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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(201204-0057-04All-digitalintelligentcontrolsystemofLEDplantlightsupplementlampXUXiu-zhi1,2,WANGShu-fan1,WANGWei2,3,NIUPing-juan2,3(1.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China;2.Engi-neeringResearchCenterofHighPowerSolidStateLightingApplicationSystemofMinistryofEducation,TianjinPoly-technicUniversity,Tianjin300387,China;3.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicU-niversity,Tianjin300387,ChinaAbstract:Anall-digitalmulti-parameterprogrammablecontrolsystemofLEDplantlightsupplementlampisproposed.Inthecontrolsystem,thecontrolbox,theintelligentdriverandLEDlamparedesignedbasedonCPLD.Accordingtotheactualsituation,thedatatransferprotocolbetweentheintelligentdriverandthecontrolboxisset.Func-tionalandtimingsimulationisdonetothecontrolsystem.TheresultsshowthatthesystemcancontrolredandbluecolorbrightnessofdifferentaddressLEDlampstoreachthepresetlightintensitygrayvalueaccordingtothelightqualityrequirementsofdifferentplants,orofthesameplantsatdifferentgrowthstages.Finally,thecorre-spondingPWMcontrolsignalisoutputtomeetthelightsupplementofplant.Keywords:CPLD;all-digital;intelligentcontrol;LED;PWM第31卷第4期2012年8月天津工业大学学报JOURNALOFTIANJINPOLYTECHNICUNIVERSITYVol.31No.4August2012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@126.com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.1Diagramofcontrolsystem图2数据传输协议Fig.2Datatransferprotocol图3智能驱动器内部结构Fig.3Internalstructureofintelligentdriver图4智能驱动器分模块框图Fig.4Blockdiagramofintelligentdriver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2LED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.(5PWM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01111010