植物工厂led照明控制系统的研究

植物工厂led照明控制系统的研究

植物工厂是国际上公认的设施农业高级发展阶段，象征着植物和人类工业文明的象征。植物工厂给植物提供合适生长环境的系统设备。是一种多学科结合、高技术应用,几乎不受自然条件制约的全新生产方式。工厂通过人工自然条件提供温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度等生长环境的同时对工厂内环境要素进行自动实时监控,高精度调整控制。工厂为植物提供光照的光源主要有高压鈉灯、日光灯。近来随着大功率白光LED的技术突破以及在很多高照度场合的成功应用,以LED为主光源成为在农业生产中替代传统照明的新趋势。植物工厂的每个栽培架上,都装有一块或几块灯板。灯板的光源可以由LED阵列组成,其中以高亮度大功率白光LED为主,灯板上按一定距离插入红光、蓝光和紫外光LED,并且以不同比例均匀分布。由于太阳光对于植物光照而言是全波段的,红光、蓝光、紫外线、红外线等都包括,因此,灯板的光谱也应接近自然光。设计一种以白光LED为主光源辅以其它光色LED组成的可控光源并按照植物的生长特征合成光谱,这种光谱综合特性更有利于植物的生长需求。1led光板耦合单元LED照明系统是由LED阵列组成的光源、LED驱动电路、光板管理电控单元ECU、温度传感器、亮度和光色传感器以及通信接口构成,系统结构如图1所示。多种颜色的LED按照一定的间隔阵列在灯板上,不同颜色的LED配以相应的驱动电路,LED驱动电路受光板电控单元ECU管理。灯板背面的ECU根据光色传感器和亮度传感器采集的LED灯板发光特征,控制不同光色LED的发光强度,以获得近似太阳光的综合光谱。电控单元ECU对灯板LED阵列独立点亮管理的同时还可以在灯板与灯板之间、灯板与植物工厂的中央总控系统之间通过局域网交换数据,接受中央总控系统对不同植物在不同生长期对光谱合成的控制指令。2led光催化氧化曲线LED灯板是植物工厂的关键设备,灯板上的主光源使用PHILIPS公司生产的LUXEONLAFL-C4S大功率白色LED(如图3所示),其主要技术参数如下:工作电压:12~16V;工作电流:1.0~1.2A;色温CCT:5200~6000K;显色性CRI:70;光通量:1000~1200流明;发光角度:±60°。光谱特征见图2所示。大功率白色LED的电流、电压参数具有典型的PN结伏安特性,正向压降(V)和正向电流的(I)以及它们与芯片底座温度的关系曲线如图3所示。从图3中的V-I曲线可知,正向压降(V)随PN结的温度升高而降低,同时又随着结温度升高正向电流的(I)变大。V的微小变化会引起较大的I变化。由于大功率LED的散热是应用技术的关键,当电流受到控制时,正向压降(V)的变化不再影响电流变化而导致温度的恶性循环。因此,大功率LED必须采用恒流源驱动。控制LED驱动电流可以避免温升对正向压降(V)的影响。由LUXEON规格书可见,当LAFL-C4S的恒流驱动至1000mA时,光通量可达1200流明。LED阵列的排列方式根据照射场合的不同可以是条形或圆形。阵列上白光LED的数量可以按照实际所需的总光通量和单个LED的光通量之比,依照以下公式求出:ΝLED=∑ΦvΦv×ηl×η2式中:NLED为LED数量;∑Φv为目标光通量;ηl为光学效率,ηl=90%;η2为热学效率,η2=85%;Φv为LED最小光通量(lm)。电路板上分布的大功率白光和其它颜色的LED与灯壳之间保持良好的散热,灯壳通常采用散热性能较好的铝材制作,灯壳内安装了辅以通风的散热风扇。灯板上安装了温度传感器、光照传感器,分别监测LED的工作温度和光照参数。3led驱动电路—PWM可控LED恒流驱动凌特(Linear)公司的LT3755系列IC专为驱动大功率高电流LED的恒定电流驱动而设计。它们从IC内部的一个7.V电源来驱动外部N沟道功率MOSFET,可以获得1500mA大电流驱动LAFL-C4S大功率白色LED。LT3755电流控制模式可以在4.5~40V的宽输入电压和输出电压在2.9~70V范围内实现了恒定电流的稳定工作。FB引脚用作LED电流检测和保护功能的输入,而且还使得转换器能够起一个恒定电压源的作用。调节RT引脚的电阻值可以得到100kHz至1MHz的频率变化范围,改变频率设置可以优化效率、进一步提高性能。串接在LED上端的电流检测电路是适用于驱动LED的最灵活方案,适合于升压、降压模式或降压-升压模式配置。PWM输入端口提供了高达3000∶1的LED调光比。图4所示白光LEDLAFL-C4S的驱动电路。相比LUXEONLAFL-C4S白光LED大电流而言,灯板上其它波长的LED驱动电流大约只有100~300mA之间,采用了AMIS公司汽车级的LED驱动系列产品,AMIS39100集成电路具有很高的抗高温和高可靠性,可以分别提供8路LED输出驱动。驱动器的每个输出能够达350mA电流,如果端口外接MOSFET可获得更高的驱动电流。AMIS39100外部电路简单到只需一只外接电容器。芯片具有过热保护、过流保护、短路保护和低电压保护功能。当芯片内部电路检测到潜在危险存在的情况下自动关闭驱动程序并将故障的诊断状态通过串口读取。AMIS39100可以同时驱动8个LED(如图5所示)。每条支路的驱动电流由灯板控制单元ECU编程控制,这只IC所具备的保护功能、分控特点、很适合灯板上其它波长LED的分别受控点亮。AMIS39100同时控制8个不同波长LED与LT3755大功率白光LED的联合驱动,可以在灯板上获得近似太阳光的综合光谱,满足植物生长的光色特性。4led灯板控制单元灯板控制单元担负着对不同波长LED独立点亮、光通量和光谱色质可调控制以及温度检测、系统保护等功能。还可根据工厂中央管理系统的调光指令,管理灯板随指令产生不同特征的综合光谱,植物工厂应用可控的LED光源不仅提供植物所需的光照而且利用特定波长的LED单色光对特定的害虫的吸引力,达到有针对性地进行诱虫、灭虫作用。LED灯板控制单元电路图如图6所示。由于灯板上密集了各种波长的LED、测光传感器及其各路LED的驱动芯片,每个芯片分别输入不同的PWM信号及亮度、温度管理,因此需要一个性能较高的多端口ECU控制芯片。ECU控制单元不仅管理灯板各种波长LED的亮度控制和光色合成,还要根据LED驱动电路的工作特性,对灯板的工作状态和外部干扰实施保护,同时还对光板的合成光谱、亮度、温度进行检测。因此,芯片的处理能力、可靠性和稳定性非常重要。系统ECU控制单元设计选用了英飞凌公司的XC164CS系列16位单片微处理器。这款芯片不仅有很好的耐高温特性和稳定性,还内置现场控制通信的CAN总线端口。XC164的输入端口监控大功率LED底座基板的温度,这个观察点接近LED的结温,是保护LED不至于热损坏的关键,同时对各LED散热器多点的温度循环检测,管理灯板的热平衡保护控制。XC164的输入口还将照度传感器和光谱传感器探头的监测数据进行处理,计算出光色合成效果并与工厂的中央控制器配光指令进行比对、实时调控。XC164的输出端口分别输出不同的PWM信号控制AMIS39100的驱动电流,以实现对各路不同波长LED的亮度控制以及对LT3755白光大功率LUXEONLAFL-C4S的驱动。灯板控制单元在控制光源亮度的同时还实施对灯板过压保护,过流保护、反向保护、短路保护、浪涌保护、系统诊断等。灯板安全和可靠工作的关键是LED的散热,它关系到LED的寿命、光衰、色偏移等重要指标。监测温度的传感器分别监控大功率LED底座基板和散热片上的多点温度,当底座基板温度升高达到了XC164预设警戒值时,系统调节LED驱动的PWM信号时降低驱动电流,使大功率LED降低功耗达到降温效果。当对LED灯板进行热管理时,散热器温度到达临界温度时,系统启动散热风扇对灯板热源强制对流,ECU可以根据检测点的部位和温度值,确定强制风冷区域的风扇位置和风速,必要时调整PWM驱动控制信号以减小LED功耗。当温度过高、监测点异常或LED灯板故障时,灯板控制单元通过现场局域网向周围灯板发布故障信息同时向工厂中央控制系统提供实时数据并发出告警信号。5两组网络性能比较植物工厂经常变换栽培的植物,根据栽培区植物的不同,采用不同的光谱配比和光照控制程序。栽培区也经常随植物种类不同而叠放栽培架和增减灯板。由于同一个植物栽培区内的光照由几个或几十个灯板共同完成,因此,要求实现灯板的发光一致、相互统一,区域管理。并且实现灯板与其它监控设备之间、灯板与灯板之间、灯板与中央控制系统之间的现场网络管理。因此必须构建一种灵活、实时、可靠的通信方式和适合于即插即用灵活多变的网络结构。CAN(ControllerAreaNetwork)控制器局域网络属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。最初是为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。因此逐渐在其它领域的应用开来。植物工厂照明采用LED光源系统之后,植物光照控制技术逐渐走向智能化。光源的驱动和保护、光谱和亮度的监测由灯板控制单元处理,并将灯板控制单元设置为较低的网络级别。将栽培区的区域管理设备和灯板管理设备以及栽培区的温度、湿度、CO2浓度、营养素、水质、光的照射量等环境因素的监测设备设置为较高级别,享有通信优先权。网络上任一节点设备,包括每一块灯板,均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活,无需站点地址等信息。当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据。设备之间通信距离最远可达10km(速率5kb·s-1);通信速率最高达1Mb·s-1(此时通信距离最长为40m)。通信介质可以是低成本的双绞线、同轴电缆或光导纤维。由于网络传输采用短幀结构,传输时间短,受干扰几率低,具有很好的抗干扰效果。系统CAN接口使用了英飞凌公司的TLE6250专用CAN收发芯片。它们是独立的CAN总线网络控制芯片,能够配合各种MCU构成支持CAN总线的产品。图7中二只CAN收发接口芯片可以分别接入植物工厂LED照明系统的高速网和低速网。6植物工厂led照明系统构成因素植物工厂LED照明控制系统设计涉及到多端口分别控制的LED驱动、光谱合成、光源散热管理、系统控制与通信等诸多技术问题。经过对不同波长LED光谱特征配比、PWM电路多路驱动设计、ECU单元及监测电路的设计构成了光源灯板。灯板上配备相应传感器以及控制点亮程序构成植物工厂LED照明系统的