基于S丁M32的LED蔬菜工厂控制系统研究

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而纵观世界，目前在欧美、日本等一些发达国家，都已开发出了各种室内植物工厂。其中，日本在1994年就开始使用LED作为植物生长的照明光源，至1998年，Tanaka等人使用LED与荧光灯对香蕉的生长进行了对比研究，发现LED灯光更有利于香蕉的生长;2001年以色列也进行过LED与其它光源对植物生长的对比研究，研究表明LED光源更利于百合属植物的生长发育;2002年台湾一些研究所对LED照射蝴蝶兰进行了研究也取得了很好的成效[m。在LED植物工厂系统中，如何控制灯光照度、如何处理各种传感器信息、如何实现工厂的大规模产业化运作，这都是需要研究和解决的问题。在此背景下，本文重点针对室内LED蔬菜的控制系统部分做出了详细的设计与研究，并最终得到一种性能优良、成本低廉的控制方案。LED蔬菜工厂如图1-1所示。

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在植物的光合作用过程中，使用全光谱是最有利于植物生长发育的。植物对光谱的最敏感的区域在400^-700nm之间，通常称为光合作用有效能量光谱[2]。太阳光位于此波段的能量大约占45%。故若以LED光源作为植物生长照射的补充，那么也应选抒接近此范围的光谱。本文采用3W大功率RGB三色集成的LED灯珠作为作物生长的照明光源，采用PWM控制LED灯的三种颜色进行混光、调光，通过改变三色的配比来实现对作物生长的控制，同时也为研究不同光源对植物生长的影响提供了条件。RGB三色LED灯珠如图1-2所示。

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   C1)能以多主方式进行通信，总线网络上任一节点可随时主动
向其他的节点发送信息，所有节点均不分主从关系，使其通信方式非
常灵活。
   C2)总线网络上的节点信息可按实际情况定义成不同的优先级
别，以满足不同节点的实时需求。
C3)它的总线结构机制采用非破坏性的位仲裁使得当有多个节
点同时向总线上传送数据时，优先级高的节点可正常的传输数据，而
不会受到影响，这是由于优先级低的节点会主动停止数据的发送而使
优先级高的结点得到优先发送的机会。
   C4)传送数据时，具备点对点、一对多和全局广播三种通信方
式。
CS)在速率为SKbps以下，最远直接通信距离可达l Okm}12} o
   C6)当采用最大通信速率时(1MB/a，通信距离可达40m o
   C7)理论上CAN上的节点数几乎不受限制，但实际中由于受电
气特性的影响，最多可达110个左右。
C8)其采用以8个有效字节数为一帧的短帧结构。
   C9)每帧数据都有CRC校验及其它检错方案，数据出错率极低。
   C10)通信介质可选抒性较大，可采用双绞线、同轴电缆以及光
导纤维等作为传输介质。若无特殊要求，采用廉价的双绞线便可。
   C11> CAN可以判断节点出错的类型，它提供一种能将偶然错
误和永久错误区别开来的机制，且节点在错误严重的状态下，具有自
动关闭连接总线的功能，可切断它与总线的联系，以免影响总线上的
其他操作。

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LED蔬菜工厂(人造环境)控制系统是一个复杂且庞大的系统，
它涉及到的学科领域众多，包括机械、电子、计算机、通信、植物学、
光学、热学等，因此需要研究者具有较强的综合素养和解决问题的能
力。也正是如此，研究人员往往不可能对所有方面都进行一个深入的
探讨和研究。

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C1)当LED灯老化或由于电路故障等原因导致灯板电流过大
时，灯板产生的热量可能会超出散热片的散热承受能力。对于此种情
况，本文采用在灯板散热片上贴上温度传感器来实现对散热片温度的
实时监测，然后将温度值反馈给控制单元，控制单元将根据获取的温
度值对散热片进行分析，以判断散热片是否处于正常工作状态。若状
态异常，则控制单元会根据异常等级来做出相应算法处理，如:开启
灯板散热片风扇、减小灯板驱动电路电流输出和关闭驱动电流。
C2)当遇到短路故障或者火灾等紧急情况时，往往需要能立即
断电。针对此种情况，文中采用将五个DS 18B20串联的方式，且根
据工厂环境分布在适当位置，由于文中使用了单总线协议，故五个传
感器串联仅需一个I/O口就能满足需求，而不会占用多个I/O口。这
直接减少了系统资源的开销。当五个中有一个温度上升过快或达到一
定值，系统就会控制单元的控制下立即断电，从而将损失降到最低。

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系统硬件实现主要分为主控单元部分的设计实现、蔬菜工厂节点
控制器硬件部分的设计实现、LED灯板的设计。其中主控单元部分
主要包括STM32微控制器、电阻触摸屏、CAN收发器，蔬菜工厂节
点控制器硬件部分主要包括STM32微控制器、温湿度传感器、C02
供给控制器等，LED灯板的设计主要包括LED铝基灯条的设计、散
热板的设计等。在整个蔬菜工厂控制系统中，每个节点代表着一个相
对独立的育苗箱，每个育苗箱里可以培育不同种类的蔬菜，每个育苗
箱都由自己的控制器、驱动器和LED灯板等组成。同时为了方便研
发生产，文中将主控器的核心板和节点控制器的核心板设计为同一块
板，这样大大提高了设计效率，也节省了系统软硬件成本。用户可根
据自己的需要，在不影响CAN总线电气特性的前提下，在CAN总
线上随意增减育苗箱数量n来实现自己的产业需求(理论上n最大值
为无穷大)，此过程只需找研发商升级软件，而不需要改变系统结构，
所以不必增加额外的系统成本。故这种方案为整个蔬菜工厂控制系统
的大规模产业化奠定了基础。系统整体方案如图3-2所示。

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基于S丁M32的LED蔬菜工厂控制系统研究

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