基于ZigBee的溫室大棚LED光環(huán)境智能監(jiān)控1

凌家良，魏曉慧

光環(huán)境是農作物生長的關鍵因素之一.農作物長期的弱光生長會導致植株不健壯、落花落果嚴重、果實發(fā)育緩慢、含糖量降低、產量下降等.比如南方地區(qū)春季陰雨連綿，致使大棚的光照強度較低，對農作物的生長極為不利.適當的人工補光可使瓜果的成熟期提前［1-2］，產量提高，果實品質優(yōu)良，大小均勻，含糖量提高，同時，植物生長更加健壯.

農作物補光燈的光源有很多種，如白熾燈、鈉燈、熒光燈等，近幾年來迅速發(fā)展起來的LED燈(light emitting diode)，因其顯著的節(jié)能、光譜光強可控可調、冷光性以及良好的點光源等優(yōu)點，逐漸代替其他光源成為農作物補光燈的首選.

1 大棚農作物LED補光模型

本文設計的大棚如圖1所示.

圖1 大棚補光LED燈及數據采集節(jié)點示意圖

其中，LED補光燈L1～L24，光照采集控制節(jié)點D1～D6.設計節(jié)點D1控制L～L4四盞燈，D2控制L5～L8四盞燈，以此類推.

農作物在不同的生長時期對補光的要求也不一樣，如圖2所示，所以有必要對不同時期的作物采取不同的補光措施.

圖2 有不同生長期的大棚示意圖

在已知光源光強的情況下我們可以得到該光源在不同采光點的光照強度E（ 單位lx）［2］：

式（1）中I 為光源發(fā)光強度，R為光源到被照物表面的距離.在大棚中，不同光照采集控制節(jié)點 Dj所接收到的光強應該包括各補光燈 Li和太陽光的疊加.但補光燈 Li到節(jié)點 Di往往不是垂直照射，如圖3所示，Li( xi, yi)，Dj( xj, yj)分別為補光燈 Li和節(jié)點 Di坐標［3-4］.

圖3 補光燈 L i到節(jié)點 D i示意圖

由此可得補光燈 Li到節(jié)點 Di的光照強度 Ei,j：

其中，hi為燈 Li到節(jié)點 Dj所在平面的垂直距離，Ii為補光燈 Li的光強.

因此，任一節(jié)點 Dj的光強 Ej可視為各補光燈 Li在節(jié)點 Dj的疊加，再加上環(huán)境光照強度E0：

2 智能調光控制設計

2.1 PWM調光

對LED補光燈的調節(jié)采用PWM調光，設任一補光燈 Li的調節(jié)系數為 Ki（ ），設置不同時期的農作物期待的光強為 Sm（如掛果期 S1，生長期，幼苗期S3）：

將式（2）代入式（4）可得：

因此，智能調光的關鍵在于選擇合適的 Ki值.

表1 各補光燈位置坐標（單位：m）

為簡化控制，我們假設節(jié)點D1控制L1～L8八盞燈，對應農作物期待光照強度 S1，相應調節(jié)系數 K1，D2控制L9～L16八盞燈，對應農作物期待光強 S2，相應調節(jié)系數 K2，D3控制L17～L24八盞燈，對應農作物期待光強 S3，相應調節(jié)系數 K3，各補光燈位置如表1所示.為了便于分析，這里假設 hi=1m，將各補光燈位置坐標代入式（5），通過matlab仿真可得各調節(jié)系數 Ki：

2.2 硬件實現

本設計基于ZigBee組建一個無線通信網絡來實現數據傳輸及系統(tǒng)智能控制.系統(tǒng)框圖如圖4所示，溫濕度傳感器、環(huán)境光強傳感器等模塊分別采集的光照度和溫濕度數據，經過無線傳感器網絡傳到手機APP，手機APP經過數據處理后將相應指令通過無線傳感器網絡傳至Zigbee控制節(jié)點，實現LED補光燈亮度調節(jié)及用戶遠程監(jiān)控.

圖4 大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)框圖

無線傳感器網絡由多個ZigBee傳感器終端節(jié)點和一個 ZigBee 協(xié)調器構成［5］［6］，其中 ZigBee 模塊采用CC2530芯片.CC2530支持IEEE 802.15.4協(xié)議，特別適合超低功耗組建無線網絡.ZigBee協(xié)調器通過WIFI模塊將數據透明傳輸給手機APP，本文采用的ESP8266 WIFI模塊.

為了方便用戶遠程監(jiān)控大棚LED燈，通過使用Android Studio開發(fā)工具設計出了手機APP，界面如圖5所示.各LED燈組的發(fā)光強度 Ii可由所購買的LED燈參數得到，環(huán)境光強E0由光強傳感器得到，輸入各區(qū)期待光強 Sm，代入式（6）可得到相應的調光系數 Ki，發(fā)送到Zigbee終端控制節(jié)點，通過PWM控制LED燈亮度.

圖5 手機APP界面

3 總結

本文結合ZigBee技術、傳感器技術、WIFI技術和手機APP設計的溫室大棚LED光環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過環(huán)境光強傳感器、溫濕度傳感器等模塊采集數據，經無線網絡傳至手機APP，手機APP依據接收數據及一些參數設置產生相應指令，再通過無線網絡傳到Zigbee控制節(jié)點，實現用戶對大棚LED補光燈的遠程監(jiān)控.

該系統(tǒng)目前仍存在許多不足之處.比如，環(huán)境光強采集沒考慮到其他LED燈的影響；APP界面比較簡單，功能不多；沒有考慮LED燈不同立體角的發(fā)光強度是不一樣的等等，有等于后續(xù)進一步改進.

參考文獻：

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