一种光环境调控系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种光环境调控系统，包括：CPU主控电路、zigbee无线传感模块、光合作用传感器模块、红蓝光LED驱动电路模块、远程通信模块和人机交互模块。该CPU主控电路控制该光合作用传感器模块采集光合作用环境因子数据，经过光合作用模型分析处理后，输出PWM信号控制该红蓝光LED驱动电路模块调节环境光强，以提高植物光合作用效能。该基于植物光合作用的光环境调控系统，不仅能实现精确调控温室光环境，提高植物光合作用效能，且成本低、耗能少，可大规模推广应用。
【专利说明】
一种光环境调控系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及现代温室农业领域，特别涉及一种基于植物光合作用的智能调节农业温室内光环境的调控系统，其能通过调控光环境而使植物光合作用效能最大化。
【背景技术】
[0002]温室农业栽培是现代化农业重要的发展方向。目前，基于促进温室植物生长、提高光合作用效能的系统，多以温度和光照为主要影响因子，由温度、光合有效辐射等传感器、LED照明灯以及zigbee无线传感的组网构成。但少有将影响植物光合作用的所有外环境因子光照、C02、温度、湿度综合考虑的系统，多数调控光源为白光LED，调控误差大，没有考虑光合作用只吸收特定波长的光而造成浪费，多数系统人机交互方式为连接电脑而非移动设备，无法远距离监测，且传感设备成本高，难以在普通温室大棚推广。
【实用新型内容】
[0003]为了克服现有温室光环境调控系统设备成本高、调控因子不足、植物光合作用效能调控效能低等不足，本实用新型根据植物光合作用对红蓝光的需求，基于zigbee无线组网技术，开发了一种低成本、精确度高、能远程监控、提高植物光合效能的温室农业光环境调控系统。
[0004]—种光环境调控系统，包括CPU主控电路、zigbee无线传感模块、光合作用传感器模块、红蓝光LED驱动电路模块、远程通信模块和人机交互模块。该CPU主控电路、该z i gbee无线传感模块、该远程通信模块和该人机交互模块形成一协调器。该CPU主控电路、该zigbee无线传感模块、该光合作用传感器模块和该红蓝光LED驱动电路模块形成终端节点。该CPU主控电路控制该光合作用传感器模块采集光合作用环境因子数据，该采集环境因子通过该Zigbee无线传感模块进行通信并经过光合作用模型分析处理后，输出PWM信号控制该红蓝光LED驱动电路模块调节环境光强。
[0005]优选的，主控CPU采用CC2530核心芯片，构成zigbee组网的协调器、无线路由器、终端节点的CHJ主控电路。
[0006]优选的，该光合作用传感器包括光照强度传感器、二氧化碳传感器、温度传感器以及湿度传感器。为特异性识别红、蓝光的光量子通量密度，在光照强度传感器前分别加入625-665nm红光窄带通滤波片和420-480nm蓝光窄带通滤波片。传感器通过线接与终端节点相连。
[0007]优选的，红蓝光调光阵列采用大功率LED，根据植物光合作用对光的吸收特性，按照红蓝光为3:1的比例制成LED调光阵列。
[0008]优选的，远程通信模块采用S頂900A短信收发模块，通过手机移动通信可远程与协调器通讯，监测和调控温室光环境。
[0009]优选的，该人机交互模块包括OLED显示模块、按键控制电路和PC上位机。PC上位机作为服务器连接协调器RS232串口，通过计算机，人们可以按照意愿操控该系统。
[0010]该CPU主控电路控制该光合作用传感器模块采集光合作用环境因子数据，经过光合作用模型分析处理后，输出PWM信号控制该红蓝光LED驱动电路模块调节环境光强，以提高植物光合作用效能。该基于植物光合作用的光环境调控系统，不仅能实现精确调控温室光环境，提高植物光合作用效能，且成本低、耗能少，可大规模推广应用。
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]图1是本实用新型的系统结构原理框图。
[0013]图2是本实用新型终端节点电路原理图。
[0014]图3是本实用新型光照强度传感器电路原理图。
[0015]图4是本实用新型二氧化碳传感器电路原理图。
[0016]图5是本实用新型DHTll温湿度传感器电路原理图。
[0017]图6是本实用新型LED驱动电路原理图。
[0018]图7是本实用新型人机交互模块的OLED显示电路原理图。
[0019]图8是本实用新型人机交互模块的按键控制电路原理图。
[0020]图9是本实用新型连接PC上位机的USB转RS232串口电路原理图。
[0021 ]图10是本实用新型CPU主控模块电路原理图。
具体实施例
[0022]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0023]请一并参阅图1及图2，本实用新型实施例提供的一种光环境调控系统包括CPU主控电路、zigbee无线传感模块、光合作用传感器模块、红蓝光LED驱动电路模块、远程通信模块和人机交互模块。该CPU主控电路、该zigbee无线传感模块、该远程通信模块和该人机交互模块共同组成一协调器;该CPU主控电路、该zigbee无线传感模块、该光合作用传感器模块和该红蓝光LED驱动电路模块共同组成终端节点。
[0024]其中，zigbee无线传感模块由射频芯片(CC2530F256芯片)和无线射频(RF)模块构成，采用Zstack协议栈进行星状拓扑无线组网。Zstack协议栈是建立在iIEEE 802.15.4标准之上研发的无线传感技术。本实用新型采用组播的工作模式，工作在2.4GHz频段，共有16个信道，信道通信速率为250kbps。
[0025]该光合作用传感器包括总光强传感器、红光光强传感器、蓝光光强传感器、二氧化碳传感器、温度传感器以及湿度传感器，该总光强传感器用于测量环境总光强，该红光光强传感器用于测量环境红光光强，该蓝光光强传感器用于测量环境蓝光光强，该二氧化碳传感器为非色散红外二氧化碳传感器并用于感测二氧化碳浓度，该温度传感器用于感测环境温度，该湿度传感器用于感测环境湿度(图5示)。
[0026]请一并参阅图2及图3，该光合作用传感器中的光照传感器型号为B-LUX-V30B环境光强传感器，是一款集成了光电二极管和ADC的低成本的环境光传感器，提供I2C数字接口。传感器内部的光电二极管将光强转换为电流，然后通过低功耗电路处理为数字比特流。O流明至200，000流明宽检测范围，微光精度0.054LUX。为求得红蓝光的目标值，本实用新型采用三个B-LUX-V30B环境光强传感器，其中一个加上625-665nm红光窄带通滤波片测量红光光强，另一个加420_480nm蓝光窄带通滤波片测量蓝光光强，最后一个传感器测量总光强。本实用新型根据植物光合作用对光的吸收原理，将红蓝光的光强值转化为相应的光量子通量密度，通过红、蓝光光强占环境总光强的比例，求出红、蓝光量子通量密度目标值，进而控制输出PWM信号的占空比调控光环境。
[0027]请参阅图4，光合作用传感器中的二氧化碳(C02)传感器采用MH-Z14 二氧化碳气体传感器，该传感器是一个智能通用型、小型传感器，利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的C02进行探测，具有很好的选择性和无氧气依赖性，寿命长高灵敏度、高分辨率、低功耗等特点。C02传感器的R、T引脚接终端节点主控CC2530的P0_3(TX)和P0_2(RX)，主控在读传感器浓度值时发送命令“Oxff 0x01 0x86 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x79”，重新返回当前环境二氧化碳浓度。
[0028]请参阅图6，为红蓝光LED驱动电路，该电路采用PT4115为驱动芯片。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，输入电压范围从6伏到30伏，输出电流可调，根据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十瓦的串联LED，可通过D頂引脚输入PWM脉冲信号实现P丽调光。CC2530主控的P1_0和Plj引脚具有P丽输出的功能。根据植物光合作用对红蓝光的吸收特性，本实用新型LED驱动电路按照红蓝光为3:1的比例制成红蓝光LED阵列，采用24V输入电压，红光LED的D頂接CC2530的P1_0，蓝光LED的D頂接CC2530的Pl_l引脚。根据终端主控光合作用模型得出的光强目标值，控制PWM信号的占空比，并使PffM信号频率高于150HZ，实现智能调光。
[0029]远程通信模块采用SIM900A短信通信模块。该远程通信模块是一个两频的GSM/GPRS模块，工作的频段为EGSM900MHz和DCS1800MHz，支持GPRS mult1-slot class 10/class 8(可选)和GPRS编码格式CS-1，CS-2，CS-3and CSU頂900A短信通信模块与协调器直接相连接，其RXD和TXD引脚分别接协调器CC2530的P0_3和P0_2引脚，协调器定期将光合作用传感器采集的环境因子和实时光合作用速率以短信的形式发送给手机移动设备；同时，手机移动端也可通过短信控制协调器调控LED驱动的发光，从而实现远程监控。
[0030]请再参阅图1，人机交互模块为用户提供使用界面和操作控制功能，包括图7所示的OLED显示电路、图8所示的按键控制电路及连接上位机的上位机通信。该人机交互模块通过连接上位机对协调器进行直接操作。
[0031]请参阅图7，本实用新型的OLED显示电路采用OLEDl2864液晶模块，该模块是128 X64行点阵的OLED单色、字符、图形显示模块，内含64 X 64的显示数据RAM，其接口电路和操作指令简单，读写时序适配6800系列时序，直接与主控CC2530相连。
[0032]请参阅图8，本实用新型的按键控制电路采用独立式按键，设置在协调器上，包括以下五个按键，具体说明如下:
[0033]向下&返回键S1:选中向下一项菜单或返回上级菜单。OLED只有四行显示界面且本实用新型只需二级菜单，为节省硬件资源，设置此按键为向下选择键和返回键。确定键S2:进入当前选中菜单。加按键S3:实现数值加。减按键S4:实现数值减。复位按键REST:复位当前系统。
[0034]请参阅图9，本实用新型提供USB转RS232电路，PC上位机作为服务器连接协调器RS232串口，通过计算机，用户可以按照意愿操控该光环境调控系统。
[0035]请参阅图10，本实用新型CPU主控电路采用CC2530作为主控芯片，此芯片内含单周期的8051兼容内核，有SFR、DATA和C0DE/XDATA三个不同的存储器访问总线，配备了 32/64/128/256KB可选择的闪存块，同时集成了全球性能最优且IEEE802.15.4兼容的无线射频收发器，符合本实用新型处理数据和大规模组网通信的要求。此CPU主控电路包括射频电路、晶振电路和稳压电路。射频电路采用电容电感等分立器件耦合以及RF天线实现信号的转换。晶振电路接32M和32.765KHZ两个晶振，其中32M晶振与CC2530的22、23引脚连接以满足时钟电路和无线组网的要求;32.765KHZ连接CC2530的32、33引脚以实现网络节点休眠。本实用新型CPU主控电路电源由电源模块中AMSl 17芯片转3.3V直接供电，但为提高CC2530的工作电源稳定性，在40引脚接上IuF的去耦电容。该CPU主控电路控制该光合作用传感器模块采集光合作用环境因子数据，经过光合作用模型分析处理后，输出PWM信号控制该红蓝光LED驱动电路模块调节环境光强，以提高植物光合作用效能。该基于植物光合作用的光环境调控系统，不仅能实现精确调控温室光环境，提高植物光合作用效能，且成本低、耗能少，可大规模推广应用。
[0036]以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
【主权项】
1.一种光环境调控系统，其特征在于，该光环境调控系统包括CPU主控电路、zigbee无线传感模块、光合作用传感器模块、红蓝光LED驱动电路模块、远程通信模块和人机交互模块，该CPU主控电路、该zigbee无线传感模块、该远程通信模块和该人机交互模块形成一协调器;该CPU主控电路、该zigbee无线传感模块、该光合作用传感器模块和该红蓝光LED驱动电路模块形成终端节点，该CPU主控电路控制该光合作用传感器模块采集光合作用环境因子数据，该采集环境因子通过该Zigbee无线传感模块进行通信并经过光合作用模型分析处理后，输出PWM信号控制该红蓝光LED驱动电路模块调节环境光强。2.根据权利要求1所述的一种光环境调控系统，其特征在于，该光合作用传感器包括总光强传感器、红光光强传感器、蓝光光强传感器、二氧化碳传感器、温度传感器以及湿度传感器，该总光强传感器用于测量环境总光强，该红光光强传感器用于测量环境红光光强，该蓝光光强传感器用于测量环境蓝光光强，该二氧化碳传感器为非色散红外二氧化碳传感器并用于感测二氧化碳浓度，该温度传感器用于感测环境温度，该湿度传感器用于感测环境湿度。3.根据权利要求1所述的一种光环境调控系统，其特征在于，该zigbee无线传感模块由射频芯片和无线射频模块组成。4.根据权利要求1所述的一种光环境调控系统，其特征在于，该人机交互模块包括OLED显示电路、按键控制电路和连接上位机的上位通信。5.根据权利要求1所述一种光环境调控系统，其特征在于，该红蓝光LED驱动电路模块根据植物光合作用对红蓝光的吸收特性，以LED红蓝光为3:1的比例构成LED调光阵列，通过该CPU主控电路输出不同占空比的PffM信号驱动。6.根据权利要求2所述的一种光环境调控系统，其特征在于，该总光强传感器为一款集成电二极管和ADC的B-LUX-V30B环境光传感器。7.根据权利要求2所述的一种光环境调控系统，其特征在于，该红光光强传感器为一款集成电二极管和ADC的B-LUX-V30B环境光传感器结合625-665nm红光窄带通滤波片形成，该蓝光光强传感器为一款集成电二极管和ADC的B-LUX-V30B环境光传感器结合420-480nm蓝光窄带通滤波片形成。
【文档编号】G05B19/042GK205665538SQ201620438605
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】黄义文, 吴鑫灶, 黄旭光
【申请人】华南师范大学