計算多傳感器加權(quán)平均光強

5個傳感器測得的光強分別為A1，A2，A3，A4和A5 。傳感器權(quán)重為w，每個傳感器的權(quán)重分別為w1，w2，w3，w4和w5 ，如公式（2）所示。

（2）

式中：N為測試總次數(shù)。

3.2 誤差分析與修正

假設(shè)每個傳感器的測量值包括誤差εi，Ai為實際測量值，Ai' 為傳感器測得的真實光強值，那么加權(quán)平均光強的總誤差如公式（3）所示。

（3）

進行誤差修正，修正后的加權(quán)平均光強如公式（4）所示。

（4）

3.3 計算系統(tǒng)輸出信號

預(yù)期光強是系統(tǒng)設(shè)計的目標光強值。系統(tǒng)根據(jù)檢測的與K之間的差異來計算輸出信號，如公式（5）所示。

（5）

3.4 狀態(tài)描述

狀態(tài)一：補光

當lt;K時，說明環(huán)境光強低于預(yù)期值，系統(tǒng)進入補光狀態(tài)。此時，輸出信號為正，系統(tǒng)將增加光強來補足缺口，如公式（6）所示。

（6）

狀態(tài)二：過強

當gt;K時，說明環(huán)境光強過高，系統(tǒng)進入過強狀態(tài)。此時，輸出信號為負，需要減弱光照或停止補光，如公式（7）所示。

（7）

狀態(tài)三：正常

當gt;K時，說明環(huán)境光強處于正常范圍，系統(tǒng)不需要進行補光或調(diào)節(jié)光強。此時，輸出信號接近0，如公式（8）所示。

（8）

3.5 示例計算

傳感器測量值和誤差如下。

A1=300 lx，ε1=2 lx，w1=0.2

A1=320 lx，ε1=3 lx，w1=0.1

A1=310 lx，ε1=2 lx，w1=0.3

A1=305 lx，ε1=2 lx，w1=0.2

A1=315 lx，ε1=1 lx，w1=0.2

加權(quán)平均光強如公式（9）所示。

=（0.2×300）+（0.1×320）+（0.3×310）+（0.2×305）+（0.2×315）=309 lx

（9）

總誤差如公式（10）所示。

=（0.2×2）+（0.1×1）+（0.3×3）+（0.2×2）+（0.2×1）=1.8 lx （10）

修正后的加權(quán)平均光強如公式（11）所示。

=309-1.8=307.2 lx " " " （11）

K=400 lx，輸出信號B如公式（12）所示。

B=400-307.2=92.8 lx （12）

系統(tǒng)增加的光強為92.8 lx。

本文設(shè)計基本實現(xiàn)了預(yù)期的動態(tài)自適應(yīng)補光的設(shè)計目標。

4 結(jié)語

本文基于傳感檢測技術(shù)對基于環(huán)境光強變化改變補光強度的自適應(yīng)補光進行設(shè)計，避免過度補光造成資源浪費，使作物增長效果更好，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域意義十分重要。本文設(shè)計仍然存在一定的局限性，例如沒有經(jīng)過作物生產(chǎn)試驗，獲取理想光強存在難度等，后續(xù)將主要針對作物生產(chǎn)實際效果進行驗證，并采用人工智能方法計算理想光強的數(shù)值。

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