智能型LED植物生長(zhǎng)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的LED植物照明技術(shù)。利用波長(zhǎng)為620-660nm的紅色LED燈珠及波長(zhǎng)為450-480nm的藍(lán)色LED燈珠，設(shè)計(jì)出適合不同植物光需求的模塊陣列;采用PWM控制方式來調(diào)節(jié)紅光或藍(lán)光LED的平均工作電流，從而改變燈具的光譜特性，設(shè)計(jì)出適合植物處于不同生長(zhǎng)階段的補(bǔ)光燈;采用溫度、濕度、照度和CO2濃度采集技術(shù)、設(shè)計(jì)出集成化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將所有植物生長(zhǎng)燈加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制?？刂破骺梢灶A(yù)存補(bǔ)光模式，根據(jù)植物的生長(zhǎng)階段，自動(dòng)切換補(bǔ)光模式。

關(guān)鍵詞：LED;Zigbee網(wǎng)絡(luò);PWM;電量采集;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TN913? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2021）01-0057-06

1 引言

LED具有高光電轉(zhuǎn)換效率、使用直流電、體積小、壽命長(zhǎng)、耗能低、波長(zhǎng)固定與低發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，與目前普遍使用的高壓鈉燈和熒光燈相比，不僅光量、光質(zhì)（紅/藍(lán)光比等）可調(diào)，而且還是低發(fā)熱量冷光源，可近距離照射，從而使植物的栽培層數(shù)、空間利用率大大提高。隨著LED性能的不斷提高、價(jià)格的逐漸下降以及各類特定波長(zhǎng)產(chǎn)品的開發(fā)，LED在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將會(huì)更加廣闊。LED作為植物的生長(zhǎng)光源，近年來得到世界各國(guó)的高度重視。隨著LED植物生長(zhǎng)燈滲透率的提升，LED在中國(guó)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用也越來越廣。目前，市場(chǎng)上大多數(shù)LED植物生長(zhǎng)燈是按固定的紅藍(lán)光燈珠比例組合制成的管狀、圓盤狀等簡(jiǎn)單產(chǎn)品為主，雖然可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行燈珠不同比例的配比和功率定制，但是定制完成就不能再修改。另外現(xiàn)有的這些LED植物生長(zhǎng)燈在設(shè)計(jì)上無法滿足不同植物種類在不同生長(zhǎng)階段、不同組織部位和培育階段、不同培育目的的要求，在控制技術(shù)上不能根據(jù)不同季節(jié)、不同時(shí)間段、不同光照環(huán)境等外界因素對(duì)植物進(jìn)行智能控光。造成植物在適合的生長(zhǎng)時(shí)間段得不到充足的光照，周期性控制差。本文研發(fā)的智能型LED植物生長(zhǎng)燈能夠根據(jù)植物生長(zhǎng)的不同階段，動(dòng)態(tài)改變LED燈具的光譜特性，實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)光任意比例、任意強(qiáng)度的全數(shù)字調(diào)光;能夠充分考慮外界光照條件、環(huán)境溫度等因素，根據(jù)植物在不同階段不同環(huán)境下的實(shí)際需光量，通過閾值設(shè)置的方式滿足植物不同生長(zhǎng)階段需光量的要求;能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大規(guī)模的植物補(bǔ)光燈的集中、智能化網(wǎng)絡(luò)控制功能。不僅能夠提高植物的光合作用效率、提高作物的產(chǎn)量、縮短生長(zhǎng)周期，還可以提高系統(tǒng)的光能利用效率、節(jié)約電能，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

2 設(shè)計(jì)方案

LED植物生長(zhǎng)燈控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由LED植物補(bǔ)光燈控制盒和LED植物補(bǔ)光燈組成。該系統(tǒng)以控制盒為核心，通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將所有植物生長(zhǎng)燈加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制;控制盒還具有預(yù)存補(bǔ)光模式的自動(dòng)控制功能，根據(jù)植物的不同生長(zhǎng)階段，自動(dòng)切換補(bǔ)光模式，以獲得豐富的智能控制功能[1]。電源模塊采用直流穩(wěn)壓電源。LED植物補(bǔ)光燈是由智能驅(qū)動(dòng)器與LED植物補(bǔ)光燈頭組裝在一起構(gòu)成的。智能驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制、接收LED植物補(bǔ)光燈控制盒發(fā)來的設(shè)置參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)指令。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 LED植物補(bǔ)光燈控制盒設(shè)計(jì)

LED植物補(bǔ)光燈控制盒的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，它主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置、發(fā)送、接收并對(duì)補(bǔ)光參數(shù)進(jìn)行顯示等相關(guān)操作。LED植物生長(zhǎng)燈控制盒包括FPGA主控制芯片、LCD顯示面板、按鍵陣列或觸摸板電路、RAM存儲(chǔ)器。LCD顯示面板、按鍵陣列或觸摸板電路、RAM存儲(chǔ)器接口分別通過數(shù)據(jù)線與FPGA主控制芯片連接。該LED控制盒是以XILINX的FPGA芯片XC3S500E為主控制芯片，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各部分實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光參數(shù)的預(yù)設(shè)，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具內(nèi)部參數(shù)的訪問;LCD顯示面板為用戶提供交互信息顯示;根據(jù)不同植物，同種植物不同生長(zhǎng)階段的補(bǔ)光需求，可以通過按鍵陣列或觸摸屏方式輸入控制參數(shù);外圍擴(kuò)展FLASH用于存儲(chǔ)多種補(bǔ)光模式，RAM主要用于開發(fā)過程中對(duì)中間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，RAM存儲(chǔ)器根據(jù)實(shí)際需求選擇SRAM或SDRAM，通信接口用于傳輸通信協(xié)議，I/O擴(kuò)展接口用于對(duì)控制盒的遙控、探測(cè)環(huán)境溫度或濕度。

LED控制盒根據(jù)不同的設(shè)計(jì)容量，可以接入若干LED植物生長(zhǎng)燈，如接入256個(gè)LED植物生長(zhǎng)燈。每一個(gè)植物燈可以根據(jù)所在的排序確定唯一的通訊地址，這樣LED植物燈控制盒可以通過ZIGBEE控制網(wǎng)絡(luò)訪問每個(gè)植物燈內(nèi)部的工作參數(shù)，并通過顯示裝置顯示出相應(yīng)的參數(shù)信息。同時(shí)根據(jù)不同植物的補(bǔ)光要求，對(duì)訪問的植物補(bǔ)光燈具進(jìn)行溫度、亮度等參數(shù)的預(yù)設(shè)，將預(yù)設(shè)的信息存入存儲(chǔ)器并通過ZIGBEE控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到被訪問的LED補(bǔ)光燈具。補(bǔ)光燈具接收到控制盒發(fā)來的設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行處理、判斷、執(zhí)行數(shù)據(jù)等操作指令，最終產(chǎn)生紅藍(lán)不同占空比的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同R/B的輸出，滿足不同植物的補(bǔ)光需求。

3.1.1 LED控制盒電源的設(shè)計(jì)

控制盒電路中LCD、RAM存儲(chǔ)器、SPI等單元電路需要+1.2V、+2.5V、+3.3V的電壓，由電源電路提供。電源電路主要包括三個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器LD1117-12、LD1117-25、LD1117-33和兩個(gè)外部電阻，通過調(diào)節(jié)電阻的阻值，得到+1.2V、+2.5V和+3.3V三種電源電壓，其原理電路如圖3所示[2]。低壓差電壓調(diào)節(jié)器還具有限流和熱保護(hù)的作用，電路輸出電壓的精度小于±1%。為了改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)和提高穩(wěn)定性，需要在輸出端接至少10μF的鉭電容。

3.1.2 SPI FLASH的配置電路設(shè)計(jì)

本文使用的FPGA每次上電都需要配置芯片SPI對(duì)其進(jìn)行加載，SPI接口屬于一種四線同步串行協(xié)議。二者的連接遵循FPGA配置接口命名原則，MISO、SCLK、SS依次命名為DIN、CCLK、CSO_B。當(dāng)使用SPI FLASH配置模式時(shí)，F(xiàn)PGA的管腳M2M1M0的值設(shè)置為“001”。這里選用STMicroelectronics公司的SPI FLASH存儲(chǔ)器M25P16[3]（其容量為16M bits）對(duì)FPGA芯片進(jìn)行配置。由于XC3S500E的配置文件大小一般情況下小于2M bits，因此所選的存儲(chǔ)器M25P16能夠滿足要求。SPI FLASH的配置設(shè)計(jì)電路如圖4所示。SPI FLASH存儲(chǔ)器M25P16可以為FPGA芯片提供多種LED照明模式的功能數(shù)據(jù)信息。使用擦除指令可以對(duì)整個(gè)SPI FLASH一次性擦除，也可以擦除其中一段[4]。

3.1.3 RAM存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)

RAM存儲(chǔ)器采用DDR SDRAM（雙倍速率同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器），DDR SDRAM是一種雙倍速率同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，是繼SDRAM之后產(chǎn)生的，它的傳輸速率和內(nèi)存帶寬比SDRAM高一倍。本文采用MICRON公司生產(chǎn)的DDR SDRAM存儲(chǔ)芯片MT46V16M16，主要在嵌入式系統(tǒng)中處理中間數(shù)據(jù)。通上電源VDD和VDDQ（同步），等時(shí)鐘穩(wěn)定后，SDRAM需要延時(shí)100μs的時(shí)間，才能發(fā)起除了COMMAND INHIBIT和NOP之外的其他操作命令。在這100μs時(shí)間內(nèi)控制器依次發(fā)出NOP命令和PERCHARGE命令（所有頁(yè)被預(yù)充電），一旦處于空閑狀態(tài)，進(jìn)行兩個(gè)自動(dòng)刷新命令，在此之后進(jìn)行模式加載[5]。SDRAM的具體操作模式，如突發(fā)長(zhǎng)度、突發(fā)類型、突發(fā)寫模式、CAS延遲等通過模式寄存器定義，而模式寄存器用LMR（LOAD MODE REGISTER）命令進(jìn)行設(shè)置。SDRAM存儲(chǔ)電路圖[6]如圖5示。

3.1.4 LCD液晶顯示電路

LCD液晶顯示器用于顯示LED補(bǔ)光照明模式，本文選擇Sitronix公司提供的ST7066U點(diǎn)陣LCD控制驅(qū)動(dòng)器[7]。該液晶顯示器可以顯示多種文字信息，也可以根據(jù)自己的定義顯示所需字符。LCD液晶顯示電路如圖6所示。

3.1.5 Zigbee模塊設(shè)計(jì)

本文通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊[8]將所有植物生長(zhǎng)燈加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。Zigbee的突出特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單、電池壽命長(zhǎng)、有組網(wǎng)能力、可靠性高以及成本低[9]。該系統(tǒng)中的Zigbee網(wǎng)絡(luò)[10]由四個(gè)帶有STM32F030芯片的Zigbee底板開發(fā)板組成，其中三個(gè)作為終端，一個(gè)作為協(xié)調(diào)器。其中的STM32F030芯片用來接收各傳感器采集的信息和數(shù)據(jù)，再通過串口1將信息發(fā)送到Zigbee終端。STM32F03底板原理圖如圖7所示。設(shè)計(jì)中用到3個(gè)STM32F030底板，每個(gè)傳感器連接一個(gè)底板，底板上用于連接傳感器的引腳是10引腳和21、22引腳，10引腳用來連接溫度傳感器DS18B20的DQ引腳，21引腳連接光照傳感器BH1750和濕度傳感器SHT10的SCL，22引腳連接這兩個(gè)傳感器的SDA;用于連接Zigbee終端J8的引腳是32、33、38-41引腳，連接J9的引腳是16、42、43、45、46引腳。

3.1.6 溫度傳感器

溫度傳感器主要負(fù)責(zé)對(duì)植物生長(zhǎng)周圍的溫度信息進(jìn)行檢測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，傳遞給控制盒進(jìn)行處理。溫度傳感器采用數(shù)字化單總線器件傳感器DS18B20，從DS18B20讀出來數(shù)據(jù)或者是寫進(jìn)去數(shù)據(jù)只需要一根單線接口就可以完成。它的測(cè)量范圍為-55～+125℃，測(cè)量的溫度直接通過一根線方式串行傳輸，從而很大地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。本設(shè)計(jì)中，只采用了一個(gè)溫度傳感器，將溫度上限設(shè)為40℃，下限設(shè)置為0℃，如果超過溫度閾值，傳感器會(huì)自動(dòng)發(fā)生警報(bào)。如圖8為DS18B20接線圖，2引腳為DQ總線，連接STM32F0的10引腳，即GPIO分組的PA0，通過DQ總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.7 光照強(qiáng)度傳感器

光照強(qiáng)度傳感器采用兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器BH1750FVI模塊，它不僅支持IIC總線接口，而且不需要連接別的額外的器件，STM32F030芯片上有其相應(yīng)的外設(shè)和驅(qū)動(dòng)電路，通過配置相應(yīng)的寄存器，就可以完成IIC的通信。本設(shè)計(jì)中采用一個(gè)光照傳感器，將光強(qiáng)上限設(shè)置為500Lux，下限設(shè)置為0Lux，如果超過光強(qiáng)閾值，傳感器會(huì)自動(dòng)發(fā)生警報(bào)。如圖9為光照傳感器的電路圖，BH1750的1引腳連接電源，3引腳接地，BH1750的4和6引腳連接STM32F0的21、22引腳，即GPIO分組的PB10和PB11。

3.1.8 濕度傳感器

濕度傳感器模塊[11]采用STH10傳感器，該產(chǎn)品響應(yīng)迅速并且抗干擾能力強(qiáng)。本設(shè)計(jì)中采用一個(gè)濕度傳感器，將濕度上限設(shè)置為70RH%，下限設(shè)置為10RH%，如果超過濕度閾值，傳感器會(huì)自動(dòng)發(fā)生警報(bào)。如圖10為傳感器的電路圖，STH10的2引腳為DATA串行數(shù)據(jù)輸入引腳，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)，連接STM32F0的22引腳。STH10的3引腳為SCK串行時(shí)鐘輸入引腳，用于同步微處理器與傳感器，連接STM32F0的21引腳。

3.2 LED智能驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

LED智能驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制、接收LED植物燈控制盒發(fā)來的設(shè)置參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)指令。智能驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示，它包括單片機(jī)控制芯片、紅藍(lán)亮度傳感器、紅藍(lán)基色PWM恒流源。其中紅藍(lán)基色PWM恒流源受單片機(jī)控制芯片控制，并與植物補(bǔ)光燈具連接。單片機(jī)控制芯片接收控制盒發(fā)送來的植物補(bǔ)光參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行處理、判斷、執(zhí)行等相關(guān)操作，最終輸出紅藍(lán)兩路不同占空比的PWM信號(hào)。紅藍(lán)亮度傳感器主要對(duì)植物所需的紅藍(lán)光進(jìn)行檢測(cè)，輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)控制芯片進(jìn)行處理。紅藍(lán)基色PWM恒流源保證電能可以高效的轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電流，從而改變燈具的光譜特性，以達(dá)到不同的補(bǔ)光需求。

3.2.1 傳輸協(xié)議設(shè)置

LED植物補(bǔ)光燈控制盒對(duì)智能驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議共17位，如圖12所示。各位代表的含義解釋如下：T16-T9為植物補(bǔ)光燈具地址位，共可滿足256個(gè)LED植物補(bǔ)光燈的需求;T8為紅藍(lán)光亮度選擇信號(hào)位，當(dāng)T8為1時(shí)表示選擇紅光亮度信號(hào)，為0時(shí)表示選擇藍(lán)光亮度信號(hào);T7-T0為預(yù)設(shè)的亮度信號(hào)位，可以實(shí)現(xiàn)0～255級(jí)范圍內(nèi)的任意亮度調(diào)節(jié)。

智能驅(qū)動(dòng)器對(duì)LED植物燈控制盒的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議共14位，如圖13所示。各位代表的含義解釋如下：T13-T6為植物補(bǔ)光燈具地址位，共可滿足256個(gè)LED植物補(bǔ)光燈的需求;T5-T0為環(huán)境溫度信號(hào)位，該信號(hào)由溫度傳感器轉(zhuǎn)換所得。

3.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

能夠使單片機(jī)在通電后正常工作所需要的器件最少，這樣的系統(tǒng)稱之為單片機(jī)最小系統(tǒng)。而單片機(jī)最小系統(tǒng)中主要部分是單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖14所示。

（1）單片機(jī)：本文采用的STC89C52RC MCU是宏晶科技有限公司生產(chǎn)的新一代超級(jí)抗干擾、高速、高性能、低功耗MCU。STC89C52RC的工作電壓為直流5V，其內(nèi)部集成了8位的CPU、512B的RAM、8KB的ROM、4個(gè)并行8線I/O端口、3類6個(gè)中斷源。

（2）時(shí)鐘電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)的第18和第19引腳間跨接一個(gè)晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱晶振）來形成自激振蕩器，從而產(chǎn)生脈沖并送入單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘電路。這樣就可以在單片機(jī)運(yùn)行過程之中產(chǎn)生唯一的單片機(jī)時(shí)序。

（3）復(fù)位電路：復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)從不確定的狀態(tài)返回到初始狀態(tài)，并且從這個(gè)初始狀態(tài)開始工作。

3.2.3 LED驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)適合于植物處于不同生長(zhǎng)階段的補(bǔ)光需求，采用PWM控制方式來調(diào)節(jié)紅光或藍(lán)光LED的平均工作電流，從而改變燈具的光譜特性，以達(dá)到調(diào)控R/B比的目的。單片機(jī)控制芯片接收控制盒發(fā)送來的植物補(bǔ)光參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行處理、判斷、執(zhí)行等相關(guān)操作，最終輸出紅藍(lán)兩路不同占空比的PWM信號(hào)控制紅、藍(lán)燈珠發(fā)光。本文中驅(qū)動(dòng)芯片采用恒流驅(qū)動(dòng)芯片LM3407。LM3407采用脈沖電平調(diào)制（PLM）控制方案，此方案在使用一個(gè)外部1%精度的電流設(shè)定厚膜電阻時(shí)，能確保在整個(gè)輸入電壓和工作溫度范圍內(nèi)恒定電流輸出精度好于10%。其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[12]如圖15所示。

3.3 植物補(bǔ)光燈頭設(shè)計(jì)

根據(jù)植物學(xué)上的光合作用理論，植物并非利用太陽光的全部成分來進(jìn)行光合作用[13]，葉綠素a在波長(zhǎng)640-660nm的紅光區(qū)域部分有一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰;葉綠素b在波長(zhǎng)430-450nm的藍(lán)光區(qū)域部分有一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰。紅光作為光合作用的能量源，能夠促進(jìn)植物莖的生長(zhǎng)。藍(lán)光可以促進(jìn)氣孔開放，有助于外界的二氧化碳進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，促進(jìn)葉的生長(zhǎng)[14]。光譜范圍對(duì)植物生長(zhǎng)的影響見表1。葉綠素a、b吸收光譜見圖16[15]。

結(jié)合表1和圖16可知，460nm的藍(lán)光燈珠和630nm的紅光燈珠發(fā)出的單色光光譜，與葉綠素吸收光譜峰值完全吻合，能夠促進(jìn)植物的高效生長(zhǎng)，提高植物對(duì)光能的利用率。本文中采用波長(zhǎng)460nm的藍(lán)光燈珠和630nm的紅光燈珠設(shè)計(jì)強(qiáng)度和比例可任意調(diào)節(jié)、光照均勻的模塊陣列;根據(jù)不同植物的需光特性將這些模塊陣列組成不同光質(zhì)的LED燈板;模塊化自由組合，靈活滿足各種照明需求。LED作為冷光源可近距離照明植株，為保證植物栽培面上的光合成有效光量子流密度分布均勻，LED光源安裝時(shí)距離植株10cm左右，其次，在冬季和早春季節(jié)以及陰雨天氣，溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度約為2000勒克斯（lx）左右，而陰性植物需要500～2500lx的光照射;中性植物則需要2500～30000lx的光照射。所以，LED組合光源下方10cm處的照明區(qū)域內(nèi)照度不低于5000lx。考慮到工程上最便利使用的方式為工整陣列，且以方陣最為對(duì)稱，因而設(shè)計(jì)陣列式LED組合，以行、列數(shù)各為6的方陣組成一個(gè)模塊。每行每列中紅光LED與藍(lán)光LED間隔均勻排列，即每一個(gè)LED周圍必是不同顏色的LED，如圖17所示。

LED補(bǔ)光陣列采用模塊化設(shè)計(jì)，以達(dá)到快速安裝、更換和拓展的目的。同時(shí)配光形式屬于平面排列配光。所謂的平面排列配光就是將多顆LED單元均勻布置，軸線方向的夾角為零，單元之間的最小間距由LED的物理尺寸來決定，安裝在平面的基板上，形成具有一定面積的面發(fā)光光源。

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件需要，采用軟件EDK搭建硬件平臺(tái)對(duì)FPGA進(jìn)行嵌入式開發(fā)。LED植物燈控制盒采用SPI配置FPGA。其中的SPI，SDRAM，RS232可以直接通過EDK開發(fā)工具向?qū)Т罱ǎ琇CD顯示器和ZIGBEE協(xié)議需要用戶自制IP核。

LED植物燈控制盒主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置、發(fā)送、接收并對(duì)補(bǔ)光參數(shù)進(jìn)行顯示等相關(guān)操作。在通電之后，控制系統(tǒng)通過ZIGBEE控制網(wǎng)絡(luò)訪問每個(gè)植物燈內(nèi)部的工作參數(shù)，并通過LCD顯示出來。同時(shí)與預(yù)設(shè)的補(bǔ)光參數(shù)進(jìn)行比較，確定不同的補(bǔ)光模式，在通過ZIGBEE控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到被訪問的LED補(bǔ)光燈具，滿足不同植物的補(bǔ)光需求。當(dāng)外部有補(bǔ)光模式選擇時(shí)，則進(jìn)入選擇的補(bǔ)光模式子程序，選擇完補(bǔ)光模式后，將程序通過SPI加載到FPGA。ZIGBEE模塊通過協(xié)議傳輸各個(gè)燈具的調(diào)光信息。LCD顯示器將所選擇的補(bǔ)光模式顯示出來。圖18為系統(tǒng)的程序流程。

5 總結(jié)

本文針對(duì)LED補(bǔ)光燈在大棚照明中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出多種補(bǔ)光方案。LED植物生長(zhǎng)燈控制系統(tǒng)由植物補(bǔ)光燈控制盒和LED植物補(bǔ)光燈兩部分組成。在補(bǔ)光燈控制盒中完成SPI FLASH、SDRAM、LCD和ZIGBEE通信模塊等硬件設(shè)計(jì)，在補(bǔ)光燈頭驅(qū)動(dòng)器里完成通信模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，通過軟件開發(fā)工具EDK對(duì)補(bǔ)光燈控制盒的控制器件FPGA進(jìn)行嵌入式開發(fā)，完成SPI的讀寫，LCD的顯示，以及ZIGBEE協(xié)議，最終應(yīng)用ZIGBEE協(xié)議實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED補(bǔ)光燈頭的網(wǎng)絡(luò)控制。

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