LED植物补光源光量子通量密度的数据采集系统.pdf

2018 年4 月 第29 卷  第2 期 照 明 工 程 学 报 ZHAOMINGGONGCHENGXUEBAO Apr.   2018 Vol.29  No.2 LED 植 物 补 光 源 光 量 子 通 量 密 度 的 数 据 采 集 系 统 王 启 星 1，2 ， 徐 景 宏 1 ， 张 昕 昱 1，2 ， 王  通 1，2 ， 刘  文 1，2 (1. 中 国 科 学 技 术 大 学 物 理 学 院， 安 徽 合 肥  230026；2. 中 国 科 学 技 术 大 学 先 进 技 术 研 究 院， 安 徽 合 肥  230088) 摘  要: LED 植 物 工 厂 等 都 市 农 业 生 产 和 研 发 的 基 础 是 对 植 物 生 长 的 光 环 境 的 测 量， 由 于 植 物 光 合 作 用 主 要 是 吸 收 可 见 光 中 的 红 光 和 蓝 光， 因 此 现 在 有 关LED 植 物 工 厂 的 企 业 以 及 研 发 机 构 多 采 用 蓝 光、 红 光、 远 红 光 等 单 色 LED 进 行 植 物 补 光， 然 而 现 在 用 于 对 单 色 补 光 的 数 据 采 集 系 统 多 用 于 测 量400700nm 波 段 的 光 量 子 通 量 密 度， 无 法 同 时 测 量 红 光 和 蓝 光LED 的 光 量 子 通 量 密 度， 给 进 一 步 研 究 光 质 比 的 实 时 测 量 及 与 其 他 系 统 的 反 馈 控 制 带 来 了 阻 碍。 因 此 本 文 提 出 分 别 测 量LED 光 源 中 红 光 和 蓝 光 的 光 量 子 通 量 密 度 以 解 决 以 上 问 题。 本 文 阐 述 了LED 光 量 子 数 数 据 采 集 系 统 的 整 体 结 构 以 及 硬 件 设 计 以 及 软 件 设 计， 并 用 该 系 统 对 红 蓝 光 光 量 子 数 进 行 实 时 监 测， 然 后 和 实 际 值 进 行 比 对， 结 果 表 明 该 系 统 所 测 数 据 在 可 承 受 的 误 差 范 围 之 内。 关 键 词: 植 物 工 厂； 补 光 源； LED 光 量 子 数； 数 据 采 集 系 统； 光 环 境 检 测； PAR； FPGA 中 图 分 类 号: TM923    文 献 标 识 码: A    DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2018.02.012 DesignofPhotoFluxDensityDataCollectionSystemfor LEDPlantLighting WANGQixing 1，2 ，XUJinghong 1 ，ZHANGXinyu 1，2 ， WANGTong 1，2 ， LIUWen 1，2 (1.SchoolofPhysicalSciences，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei  230026， China； 2.InstituteofAdvancedTechnology， UniversityofScienceandTechnologyofChina， Hefei230088， China) Abstract: Urbanagriculture， such as LED plant factory， based its research and development on the measurementofluminousenvironmentforplantsgrowth. Plantmainlyabsorbsredandbluelighttogrow， therefore，LEDplantfactoriesandresearchinstitutionsusemonochromeLEDlightsforplantsupplemental lighting. The PAR quantum sensors， which could measure the photon flux of radiation in the spectral interval400700nm，cantmeasurephotonfluxofredandblueLEDsimultaneously. Thisblocksthe furtherresearchonrealtimemeasurementsandsystemfeedbackcontrol. Therefore，thispaperpresentsa dataacquisitionsystemformeasuringtheamountofredandbluelightintheLEDlightsourcerespectively， tosolvethe above problems. Thispaperdescribesthe LEDlightquantumdata acquisitionsystem，the overall structure and the hardware design of each part and the host computer design. And the system monitorstheredandbluelightquantumnumberinrealtime，andthencomparesthedatawiththeactual value. Theresultsshowthatthemeasureddatainthesystemiswithintheerrortolerancerange. Keywords: Plantfactory；Filllightsource；LEDlightquantumnumber；datacollectionsystem；Light environmentdetection， PAR， FPGA 基 金 项 目: 安 徽 省 科 技 厅 科 技 重 大 专 项 项 目 设 施 农 业 光 照 传 感 器 及 智 能 光 照 控 制 系 统 ( 批 准 号:16030701093) 通 信 作 者: 刘 文， E-mail: wenliuustc.edu.cn 54     照 明 工 程 学 报 2018 年4 月 引 言 这 几 年 随 着LED 技 术 的 发 展， 以LED 为 农 作 物 生 长 补 光 源 的 城 市 农 业 快 速 发 展 1 。 由 于 植 物 叶 绿 素 的 吸 收 光 谱 在 红 光 波 段 以 及 蓝 光 波 段 有 两 个 主 要 的 吸 收 峰 2-3 ， 导 致 这 两 种 光 的 光 合 效 率 最 高 4 。 此 外， 植 物 从 发 芽 经 过 吸 收 营 养 进 行 生 长 再 到 开 花 的 整 个 过 程 受 到 远 红 光 影 响 5-6 。 所 以 现 在 植 物 工 厂 补 光 源 以 峰 值 波 长450nm 的 蓝 光LED、 峰 值 波 长 660nm 的 红 光LED 以 及 峰 值 波 长 为735nm 的 远 红 光LED 为 主 要 补 光 源 7 。 又 因 为 光 合 作 用 生 成 的 分 子 数 与 光 子 能 量 无 关， 而 近 似 与 光 合 有 效 辐 射 吸 收 的 光 子 的 具 体 数 量 相 关 8 ， 所 以 现 在 植 物 工 厂 中 对 补 光 源LED 测 量 多 以 测 量 其 光 合 有 效 光 量 子 通 量 密 度 (photosyntheticphotonfluxdensity， PPFD)。 因 此 设 计 一 个 可 以 探 测 出 植 物 工 厂 补 光 源LED 的PPFD 数 值 的 探 测 系 统 势 在 必 行， 并 且 植 物 生 长 主 要 是 吸 收 红 光 和 蓝 光， 所 以 本 次 设 计 主 要 探 测 红 光 以 及 蓝 光LED 的PPFD。 为 了 实 现 上 位 所 述 的 功 能， 本 文 设 计 了 一 个 以 FPGA 芯 片 和USB2.0 芯 片 为 基 础 的 数 据 采 集 系 统。 由 于FPGA 运 行 程 序 的 速 度 较 快， 需 要 开 发 的 时 间 短， 芯 片 的 集 成 度 较 高， 耗 费 的 功 率 较 低， 内 部 包 含 高 频 率 的 时 钟， 组 成 形 式 灵 活。 因 此 本 次 设 计 采 用FPGA 作 为 主 控 芯 片 可 以 很 好 的 完 成 实 时 的 光 量 子 数 采 集 并 且 该 采 集 系 统 具 有 重 要 的 应 用 价 值 9-10 。 1  系 统 设 计 该 系 统 主 要 有 六 个 部 分: 信 号 采 集 处 理 模 块； ADC 模 拟 量 转 化 数 字 量 模 块； FPGA 主 控 模 块； USB2.0 芯 片 模 块； 上 位 机 模 块； 系 统 电 源 模 块。 该 系 统 首 先 同 过 信 号 采 集 处 理 模 块 将 植 物 工 厂 补 光LED 光 源 的 光 强 度 转 化 成 电 流 分 量， 然 后 经 过 一 定 处 理 变 成 适 合ADC 的 模 拟 输 入 信 号， 然 后 信 号 经 过ADC 芯 片， 实 现 模 拟 量 到 数 字 量 的 转 变， 这 之 后 通 过FPGA 内 部 的AD 芯 片 接 口 将 转 化 的 数 据 储 存 到FPGA 内 部FIFO 中， 然 后 再 由 内 部USB 接 口 从FIFO 读 取 数 据 传 送 到USB2.0 芯 片 当 中， 然 后 经 过USB2.0 接 口 将 数 据 传 送 到 上 位 机 当 中， 上 位 机 将 传 送 的 数 据 进 行 一 定 处 理 将 采 集 量 转 变 为 光 量 子 数， 然 后 在 显 示 页 面 将 数 据 显 示 出 来。 而 电 源 模 块 负 责 给 其 他 相 应 模 块 ( 除 上 位 及 模 块 以 外) 供 电。 系 统 框 图 如 图1 所 示。 图1  系 统 总 体 设 计 框 图 Fig.1  Systemoveralldesignblockdiagram 1  系 统 硬 件 设 计 图2 所 示 为 系 统 硬 件 整 体 设 计 框 图， 硬 件 采 集 板 主 要 包 括 光 学 传 感 器 模 块， 模 拟 信 号 滤 波 整 形 电 路， AD 芯 片 相 关 电 路， FPGA 主 控 制 芯 片 以 及 其 外 围 电 路， USB2.0 芯 片 以 及 其 外 围 电 路 等。 1) 光 学 传 感 器 设 计。 根 据 图3， 植 物 光 合 作 用 主 要 吸 收 太 阳 光 中 的 红 光 以 及 蓝 光， 所 以 现 在 植 物 工 厂 中 多 采 用 蓝 光LED (450nm 的 峰 值 波 长) 以 及 红 光LED (660nm 的 峰 值 波 长) 7 ， 因 此 系 统 设 计 需 要 两 个 光 学 传 感 器， 分 别 采 集 红 光LED 光 强 以 及 蓝 光LED 光 强。 光 学 传 感 器 主 要 由 红 光 或 蓝 光 滤 光 片， 余 弦 修 正 片， PIN 光 电 二 极 管 构 成， 结 构 如 图4 所 示。 通 过 光 学 传 感 器 结 构 可 知， 光 首 先 通 过 余 弦 修 正 片， 然 后 经 过 红 光 和 蓝 光 滤 光 片， 最 后 产 生 光 电 流 传 给 后 续 电 路。 光 电 二 极 管 采 用QSB34CGR 封 装 的 贴 片 式 光 电 二 极 管。 图4 中 余 弦 修 正 片 主 要 作 用 是 消 除 非 垂 直 光 照 第29 卷 第2 期 王 启 星 等: LED 植 物 补 光 源 光 量 子 通 量 密 度 的 数 据 采 集 系 统 55     图2  系 统 硬 件 整 体 设 计 框 图 Fig.2  Systemhardwareoveralldesignblockdiagram 图3  植 物 叶 绿 素 吸 收 光 谱 及 典 型 植 物 照 明LED 光 谱 11 ， 红 色 实 线 为 植 物 叶 绿 素a 吸 收 光 谱， 橙 色 虚 线 为 植 物 叶 绿 素b 吸 收 光 谱。 蓝 色、 红 色、 黑 色 光 谱 分 别 为 峰 值 波 长 为450nm 的 蓝 光LED、 峰 值 波 长 为660nm 的 红 光LED 和 峰 值 波 长 为735nm 的 远 红 光LED Fig.3  AbsorptionspectraofPlantchlorophyllandtypicalLEDspectrums ofplantlighting 11 . TheredsolidlineistheabsorptionspectraofPlant chlorophylla，theorangedottedlineistheabsorptionspectraofPlant chlorophyll b. blue/red/black spectra respectively are blue (peak wavelength450nm)red (peakwavelength660nm) /far-red (peak wavelength735nm)LED 图4  光 学 传 感 器 结 构 示 意 图 Fig.4  Opticalsensorstructurediagram 射 时 产 生 光 电 流 所 造 成 的 误 差。 蓝 色 滤 波 片 峰 值 波 长 在550nm， 带 宽 大 约 为20nm； 红 色 滤 波 片 峰 值 波 长660nm， 带 宽 大 约 为30nm 左 右。 2) 模 拟 信 号 滤 波 放 大 电 路 设 计。 LED 光 经 过 光 学 传 感 部 件 转 化 为 一 定 量 的 光 电 流 和 开 路 电 压， 但 是 此 信 号 中 包 含 一 些 噪 声 ( 暗 电 流 等)。 因 此 需 要 通 过 滤 波 电 路 将 噪 声 处 理 掉， 又 因 为 光 传 感 装 置 所 产 生 的 光 电 流 和 开 路 电 压 很 小， 所 以 要 经 过 一 定 放 大， 已 达 到 后 边AD 芯 片 的 输 入 信 号 要 求。 因 此 光 传 感 器 产 生 的 光 电 流 要 经 过 滤 波 放 大 电 路 进 行 初 步 处 理。 图5 所 示 就 是 具 体 的 滤 波 放 大 电 路 的 电 路 设 计。 3) AD 芯 片 选 型 以 及 接 口 电 路 设 计。 本 设 计 采 用 某 公 司 的AD7980 芯 片。 其 具 体 接 口 电 路 示 意 图 如 图6 所 示。 当 开 始 进 行 数 据 采 集 时， 首 先FPGA 先 将SDI 端 口 信 号 置 为 高 电 平， 然 后FPGA 将CNV 端 口 信 号 从 低 电 平 变 成 高 电 平， 芯 片 在CNV 信 号 上 升 沿 时 检 测 到SDI 端 口 信 号 为 高 电 平， 芯 片 选 择CS 模 式， 并 强 制SDO 端 口 进 入 高 阻 态。 此 模 式 下， CNV 端 口 信 号 在 转 换 阶 段 和 随 后 的 数 据 回 读 期 间 必 须 保 持 高 电 平 ( 如 果SDI 和CNV 为 低 电 平， SDO 变 为 低 电 平)。 最 小 转 换 时 间 之 前SDI 端 口 信 号 返 回 低 电 平， 接 着 在 最 大 转 换 时 间 内 保 持 低 电 平， 然 后SDO 端 口 在 一 段 时 间 低 电 平 信 号 之 后 的 第 一 个 时 钟 下 降 沿 开 始 传 输 数 据， 当16 位 数 据 传 输 完 毕 时SDO 端 口 变 56     照 明 工 程 学 报 2018 年4 月 图5  滤 波 放 大 电 路 的 电 路 设 计 Fig.5  CircuitDesignofFilterAmplifierCircuit 图6  AD 接 口 电 路 Fig.6  TheinterfacecircuitofAD 成 高 阻 态， 此 时FPGA 需 要 将SDI 端 口 信 号 拉 高， 等 待 下 一 次 的 数 据 传 输。 4) USB2.0 芯 片 选 型 以 及 接 口 电 路 设 计。 当 信 号 通 过 主 控 芯 片FPGA 处 理 之 后， 通 过USB 接 口 电 路 将 处 理 后 的 数 据 传 送 到 USB2.0 中， 然 后 由 USB2.0 芯 片 将 上 位 机 进 行 处 理 读 取， 因 此USB 接 口 电 路 尤 为 重 要。 本 设 计 采 用 公 司 设 计 的 高 集 成 度、 低 功 耗 的EZUSBFX2LP 系 列， 具 体 芯 片 的 型 号 是 CY7C68013A 的 采 用USB2.0 协 议 的 集 成 芯 片。 其 具 体 接 口 电 路 如 图7 所 示。 1.2  软 件 设 计 为 了 让 系 统 正 常 工 作， 除 了 硬 件 设 计 以 外， 还 需 要 相 应 的 软 件 开 发， 软 件 部 分 主 要 分 两 个 部 分: 主 要 控 制 芯 片FPGA 的 相 应 程 序 开 发， 采 用USB2.0 图7  USB 接 口 电 路 4 Fig.7  USBinterfacecircuit 通 信 协 议 的 集 成 芯 片 的 固 件 程 序 编 写。 1) 主 控 芯 片FPGA 的 软 件 设 计。 本 次 设 计 关 于 FPGA 设 计 主 要 分 为 三 个 部 分: AD 接 口 模 块 设 计， FIFO 模 块 设 计， USB 接 口 相 关 设 计。 具 体FPGA 软 件 系 统 总 体 设 计 框 图 如 图8 所 示。 USB 接 口 设 计。 主 控 芯 片FPGA 里 的USB 逻 辑 接 口 部 分 主 要 有 两 个 功 能， 一 个 是 将 上 位 机 命 令 进 项 接 收 并 将 其 “ 解 读” 成 对 应 芯 片 完 成 相 应 功 能 的 控 制 信 号， 另 一 个 是 将 之 前 获 得 数 据 传 送 到 USB2.0 芯 片 内 部FIFO 中， 等 待 上 位 机 的 读 取 处 理。 其 具 体 连 接 如 图9 所 示。 AD 接 口 设 计。 AD 接 口 部 分 主 要 是 控 制AD 采 集 的 读 取 时 间 以 及 将AD 采 集 到 的 数 据 读 取 出 来 送 到FPGA 内 部 的FIFO 中 进 行 存 储。 具 体 的 设 计 连 接 如 图10 所 示。 AD 采 样 部 分 主 要 由 四 部 分 组 成: 控 制 信 号 产 第29 卷 第2 期 王 启 星 等: LED 植 物 补 光 源 光 量 子 通 量 密 度 的 数 据 采 集 系 统 57     图8  FPGA 总 体 设 计 模 块 Fig.8  FPGAoveralldesignmodule 图9  USB 接 口 模 块 设 计 图 Fig.9  USBinterfacemoduledesign 生 模 块； AD 采 集 时 钟 产 生 模 块； 计 数 模 块； 数 据 传 输 模 块。 2) USB 的 固 件 程 序 设 计。 本 文 所 使 用 的 固 化 程 序 是 在keiluvision2 这 个 软 件 环 境 下 编 写 然 后 在 将 此 程 序 传 输 到USB 芯 片 外 部 的ROM 存 储 器 中， 用 于 令USB2.0 芯 片 可 以 完 成 基 于USB2.0 协 议 下 的 数 58     照 明 工 程 学 报 2018 年4 月 图10  AD 接 口 模 块 设 计 图 Fig.10  ADinterfacemoduledesign 据 传 输， 具 体 的 程 序 流 程 图 如 图11 所 示。 图11  USB 固 件 程 序 流 程 图 12 Fig.11  USBfirmwareprogramflowchart 12 如 图11 所 示， 在 给 系 统 通 电 并 通 过 外 部 复 位 按 键 将 系 统 复 位 以 达 到 将 程 序 中 所 使 用 的 程 序 变 量 置 为 初 始 状 态， 这 之 后 采 用TD_ lnit () 函 数， 令 USB2.0 芯 片 变 为 初 始 状 态 并 且 让USB 芯 片 中 各 种 中 断 处 于 使 能 状 态， 然 后 就 是 通 过 判 断 重 枚 举 FLAG 位 是 不 是1， 如 果FLAG 位 为1 的 话 这 说 明 该 芯 片 需 要 重 枚 举， 然 后PC 机 将 相 应 的 驱 载 程 序 下 载 到USB2.0 芯 片 中。 如 果FLAG 位 不 为1， 则 该 程 序 需 要 等 到 上 位 机 传 送 过 来 命 令 信 号 包 之 后 才 继 续 运 行， 而 后 程 序 将 对 收 到 的 命 令 信 号 包 进 行 “ 解 析”， 看 是 不 是SETUP 包， 如 果 收 到 了SETUP 信 号 包 则 解 析 剩 余 控 制 命 令 包 并 完 成 相 应 的 指 令， 如 果 没 有 收 到SETUP 包， 则 运 行 自 定 义 的 循 环 查 询 程 序， 如 果 在 查 询 之 中 接 收 到 中 断 信 号， 芯 片 立 刻 挂 起 直 到 有 效 的 唤 醒 信 号 传 送 进 来。 2  实 验 验 证 数 据 通 过USB2.0 通 信 协 议 从 电 路 板 上 传 输 到 上 位 机 中， 此 时 探 测 到 的 数 据 为 经 过 处 理 后 的PIN 光 电 二 极 管 两 端 的 电 压 而 不 是 我 们 所 要 的PPFD 值， 所 以 我 们 需 要 对 探 测 到 的 数 据 进 行 一 定 标 定， 又 由 于 红、 蓝 光 的PPFD 值 分 别 与 其 对 应 的PIN 光 电 二 极 管 两 端 电 压 成 线 性 关 系 13 ， 所 以 只 需 将 所 测 的 PIN 光 电 二 极 管 两 端 电 压 与 实 际 的PPFD 值 进 行 拟 合 即 可 以 完 成 相 应 标 定。 具 体 标 定 的 方 法 是 将 加 载 了2.2V 电 压 的 单 颗 红 色LED， 放 在 标 准 暗 室 之 中， 用 相 应 的 控 制 器 完 成 光 通 量 控 制 ( 该 控 制 器 主 要 是 通 过 基 于DMX512 协 议 的PWM 调 制 实 现 的)。 并 且 通 过 该 控 制 器 将 单 颗LED 两 端 的 电 压 占 空 比 以 每 次 提 高5 的 刻 度， 从 初 始 的0 到 最 后 的100， 记 录 上 位 机 采 集 到 的 电 压 值， 以 及 用 放 上 了和 系统 中PIN 光电 二极管 同 材 料、 同 厚 度的 红 光 滤 光 片 的PQS-1 传 感 器 读 出， 然 后 第29 卷 第2 期 王 启 星 等: LED 植 物 补 光 源 光 量 子 通 量 密 度 的 数 据 采 集 系 统 59     经 两 组 数 值 进 行 拟 合。 蓝 光 的 拟 合 方 式 也 是 如 此。 从 图16、 图17 可 以 得 出 红 光 通 道 以 及 蓝 光 通 道 的 拟 合 方 程 为 图12  采 集 系 统 红 光 通 道 标 定 曲 线 Fig.12  REDchannelscalibrationcurveofsystem V Ra Ra PPFD Ra Ra 1.0233PPFD Ra -5.692 (1) V Ba Ba PPFD Ba Ba 1.5545PPFD Ra - 10.501 (2)将 式 (1)、 式 (2) 写 入 到 上 位 机 程 序 中， 将 显 示 的 电 压 值 转 化 成PPFD 值， 上 位 机 显 示 界 面 如 图14 所 示。 图13  采 集 系 统 蓝 光 光 通 道 标 定 曲 线 Fig.13  Bluechannelscalibrationcurveofsystem 图14  上 位 机 显 示 界 面 Fig.14  PCdisplayinterface 3  结 语 为 了 实 现 实 时 准 确 探 测 植 物 工 厂 中 红 光LED 以 及 蓝 光LED 的PPFD 值， 本 次 设 计 采 用 了 一 个 以 FPGA 芯 片 和USB2.0 芯 片 为 基 础 的 数 据 采 集 系 统。 由 于FPGA 运 行 程 序 的 速 度 较 快， 需 要 开 发 的 时 间 短， 芯 片 的 集 成 度 较 高， 耗 费 的 功 率 较 低， 内 部 包 含 高 频 率 的 时 钟， 组 成 形 式 灵 活。 此 文 中 给 除 了 相 应 的 硬 件 设 计、FPGA 程 序 开 发 流 程 图 以 及USB 固 化 程 序 流 程 图。 并 通 过 实 验 测 试 验 证 了 该 系 统 的 硬 件 系 统 设 计 的 合 理 性 以 及 软 件 系 统 的 有 效 性， 通 过 实 验 数 据 证 实 了 该 系 统 可 以 稳 定 并 且 准 确 采 集 到 相 应 的 数 据， 实 现 了 对 植 物 补 光 源LED 的PPFD 值 实 时 准 确 测 量。 参 考 文 献 1 KOZAI T. Plant Factory in Japan-Current situation and perspectives J. ChronicaHorticulturae，2013，53 (53 (2):8-11. 2 GOINSGD，YORIONC，SANWOMM，etal. Photo morphogenesis，photosynthesis， and seed yield of wheat plantsgrownunderlightemittingdiodes (LEDs) withor without supplemental blue lighting J. J Exp Bot， 1997，48:1407-1413. ( 下 转 第79 页) 第29 卷 第2 期 李 伟 平 等: 公 路 隧 道 照 明 的 数 值 计 算 方 法 及 设 计 程 序 开 发 79     算 模 块 是 程 序 的 核 心 模 块， 提 高 了 照 明 设 计 的 精 细 化 水 平； 结 果 输 出 和 绘 图 模 块 则 直 接 提 高 了 设 计 的 效 率。 参 考 文 献 1 公 路 隧 道 照 明 设 计 细 则: JTG/TD70/2012014 S. 重 庆: 人 民 交 通 出 版 社，2014. 2 Technische Universiteit Eindhoven (TUE)， Stan Ackermans Instituut. Information and Communication Technology (ICT). Zero energy Tunnel-concept R. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven， 2012: 14-15 3 James Peeling， Matthew Wayman， Isabela Mocanu， et al. 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