基于ZigBee的温室大棚LED光环境智能监控1

凌家良，魏晓慧

光环境是农作物生长的关键因素之一.农作物长期的弱光生长会导致植株不健壮、落花落果严重、果实发育缓慢、含糖量降低、产量下降等.比如南方地区春季阴雨连绵，致使大棚的光照强度较低，对农作物的生长极为不利.适当的人工补光可使瓜果的成熟期提前［1-2］，产量提高，果实品质优良，大小均匀，含糖量提高，同时，植物生长更加健壮.

农作物补光灯的光源有很多种，如白炽灯、钠灯、荧光灯等，近几年来迅速发展起来的LED灯(light emitting diode)，因其显著的节能、光谱光强可控可调、冷光性以及良好的点光源等优点，逐渐代替其他光源成为农作物补光灯的首选.

1 大棚农作物LED补光模型

本文设计的大棚如图1所示.

图1 大棚补光LED灯及数据采集节点示意图

其中，LED补光灯L1～L24，光照采集控制节点D1～D6.设计节点D1控制L～L4四盏灯，D2控制L5～L8四盏灯，以此类推.

农作物在不同的生长时期对补光的要求也不一样，如图2所示，所以有必要对不同时期的作物采取不同的补光措施.

图2 有不同生长期的大棚示意图

在已知光源光强的情况下我们可以得到该光源在不同采光点的光照强度E（ 单位lx）［2］：

式（1）中I 为光源发光强度，R为光源到被照物表面的距离.在大棚中，不同光照采集控制节点 Dj所接收到的光强应该包括各补光灯 Li和太阳光的叠加.但补光灯 Li到节点 Di往往不是垂直照射，如图3所示，Li( xi, yi)，Dj( xj, yj)分别为补光灯 Li和节点 Di坐标［3-4］.

图3 补光灯 L i到节点 D i示意图

由此可得补光灯 Li到节点 Di的光照强度 Ei,j：

其中，hi为灯 Li到节点 Dj所在平面的垂直距离，Ii为补光灯 Li的光强.

因此，任一节点 Dj的光强 Ej可视为各补光灯 Li在节点 Dj的叠加，再加上环境光照强度E0：

2 智能调光控制设计

2.1 PWM调光

对LED补光灯的调节采用PWM调光，设任一补光灯 Li的调节系数为 Ki（ ），设置不同时期的农作物期待的光强为 Sm（如挂果期 S1，生长期，幼苗期S3）：

将式（2）代入式（4）可得：

因此，智能调光的关键在于选择合适的 Ki值.

表1 各补光灯位置坐标（单位：m）

为简化控制，我们假设节点D1控制L1～L8八盏灯，对应农作物期待光照强度 S1，相应调节系数 K1，D2控制L9～L16八盏灯，对应农作物期待光强 S2，相应调节系数 K2，D3控制L17～L24八盏灯，对应农作物期待光强 S3，相应调节系数 K3，各补光灯位置如表1所示.为了便于分析，这里假设 hi=1m，将各补光灯位置坐标代入式（5），通过matlab仿真可得各调节系数 Ki：

2.2 硬件实现

本设计基于ZigBee组建一个无线通信网络来实现数据传输及系统智能控制.系统框图如图4所示，温湿度传感器、环境光强传感器等模块分别采集的光照度和温湿度数据，经过无线传感器网络传到手机APP，手机APP经过数据处理后将相应指令通过无线传感器网络传至Zigbee控制节点，实现LED补光灯亮度调节及用户远程监控.

图4 大棚智能监控系统框图

无线传感器网络由多个ZigBee传感器终端节点和一个 ZigBee 协调器构成［5］［6］，其中 ZigBee 模块采用CC2530芯片.CC2530支持IEEE 802.15.4协议，特别适合超低功耗组建无线网络.ZigBee协调器通过WIFI模块将数据透明传输给手机APP，本文采用的ESP8266 WIFI模块.

为了方便用户远程监控大棚LED灯，通过使用Android Studio开发工具设计出了手机APP，界面如图5所示.各LED灯组的发光强度 Ii可由所购买的LED灯参数得到，环境光强E0由光强传感器得到，输入各区期待光强 Sm，代入式（6）可得到相应的调光系数 Ki，发送到Zigbee终端控制节点，通过PWM控制LED灯亮度.

图5 手机APP界面

3 总结

本文结合ZigBee技术、传感器技术、WIFI技术和手机APP设计的温室大棚LED光环境智能监控系统，通过环境光强传感器、温湿度传感器等模块采集数据，经无线网络传至手机APP，手机APP依据接收数据及一些参数设置产生相应指令，再通过无线网络传到Zigbee控制节点，实现用户对大棚LED补光灯的远程监控.

该系统目前仍存在许多不足之处.比如，环境光强采集没考虑到其他LED灯的影响；APP界面比较简单，功能不多；没有考虑LED灯不同立体角的发光强度是不一样的等等，有等于后续进一步改进.

参考文献：

［1］刘文科，杨其长.植物工厂LED光源与光环境智能控制策略［J］.照明工程学报，2014（8）.

［2］郭旭.多灯协作的光环境控制策略研究［D］.大连:大连工业大学，2016.

［3］李艳艳.自适应LED补光照明系统的设计与实现［D］.天津:天津工业大学，2015.

［4］张海辉；杨青；胡瑾.代建国可控LED亮度的植物自适应精准补光系统［J］.农业工程学报，2011（9）.

［5］祁长璞.基于ZigBee的无线传感器网络在监控系统中的应用研究［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［6］王萌.基于ZigBee技术的监控系统设计［D］.成都：西华大学，2010.