基于专家规则的温室智能补光系统设计

基于专家规则的温室智能补光系统设计
刘翔;胡瑾;樊宏攀;乔俊枫;刘正道;贾金阳
【摘要】由于现有温室补光系统未针对专家规则考虑植物不同阶段补光量的差异
和自动实现分阶段按需定量补光，因此设计了基于专家规则的智能补光系统。

系统以51单片机为核心，采用模块化设计，主要包括控制模块、电源模块、时钟模块、人机交互模块和检测模块。

系统利用DS1302时钟芯片模块模拟阶段补光累积时间，根据用户设置的各阶段光强阈值和阶段信息，当植物生长进入下一阶段时，系统会依据用户的相关设置计算对应PWM 控制信号的占空比，并输出 PWM 控制
信号，控制植物的补光量。

实验证明，系统可对植物各阶段进行按需补光，避免了不同阶段补光不足和过量的问题，从而提高了能源利用率，也为研究光强对植物的影响提供参考。

%The existing greenhouse supplemented light system is not according to the rules of experts that consider differ -ent stages of plants demand for different quantity of light , realizing automatically in different stages to supplement light for demand of quantity , this paper designed intelligent light supplemented system based on rules of experts .This system re-gards the 51 single-chip microcomputer as the core part , and adopts the modular design , including the control module , power supply module , clock module , human and computer interaction module and detection module .The system utilized the DS1302 clock chip module to simulate accumulated time of supplemented light by stages , according to the user who sets the different stages of the light intensity threshold value and phase data , when the plants grow into the next stage , the system will be based on the user's related setting to calculate duty ratio of the
corresponding PWM control signal , and output PWM control signal , then control the quantity of light for plants. It can be demonstrated by experiments that the system can supplement light by stages according to the demand of light , to avoid problem of deficiency and excess of light in different stages , so as to improve the energy efficiency , moreover , it will provide some support to the research in light intensity that impacts on plants .
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2013(000)012
【总页数】4页(P174-177)
【关键词】温室;分阶段补光;专家规则;累积时间;脉宽调制
【作者】刘翔;胡瑾;樊宏攀;乔俊枫;刘正道;贾金阳
【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100;西北农林科技大学信息工程学院，陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100
【正文语种】中文
【中图分类】S625.5+2;S123
0 引言
近年来，随着农业生产中温室大棚的大面积推广，人工气候室的研究已经成为农业研究的一个重要方面，但人工设施由于受覆盖材料、灰尘及结构遮光等影响，光照状况仅为大田的30%～70%[1]，难以满足作物生长要求。

在农作物的生产种植过程中，光环境是影响植物光合作用最重要的因素[2],其包括光照度、光质以及光周期。

因此，对光环境3个因素的研究与调控已成为时下研究的热点[3]。

目前，我国温室光环境调控系统发展起步较晚，设备简单，大棚作物补光应用很少，对作物生产中补光灯应用的研究不充分[4]，这已成为制约我国温室发展的瓶颈。

因此，温室合理补光以降低补光成本的研究显得越来越重要[5-6]，其已成为时下
研究的热点。

针对以上问题，本文设计了一种基于专家规则、与实时监测信息相关联的温室智能反馈光环境调控系统。

本系统充分考虑不同植物在不同阶段对补光需光量和需求时间的不同，采用规则可修改的模式，设计相关专家系统规则与系统框架。

以51单片机为处理核心，合理运用专家规则，实现了基于实时监测结果的按需定量精确补光，有效地提高了系统的灵活性和拓展性，降低了成本，提高了能源利用率，为相关农业发展提供了巨大的帮助。

1 系统工作原理及结构设计
本系统采用模块化设计方法，主要由电源模块、控制模块、时钟模块、人机交互模块以及LED补光模块组成,其系统原理图如图1所示。

系统以单片机
(STC12C5A60S2)为核心，电源模块采用稳定的5V电压为系统供电，当系统断电时，也可在纽扣电池3V的电压下继续计时；控制模块按照一定的周期采集当前时间，并判断作物生长阶段后再输出相应的PWM信号；在人机交互模块与控制模
块共同作用下，用户可设置不同阶段的阈值或查看作物阶段信息。

图1 系统原理框图Fig.1 Principle block diagram of system
2 系统硬件设计
系统硬件以STC12C5A60S2单片机为处理核心，采用标准接口电路5V电源供电；时钟模块的主体芯片DS1302可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，
具有闰年补偿功能；液晶显示模块采用OCM12864-3128×64点阵型液晶，可显示各种字符及图形；按键则用4×4排列原理，直接购买了按键贴膜，通过8根排
线直接与主板连接。

单片机基本外围电路中晶振频率为12MHz，两路红绿指示灯方便程序的调试。

系统通过红蓝光滤光片和ISL29010光传感器监测环境中红蓝光光照强度。

2.1 控制模块
控制模块以51单片机为处理核心，外围连接键盘、LCD和传感器等外设，其整体电路框图如图2所示。

采用标准接口电路5V电源供电，其中：P0口连接液晶屏
的8路数据口；P2口连接4*4矩阵键盘；P3.0和P3.1用于单片机与串口连接的
数据读写线，完成程序的下载；P3.2～P3.7为液晶控制端；P4.2和P4.3为单片
机PWM控制端输出口。

采用内部分频技术实现对PWM信号频率的控制，将输
出频率降至300Hz，实现植物补光的温室精确控制。

图2 控制模块结构图Fig.2 Control module structure chart
2.2 检测模块
检测模块利用红蓝光滤光片和ISL29010光照传感器实时检测设施内部红蓝光光照强度，并将采集数据提供给单片机进行处理，系统框图如图3所示。

滤光片采用高通滤光片和低通滤光片两种，分别将自然光中600～700nm和400～500nm的红蓝光提取出来，通过ISL29010光照传感器检测出红蓝光强，
上传给单片机进行相应处理，从而实现环境中红蓝光强检测。

2.3 补光模块
补光模块包括LED补光灯阵列和驱动电路，其模块硬件结构图如图4所示。

LED
补光灯阵列由波长600～700nm的窄带红光和波长400～500nm的窄带蓝光组
成。

驱动电路采用PT4107为核心控制芯片，利用继电器来控制外接市电电源为
核心控制芯片供电，当满足外部调光条件继电器导通时，其接收单片机发送PWM 控制信号实现对调节灯组亮度的调节。

图3 检测模块结构图Fig.3 Detection module structure chart
图4 补光模块结构图Fig.4 Lighting module structure diagram
3 系统软件设计
系统采用模块化和多控制模式的设计思路，以IAR为软件开发平台，采用C语言
完成系统软件开发，分别设计了数据采集程序、专家指导程序、定量控制程序、按键程序、显示程序和计时程序，实现各模块对应功能及数据传输。

其专家指导程序以樱桃生长各生境参数为标准进行设定，设计了基于专家规则的温室光环境调控方法，实现了手动和自动两种阶段转换方式，可根据当前阶段信息自行计算红蓝光PWM值和需补光量，完成不同阶段的按需智能补光。

本系统软件流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图Fig.5 System flowcharts
以番茄为例，其每个阶段的生长累积时间和适宜光强各不相同。

如在番茄的初花期、盛花期和末花期3个阶段，其阶段累积时间和适宜光强[7-8]如表1所示。

系统可
以根据番茄这一阶段特性进行专家规则的修定，对番茄在不同阶段进行生长时间的模拟累积和光强检测，通过专家规则实现阶段参数的智能调控和不同阶段的按需定量补光。

表1 番茄阶段时间和适宜光强数据表Table 1 The data table of phase time and suitable lighting of tomato生长阶段阶段累积时间/h红光光强/μmol·m-2·s-1
蓝光光强/μmol·m-2·s-1初花期264402172盛花期768473203末花期600230130
系统针对当前生长阶段信息，基于专家系统，根据不同阶段需光量的差异性，设定
该阶段需补光量和当前累积补光时间，通过对外界光强的监测，采用PWM技术
控制LED补光灯阵列工作电流，同时统计该阶段尚需工作时间，实现对植物的分
阶段按需定量补光。

由于同类植物生长的微弱差异，系统提供手动参数修改与阶段强制调整功能，从而提高了系统的通用性。

4 系统功能实现
本系统以樱桃为目标作物，分为休眠期、萌芽期、开花期、幼果期、落果期和收获期，每个时期所需时间和补光量各不相同。

基于各阶段生长时间和补光量信息的专家规则，完成相应阶段时间累积后跳入下个阶段，自动调用下阶段相关参数，实现定量补光。

为了验证设备的性能，于西北农林科技大学樱桃实验基地对系统进行了调试验证。

如图6所示是系统运行到开花期时的实时信息，包括开花期的需补光量和距离下
阶段的时间。

图6 阶段信息界面Fig.6 Phase information interface
当手动强制进入下阶段(即进入幼果期)后，由于前后两阶段需光量的不同，对应的PWM值也会不同，系统所输出PWM占空比也会随之变化。

图7所示为开花期
和幼果期两阶段的PWM值输出占空比信号。

以上说明系统可完成各项功能要求，证明了系统的可实现性和正确性。

图7 不同阶段PWM对比图Fig.7 Comparison of different stages of PWM
5 结论
1)系统研究实现了基于专家规则的动态智能补光系统，其结合时下热门的专家系统，对植物各生境参数进行设定，通过系统监测到的实时光照信息，完成不同阶段植物需光量计算，实现了对植物的分阶段按需精确补光。

2)与其他补光系统相比，运用DS1302时钟芯片对植物生长累积时间进行模拟，
采用专家系统对樱桃生长各生境参数进行设定，根据植物生长特性自动进行阶段转
换，实现了分阶段按需定量补光。

3)经验证表明，该系统具有良好的稳定性，可以满足在不同阶段对不同植物进行按需精确补光的要求，促进了植物的生长，极大地提高了温室作物的产量和效益，带动了相关农业又好又快发展。

【相关文献】
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[3] 陈辉煌,佘明辉,基于LED光源的温室光环境监测与控制系统设计[J].电子技术,2012(8):24-27.
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[8] 毛竞,关欣,陈栋.气候因子对不同栽培模式下番茄生长发育的影响及比较[J].安徽农业科学，2009,37(10):4479-448l.。