全数字智能LED植物补光灯控制系统_徐秀知(精)

全数字智能 LED 植物补光灯控制系统徐秀知 1, 2, 王淑凡 1, 王巍 2, 3, 牛萍娟 2,3(1. 天津工业大学电子与信息工程学院, 天津 300387; 2. 天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心, 天津300387; 3. 天津工业大学电气工程与自动化学院, 天津300387摘要:提出了一种多参数可编程的全数字 LED 植物补光灯控制系统, 基于CPLD 设计了控制系统的控制盒、智能驱动器及 LED 植物补光灯头;根据实际情况设定了控制盒与智能驱动器之间的数据传输协议, 并进行了功能仿真 . 结果表明:该系统可以针对不同植物、或同一植物在不同生长阶段的光质需求, 有效地控制不同地址的 LED 植物灯红、蓝两基色达到预设的光照度灰度值, 并输出相应的 PWM 占空比, 满足植物按需补光的要求 .关键词:CPLD ; 全数字; 智能控制; LED ; PWM 中图分类号:TN873文献标志码:A文章编号:1671-024X (2012 04-0057-04All-digital intelligent control system of LED plant light supplement lampXU Xiu-zhi 1, 2, WANG Shu-fan 1, WANG Wei 2, 3, NIU Ping-juan 2,3(1. School of Electronics and Information Engineering , Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300387, China ; 2. Engi -neering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education , Tianjin Poly -technic University , Tianjin 300387, China ; 3. School of Electrical Engineering and Automation , Tianjin Polytechnic U -niversity , Tianjin 300387, ChinaAbstract :An all-digital multi-parameter programmable control system of LED plant light supplement lamp is proposed. Inthe control system , the control box , the intelligent driver and LED lamp are designed based on CPLD. According to the actual situation , the data transfer protocol between the intelligent driver and the control box is set. Func -tional and timing simulation is done to the control system. The results show that the system can control red and blue color brightness of different address LED lamps to reach the preset light intensity gray value according to the light quality requirements of different plants , or of the same plants at different growth stages. Finally , the corre -sponding PWM control signal is output to meet the light supplement of plant.Key words :CPLD ; all-digital ; intelligent control ; LED ; PWM第 31卷第 4期 2012年 8月天津工业大学学报JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITYVol.31No.4August 2012收稿日期:2012-03-01基金项目:天津市科技支撑计划重点项目 (10ZCGYGX18300通信作者:徐秀知 (1978— , 女, 博士, 讲师 . E-mail :fxuxiuzhi@光是植物生长发育的基础, 植物光合作用在可见光光谱 (380~760nm 范围内, 所吸收的光能占其生理辐射光能的 60%~65%, 其中主要以波长 610~720nm 的红、橙光以及波长 400~510nm 的蓝、紫光为吸收峰值区域 [1-2]. LED 植物补光灯正是基于上述理论, 以红、蓝 LED 为光源,依照植物生长规律所需要的太阳光, 用灯光代替太阳光给植物补光的一种灯具 . LED 与传统光源相比具有光源纯、波长类型多、节能环保、使用寿命长、发热少和易于控制等优点, 同时随着半导体技术的发展, LED 已越来越广泛的应用于农业生产 [3-4].现有 LED 植物补光装置一般通过采用红蓝灯珠固定配比的方法实现定光照度、定光质的补光方式 [5-6], 未考虑植物环境光照条件、环境温度等因素, 因此不能满足不同植物或同一植物不同生长阶段的不同光质需求,从而造成植物补光不足或过度等现象 . 为了解决现有 LED 植物补光装置的不足, 本文基于 CPLD 设计了一种全数字智能 LED 植物补光灯控制系统, 可以针对植物在不同阶段不同环境下的需光量, 通过预设温度、红蓝光照度等补光信息, 实现多盏 LED 植物灯各自红、蓝二基色的预设值, 并输出相应的 PWM 占空天津工业大学学报第 31卷比信号, 即不需要改变红蓝灯珠的配比, 而是根据植物外界环境, 利用数字智能调控技术来实现不同的 R/B 比, 以满足对不同植物按需补光的要求 [7].1总体设计方案LED 植物补光灯全数字智能控制系统如图 1所示 . 该补光系统由控制盒、智能驱动器及 LED 植物补光灯头组成, 其中智能驱动器与 LED 植物补光灯头组装在一起,每个控制盒可以实现对 28个 LED 植物补光灯的控制 .控制盒和智能驱动器之间通过 ZIGBEE 方式进行通信 . 控制盒内部都预存有若干补光模式,可以对接入的补光灯灯具组进行预存补光模式的任意组合 . 每一个智能驱动器内部均集成温度传感器、红蓝亮度传感器, 可以方便地将检测到的植物外界环境信息传递给控制盒 . 控制盒可以访问灯头内部状态参数,根据灯头外括的温度和照度由传感器综合调度接入灯头的红蓝亮度信息等参数, 以满足植物在不同阶段不同环境下的需光量 .为了实现系统对植物按需补光的要求, 方便控制盒与智能驱动器之间的数据传输,采用 27位表示植物补光数据的传输代码,各位代码代表的意义如图 2所示 . 其中, T26~T19表示灯具地址,即每个控制盒可调控 256盏 LED 植物灯; T18表示读写信号, 该位为 1时进行读操作, 为 0时进行写操作; T17~T16表示温度预设信号, 将 8位温度数字信号的输出值划分为 4个等级; T15~T8表示 8位蓝光亮度预置信号;T7~T0表示 8位红光亮度预置信号 . 在实际应用中,可依据植物在不同生长阶段的光合作用的有效温度范围设置补光温度值, 在光补偿点和饱和点之间选择固定值作为红蓝光目标光照度参数, 相关传输协议的预设值可参考不同作物生理的相关研究成果进行设置 . 智能驱动器的内部结构如图 3所示, 电路上所有的控制逻辑全部集成到一片 Altera 公司出品的大容量低成本 CPLD 芯片当中 . 控制逻辑的主要功能为接收LED 控制盒的植物补光数据, 根据自定义数据传输代码的意义, 设计可编程逻辑功能模块, 使得不同地址 LED 植物灯的红、蓝两基色分别按照预定的亮度变化速率达到数据传输协议所预设的光强二进制值, 并输出相应的 PWM 占空比,从而满足植物按需补光的要求, 并能根据要求返回植物补光灯具的状态, 以使其能提出更合适的控制方案 .鉴于该系统植物灯内部智能驱动的功能要求和控制方法, 将系统分为 6个模块:通信模块 (接收、发送模块、温度处理模块、红蓝光比较模块、地址处理模块、执行模块以及 PWM 产生模块 . 系统框图如图 4所示 .系统的工作过程为:接收模块接收控制盒的数据,传递给地址预处理模块 . 预处理模块首先根据地址信息判断信号是否发给指定的 LED 植物补光灯头, 即判断地址信号是否相符 . 若不符则终止操作,若符图 1控制系统框图 Fig.1Diagram of control system图 2数据传输协议Fig.2Data transfer protocol图 3智能驱动器内部结构Fig.3Internal structure of intelligent driver图 4智能驱动器分模块框图 Fig.4Block diagram of intelligent driver温度处理模块红蓝光比较模块接收模块发送模块通信模块地址处理模块红蓝执行模块红蓝 PWM 产生模块读写控制盒LED 植物补光灯 1LED 灯头 1智能驱动器 1LED 灯头 2智能驱动器 2 LED 植物补光灯 2LED灯头 255智能驱动器 255LED 植物补光灯 255LED 灯头 256智能驱动器 256LED 植物补光灯 256…T15T14T13T12T11T10T9T8T7T6T5T4T3T2T1T0T26T25T24T23T22T21T20T19T18T17T16地址信号读写信号温度预设信号蓝光亮度预置信号红光亮度预置信号电缆接口芯片供电蓝基色 LED 模组温度传感器蓝光照度传感器红光照度传感器CPLD芯片红基色 LED 模组 58——第 4期合则继续判断是进行读操作还是进行写操作 . 若是读操作, 程序则转入发送模块, 将植物灯当前状态返回到用户交互模块; 若是写操作, 程序则将亮度变化的级别信号传递给执行模块进行处理 . 同时温度处理模块、红蓝二基色比较模块分别将检测到的数据信号与传输协议的预设值进行比较, 将比较结果输送到执行模块 . 执行模块根据亮度变化速率、红蓝二基色亮度值比较的结果、传输预设照度值等信息, 得到对应二基色的 PWM 控制信号, 再由各自的 PWM 发送模块产生不同占空比的 PWM 信号来控制 LED 植物补光灯头, 从而实现在外界条件不满足预设值的情况下对植物按需补光的要求 .2系统分模块功能设计(1通信模块,主要接收植物补光数据和发送 LED 植物灯的当前状态 . 该模块由发送子模块和接收子模块组成 . 在该模块中, rxd_clk标记为模块的时钟信号;txd_cs为模块的使能信号; sdata 为串行输入信号; sys_rst为系统复位信号; q[26..0]为并行指令输出信号 .(2地址处理模块,对通信模块接收到的数据协议进行预处理, 使得控制模块能够正确地执行上级发送的命令 . 该模块的工作原理为由 10位比较器将补光数据的地址信号 adressin[7..0]与预设的地址 adress [7..0]进行比较, 相等则输出高电平, 与读写信号 rw 进行“ 与” 操作; 当 rw 为 1时进行写操作, 同时输出读写控制信号rw_out.(3温度处理模块、红蓝光比较模块, 分别将检测到的数据信号与传输协议的相应预设值进行比较 . 若符合预设值的要求,则将比较结果输送到执行模块; 若不符合则结束操作 . temp_in标记为检测到的温度二进制值输入信号; red_in标记为检测到的红光照度信号; blue_in标记为蓝光照度信号 .(4执行模块, 主要执行预处理模块和温度、光照比较模块处理后得到的指令,根据亮度变化速率将红、蓝二基色亮度值比较结果、传输协议预设亮度值等信息转化为相应的 PWM 占空比信号,对输出的占空比信号标记为 pwmctrl ,并将其输入到对应的 PWM 模块实现对 LED 植物灯的调光控制 .(5 PWM 模块, 主要实现 PWM 信号的输出, 由 8位计数器对 clk 信号进行0~255循环计数,比较器将计数结果 q 与 PWM 控制信号 pwmctrl 进行比较,当 q 值小于 pwmctrl 时输出为 1, 反之则输出为 0. 3仿真结果系统工作时钟 sys_clk信号周期设为1μs , rxd_clk为接收模块时钟信号,该信号27个周期并且与系统时钟周期相同 . cs 为接收片选信号, 该信号持续 27个周期的高电平, 为接收模块提供使能信号, 接收结束后该信号变为低电平 . rxd_clk和 cs 同时存在时接收模块开始工作 . sdata 为传输过程中的串行信号,长度为 27个时钟周期,每个周期代表并行信号中的一位 . 根据场景数据协议的要求, 传输顺序从低位到高位 . q 为由接收模块将串行信号转换成的 27位并行信号 . 假定该智能补光控制系统当前的数据协议代码为 011110100100110000010001010,同时假定检测到外界环境的温度值分别为 01、 10;红光亮度值分别为 01011100、 01101010、 10001010、11110000; 蓝光亮度值分别为 00001100、 00100000、 01000000、 10000000, 要求地址为 01111010的 LED 植物补光灯按照所设计的逻辑功能输出相应的 PWM占空比, 实现对红、蓝二基色的补光 . 仿真结果如图 5所示 . 图 6为红、蓝光PWM 占空比信号的放大图 .从图 5和图 6的仿真结果可以看出, sdata 输入数据与 q 所输出的数据是一致的,未出现任何偏差 . 根据所设计的系统工作原理及植物补光数据传输协议, 从仿真图可以明显看出:当外界温度值为 01时, 不满图 5系统总体仿真图Fig.5Simulation diagram of system图 6系统仿真放大图Fig.6Amplification diagram of simulation徐秀知, 等:全数字智能 LED 植物补光灯控制系统 59——天津工业大学学报第 31卷色 PWM 信号按照速度等级 001逐渐降低至所设置的各亮度值 (R 占空比36/256、 G 占空比 108/256、 B 占空比 72/256 .4结论为了解决传统的 LED 景观灯调控技术简单、控制方式单一等问题, 本文设计了基于 CPLD 的 LED 景观灯的控制系统, 根据设定的功能对整个系统采用分层思想进行功能模块的划分, 并给出了仿真结果, 实现了对 256盏 LED 景观灯的智能控制, 使其在 256级灰度调制范围内以不同的亮度变化速率达到灯具预设的亮度级别 . 从仿真结果可以看出,该系统可将各个模块的功能有效地结合起来, 使得不同地址的 LED 景观灯实现柔和渐变的效果, 有效地改善了景观灯在多彩变化时容易出现的跳跃问题 . 参考文献:[1]潘宗树 . 基于 NiosII 的 SOPC 系统设计与研究 [D].武汉:武汉科技大学, 2007.[2]李鸿 . 基于 SOPC 的全彩色 LED 景观灯控制系统设计 [J].电子测量技术, 2009, 32(8 :148-151.[3]朱继红 . LED 在景观照明中的基本混光方式 [J].照明工程学报, 2008,19(9 :26-29.[4]郭宝增,邓淳苗 . 基于 FPGA 的 LED 显示屏控制系统的设计 [J].液晶与显示, 2010, 25(6 :424-428.[5]邓宏贵, 邓淳苗, 曹文晖, 等 . 基于 PWM 的 LED 显示屏像素亮度控制方法[J].光电子技术, 2010, 30(2 :131-134. [6]张海辉, 杨青, 胡瑾, 等 . 可控 LED 亮度的植物自适应精准补光系统 [J].农业工程学报, 2011, 27(9 :153-158.足预设温度值 10, 此时不输出 PWM 信号; 当满足预设温度值 10时,若指定地址的红蓝二基色检测到的外界环境光照亮度值小于预置的亮度值, 则输出预设置的红、蓝亮度值 (R 占空比 138/256、 B 占空比 96/256 , 若指定地址的红蓝二基色检测到的外界环境光照亮度值大于预置的亮度值, 则不输出 PWM 信号 .4结束语为了解决现有植物补光装置中存在的补光方式单一、控制技术简单以及只能通过改变红蓝灯珠的配比来实现不同的 R/B比等问题,本文设计了基于 CPLD 的全数字智能 LED 植物补光灯控制系统,设计了控制盒与智能驱动器之间的数据传输协议, 并设计了智能驱动器的功能模块, 给出了系统功能及时序仿真结果 . 从仿真结果可以看出,该系统可将各个模块的功能有效地结合起来, 实现了对不同地址的LED 植物灯以不同的亮度变化速率达到数据传输协议预设的光照度值, 满足了不同植物在不同生长阶段、不同生长环境中的智能化补光要求 .参考文献:[1]刘文海, 高东升, 束怀瑞 . 不同光强处理对设施桃树光合及荧光特性的影响 [J].中国农业科学, 2006, 39(10 :2069-2075. [2]HAHN E J , KOZAI T , PAEK K Y. Blue and red light-emit -ting diodes with or without sucrose and ventilation affects in vitro growth of Rehmannia glutinose plantlets [J].Journal of Plant Biology , 2000, 43(4 :247-250. 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