本發(fā)明涉及照明技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備及其調(diào)光方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)是人口大國(guó)，總?cè)丝跀?shù)占世界總?cè)丝诘奈宸种弧Ｒ虼?，解決國(guó)民的吃飯問(wèn)題一直我國(guó)農(nóng)業(yè)面臨的第一要?jiǎng)?wù)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，改變中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)“靠天吃飯”的粗放式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式勢(shì)在必行。將農(nóng)作物的生產(chǎn)方式與當(dāng)代的科學(xué)技術(shù)完美結(jié)合起來(lái)，從而形成高效節(jié)能無(wú)污染的農(nóng)業(yè)種植模式已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

植物的生長(zhǎng)發(fā)育中最重要的生長(zhǎng)因子就是光照。光照強(qiáng)度對(duì)植物的光合作用以及葉綠素的形成具有著重要的作用。而自然界中，太陽(yáng)的光照強(qiáng)度會(huì)隨著天氣變化、地理緯度、季節(jié)的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，因此人工補(bǔ)光已經(jīng)成為促進(jìn)植物生長(zhǎng)及高產(chǎn)的重要方式。

傳統(tǒng)的人工補(bǔ)光方式采用金屬鹵素?zé)簟谉霟艉透邏衡c燈作為人工補(bǔ)光的主要光源，雖然這些燈源可以提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，但是其帶來(lái)的光效低、能耗高等缺點(diǎn)，一定程度上也造成了能源的浪費(fèi)。與此同時(shí)，這些傳統(tǒng)光源位置固定不能實(shí)現(xiàn)近距離照射植物以及無(wú)法智能控制其光照強(qiáng)度等問(wèn)題仍有待解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之目的在于提供一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備及其調(diào)光方法，其通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行前饋和反饋復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn)了燈源自動(dòng)調(diào)光、智能移動(dòng)以及信息遠(yuǎn)程監(jiān)控等目的。

為達(dá)上述及其它目的，本發(fā)明提出一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備，包括：

傳感器模塊，用于采集外界的自然光照信號(hào)或外界自然光照信號(hào)與光驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出的光信號(hào)的疊加信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)；

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)該傳感器模塊采集的電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送至控制模塊；

控制模塊，用于對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生用于控制光驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

光驅(qū)動(dòng)模塊，用于在該控制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，實(shí)現(xiàn)各步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作以控制該補(bǔ)光燈源模塊；

補(bǔ)光燈源模塊，受控于該光驅(qū)動(dòng)模塊；

電源模塊，用于為其他各模塊提供電源。

進(jìn)一步地，該控制模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩者的差值產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)該光驅(qū)動(dòng)模塊的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來(lái)控制該光驅(qū)動(dòng)模塊的各步進(jìn)電機(jī)以及補(bǔ)光燈源發(fā)出的光照強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，該設(shè)備還包括無(wú)線通信模塊、路由器以及上位機(jī)，該控制模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過(guò)無(wú)線通信模塊、路由器傳送至該上位機(jī)，由該上位機(jī)將接收到數(shù)字信號(hào)與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，最后將兩者的差值再次通過(guò)該路由器、無(wú)線通信模塊并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給該控制模塊，由該控制模塊根據(jù)兩者的差值產(chǎn)生該驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

進(jìn)一步地，該傳感器模塊包括燈罩光敏傳感器陣列以及地面光敏傳感器陣列，該燈罩光敏傳感器陣列用于采集外界的自然光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，該地面光敏傳感器陣列用于采集外界的自然光信號(hào)和該光驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出的光信號(hào)的疊加信號(hào)并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。

進(jìn)一步地，該光驅(qū)動(dòng)模塊包括光源升降模塊、光源旋轉(zhuǎn)模塊、光源調(diào)節(jié)模塊，該控制模塊通過(guò)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)分別連接該光源升降模塊、光源旋轉(zhuǎn)模塊以及光源調(diào)節(jié)模塊，該光源升降模塊通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制該補(bǔ)光燈源的升降，該光源旋轉(zhuǎn)模塊通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制補(bǔ)光燈源的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，該光源調(diào)節(jié)模塊用于調(diào)節(jié)補(bǔ)光燈源的亮度。

進(jìn)一步地，該光源升降模塊包括光源升降驅(qū)動(dòng)電路和第一步進(jìn)電機(jī)，該光源升降驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)脈沖寬度信號(hào)線與該控制模塊相連接，其通過(guò)輸出線與第一步進(jìn)電機(jī)連接，該光源旋轉(zhuǎn)模塊包括光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路與第二步進(jìn)電機(jī)，該光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)脈沖寬度信號(hào)線與該控制模塊相連接，其通過(guò)輸出線與該第二步進(jìn)電機(jī)連接，該光源調(diào)光模塊包括光源調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路，該光源調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)脈沖寬度信號(hào)線與該控制模塊相連接，其輸出線與該補(bǔ)光燈源模塊的led陣列連接。

進(jìn)一步地，該補(bǔ)光燈源模塊包括齒輪、燈桿、燈罩以及l(fā)ed陣列，該齒輪受控于該第一步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)和該燈桿兩邊的鋸齒相互契合實(shí)現(xiàn)齒輪和燈桿的完全接觸，該燈桿的頂端與該光源升降模塊相連接，底端與該光源旋轉(zhuǎn)模塊相連接，該燈罩的頂端與該光源旋轉(zhuǎn)模塊相連接，底端與該光源調(diào)光模塊相連接，該led陣列與該光源調(diào)光模塊連接。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備的調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟：

步驟一，利用傳感器模塊采集光照信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)；

步驟二，對(duì)傳感器模塊采集的電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送至控制模塊，利用控制模塊對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生用于控制光驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

步驟三，在該控制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，利用光驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)各步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作以控制補(bǔ)光燈源的調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步地，于步驟二中，該控制模塊通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)傳感器模塊采樣的電信號(hào)進(jìn)行采樣，并將接收到的數(shù)字信號(hào)與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩者的差值產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)該光驅(qū)動(dòng)模塊的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來(lái)控制該光驅(qū)動(dòng)模塊中的各步進(jìn)電機(jī)以及補(bǔ)光燈源發(fā)出的光照強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，于步驟二中，該控制模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過(guò)無(wú)線通信模塊、路由器傳送至上位機(jī)，由該上位機(jī)將接收到的數(shù)字信號(hào)與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，得到兩者的差值并通過(guò)該路由器、無(wú)線通信模塊傳送至控制模塊，然后由該控制模塊根據(jù)兩者的差值產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備及其調(diào)光方法通過(guò)利用傳感器模塊采集外界自然光的光照信號(hào)，并將采集的光照信息與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)光驅(qū)動(dòng)模塊控制補(bǔ)光燈源的動(dòng)作，通過(guò)補(bǔ)光燈源的光信號(hào)被傳感器模塊采集進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行前饋和反饋復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn)了燈源自動(dòng)調(diào)光、智能移動(dòng)以及信息遠(yuǎn)程監(jiān)控等目的。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備之第一較佳實(shí)施例的系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備之第二較佳實(shí)施例的系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一具體實(shí)施例之智能補(bǔ)光設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明之基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備之應(yīng)用情境示意圖；

圖7為本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備的調(diào)節(jié)方法的步驟流程圖；

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例并結(jié)合附圖說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明亦可通過(guò)其它不同的具體實(shí)例加以施行或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)亦可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾與變更。

圖1為本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備之第一較佳實(shí)施例的系統(tǒng)架構(gòu)圖。如圖1所示，本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備，包括：傳感器模塊11、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊12、控制模塊13、光驅(qū)動(dòng)模塊14、補(bǔ)光燈源模塊15以及電源模塊16。

其中，傳感器模塊11，用于采集外界的自然光照信號(hào)或外界自然光照信號(hào)與光驅(qū)動(dòng)模塊14發(fā)出的光信號(hào)的疊加信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，在本發(fā)明具體實(shí)施例中，傳感器模塊11包括燈罩光敏傳感器陣列110以及地面光敏傳感器陣列111，燈罩光敏傳感器陣列110用于采集外界的自然光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，地面光敏傳感器陣列111，地面光敏傳感器陣列111用于采集外界的自然光信號(hào)和光驅(qū)動(dòng)模塊14發(fā)出的光信號(hào)的疊加信號(hào)并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊12，用于對(duì)傳感器模塊11采集的電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送至控制模塊13；控制模塊13，用于對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生用于控制光驅(qū)動(dòng)模塊14的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在本發(fā)明較佳實(shí)施例中，控制模塊13每隔相同時(shí)間段，會(huì)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊12對(duì)傳感器模塊11采樣的電信號(hào)進(jìn)行采樣，并將接收到的數(shù)字信號(hào)與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩者的差值產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)光驅(qū)動(dòng)模塊14的pwm信號(hào)來(lái)控制光驅(qū)動(dòng)模塊14中的各步進(jìn)電機(jī)以及補(bǔ)光燈源發(fā)出的光照強(qiáng)度；光驅(qū)動(dòng)模塊14，用于在控制模塊13的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，實(shí)現(xiàn)各步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作以控制補(bǔ)光燈源的調(diào)節(jié)；補(bǔ)光燈源模塊15，受控于該光驅(qū)動(dòng)模塊14；電源模塊16，用于為其他各模塊提供電源。在本發(fā)明具體實(shí)施例中，光驅(qū)動(dòng)模塊14包括光源升降模塊140、光源旋轉(zhuǎn)模塊141以及光源調(diào)節(jié)模塊142，控制模塊13通過(guò)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)分別連接光源升降模塊140、光源旋轉(zhuǎn)模塊141以及光源調(diào)節(jié)模塊142，其中，光源升降模塊140通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制補(bǔ)光燈源的升降，光源旋轉(zhuǎn)模塊141通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制補(bǔ)光燈源的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，光源調(diào)節(jié)模塊142用于調(diào)節(jié)補(bǔ)光燈源的亮度，補(bǔ)光燈源模塊15包括齒輪、燈桿、燈罩以及l(fā)ed陣列，該齒輪通過(guò)和燈桿兩邊的鋸齒相互契合實(shí)現(xiàn)齒輪和燈桿的完全接觸，燈桿的頂端與光源升降模塊相連接，底端與光源旋轉(zhuǎn)模塊相連接；燈罩的頂端與光源旋轉(zhuǎn)模塊相連接，底端與光源調(diào)光模塊相連接

圖2為本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備之第二較佳實(shí)施例的系統(tǒng)架構(gòu)圖。在本發(fā)明第二較佳實(shí)施例中，除了包含第一較佳實(shí)施例中的各模塊外，本發(fā)明之基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備還包括無(wú)線通信模塊17、路由器18以及上位機(jī)19，控制模塊13將接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，將其通過(guò)無(wú)線通信模塊17、路由器18傳送至上位機(jī)19，上位機(jī)19將接收到數(shù)字信號(hào)與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，最后將兩者的差值再次通過(guò)路由器18、無(wú)線通信模塊17并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給控制模塊13，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)的前饋控制。

以下通過(guò)幾個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明之基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備：

實(shí)施例一:

如圖3所示，在本實(shí)施例中，本發(fā)明之農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備，包括：電源模塊電路板1（對(duì)應(yīng)電源模塊）、傳感器模塊2、控制通信一體板3（對(duì)應(yīng)控制模塊與無(wú)線通訊模塊）、光驅(qū)動(dòng)一體板4（對(duì)應(yīng)光驅(qū)動(dòng)模塊）、路由器5、上位機(jī)6以及齒輪7、燈桿8、燈罩9。其中，控制通信一體板3，上面設(shè)置控制模塊301和無(wú)線通訊模塊302；光驅(qū)動(dòng)一體板4，上面設(shè)置光源升降模塊401、光源旋轉(zhuǎn)模塊402以及光源調(diào)光模塊403；電源模塊電路板1，分別與傳感器模塊2、控制通信一體板3、光驅(qū)動(dòng)一體板4、路由器5和上位機(jī)6的電源正負(fù)極相連；傳感器模塊2，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)線與控制模組301連接；控制模塊301，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)線與傳感器模塊2連接，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)線與無(wú)線通信模塊302連接，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)線與光源升降模塊401、光源旋轉(zhuǎn)模塊402以及光源調(diào)光模塊403連接；無(wú)線通信模塊302，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)線與控制模塊301連接，通過(guò)路由器5與無(wú)線通信模塊302實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線連接；上位機(jī)6，通過(guò)路由器5與無(wú)線通信模塊302實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線連接；齒輪7，通過(guò)和燈桿8兩邊的鋸齒相互契合實(shí)現(xiàn)齒輪7和燈桿8的完全接觸；燈桿8，頂端與光源升降模塊401相連接，底端與光源旋轉(zhuǎn)模塊402相連接；燈罩9，頂端與光源旋轉(zhuǎn)模塊420相連接，底端與光源調(diào)光模塊403相連接。

實(shí)施例二：

如圖4所示，在本實(shí)施例中，本發(fā)明之農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備，包括：電源模塊電路板1、傳感器模塊2、控制通信一體板3、光驅(qū)動(dòng)一體板4、路由器5、上位機(jī)6以及齒輪7、燈桿8、燈罩9；控制通信一體板3，上面設(shè)置控制模塊301和無(wú)線通訊模塊302；光驅(qū)動(dòng)一體板4，上面設(shè)置光源升降模塊401、光源旋轉(zhuǎn)模塊402以及光源調(diào)光模塊403；電源模塊電路板1，分別與傳感器模塊2、控制通信一體板3、光驅(qū)動(dòng)一體板4、路由器5和上位機(jī)的電源正負(fù)極相連；傳感器模塊2，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)線與控制模塊301連接；控制模塊301，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)線與傳感器模塊2連接，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)線與無(wú)線通信模塊302連接，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)線與光源升降模塊401、光源旋轉(zhuǎn)模塊402以及光源調(diào)光模塊403連接；無(wú)線通信模塊302，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)線與控制模塊301連接，通過(guò)路由器5與無(wú)線通信模塊302實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線連接；上位機(jī)6，通過(guò)路由器5與無(wú)線通信模塊302實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線連接；齒輪7，通過(guò)和燈桿8兩邊的鋸齒相互契合實(shí)現(xiàn)齒輪7和燈桿8的完全接觸；燈桿8，頂端與光源升降模塊401相連接，底端與光源旋轉(zhuǎn)模塊402相連接；燈罩9，頂端與光源旋轉(zhuǎn)模塊420相連接，底端與光源調(diào)光模塊403相連接。

本實(shí)施例中，電源模塊電路板1還包括：220v交流電源101和pwm整流器102。pwm整流器102是由單向電壓型脈沖整流電路和滯環(huán)控制模塊構(gòu)成，其輸出端與其他模塊的供電電源相連接。

本實(shí)施例中，傳感器模塊2還包括：燈罩光敏傳感器陣列201和地面光敏傳感器陣列202，其中燈罩光敏傳感器陣列201置于燈罩上，地面光敏傳感器陣列202置于地面，兩者均與控制模塊301通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)線相連接。

本實(shí)施例中，控制模塊301還包括：降壓及穩(wěn)壓電源3012和微控制器3011電路。降壓及穩(wěn)壓模塊3012通過(guò)正、負(fù)極電源線與電源模塊電路板1輸出端和微控制器3011相連接，微控制器3011通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)線與燈罩光敏傳感器陣列201和地面光敏傳感器陣列202相連接。降壓及穩(wěn)壓模塊3012為可產(chǎn)生12v、5v和3.3v的直流電源，分別通過(guò)正、負(fù)兩條電源線與微控制器3011、光源升降模塊401、光源旋轉(zhuǎn)模塊402、光源調(diào)光模塊403相連接。

本實(shí)施例中，路由器5還包括路由節(jié)點(diǎn)501和協(xié)調(diào)器502，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

本實(shí)施例中，上位機(jī)6主要包括采樣值和預(yù)測(cè)值比較模塊601，其輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)路由器5與無(wú)線通信模塊302實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接。

本實(shí)施例中，光源升降模塊401還包括：光源升降驅(qū)動(dòng)電路4011和步進(jìn)電機(jī)4012，光源升降驅(qū)動(dòng)電路4011為橋式可逆電路，其通過(guò)脈沖寬度信號(hào)線與微控制器3011相連接，通過(guò)輸出線與步進(jìn)電機(jī)4012連接。

本實(shí)施例中，光源旋轉(zhuǎn)模塊402還包括：光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路4021和步進(jìn)電機(jī)4022，光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路4021為橋式可逆電路，其通過(guò)脈沖寬度信號(hào)線與微控制器3011相連接，通過(guò)輸出線與步進(jìn)電機(jī)4022連接。

本實(shí)施例中，光源調(diào)光模塊403還包括：光源調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路4031，該光源調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路4031為直流降壓斬波電路，其通過(guò)脈沖寬度信號(hào)線與微控制器3011相連接，通過(guò)輸出線與led陣列4032連接。具體地，led陣列4032為由紅藍(lán)兩種led燈組成的2*16矩形led燈陣列，其中一列為紅色led燈，另一列為藍(lán)色led燈。

圖5為本發(fā)明一具體實(shí)施例之智能補(bǔ)光設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。該農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備，包括：pwm整流器51、控制通信一體板52、光源升降驅(qū)動(dòng)電路53、步進(jìn)電機(jī)54、齒輪55、燈桿56、光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路57、光源調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路58、步進(jìn)電機(jī)59、燈罩光敏傳感器陣列60、燈罩61以及地面光敏傳感器陣列。

其中，pwm整流器51與220v交流配電網(wǎng)電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)直流和交流電的可逆轉(zhuǎn)化；控制通信一體板2通過(guò)信號(hào)線將自身產(chǎn)生的pwm信號(hào)提供給光源升降驅(qū)動(dòng)電路53、光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路57和光源調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路58的開(kāi)關(guān)管，用于控制開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)；通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的信息傳輸。

光源升降驅(qū)動(dòng)電路53用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)54，從而通過(guò)步進(jìn)電機(jī)54的工作狀態(tài)來(lái)帶動(dòng)兩個(gè)齒輪55的旋轉(zhuǎn)方向以及旋轉(zhuǎn)速度。

燈桿56的兩邊呈鋸齒狀，并且與齒輪55的鋸齒完全契合。這樣當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就會(huì)帶動(dòng)燈桿56的上升與下降，從而帶動(dòng)整個(gè)補(bǔ)光燈源的升降。

光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路57驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)59，根據(jù)光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路57的開(kāi)關(guān)管通斷情況對(duì)步進(jìn)電機(jī)9的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

光源調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路58通過(guò)pwm信號(hào)的控制來(lái)調(diào)節(jié)燈光的亮度。

步進(jìn)電機(jī)59的轉(zhuǎn)軸與燈桿56連為一體，從而以燈桿56為軸實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光燈源的旋轉(zhuǎn)功能。

燈罩61與燈桿56的底部相連，其下部安放led陣列，燈罩光敏傳感器陣列60設(shè)置于燈罩61上，以采集外界的自然光。地面光敏傳感器陣列則設(shè)置于農(nóng)業(yè)大棚的地面上。

圖6為本發(fā)明之基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備之應(yīng)用情境示意圖。在本發(fā)明具體實(shí)施例中，包括農(nóng)業(yè)大棚棚頂1、配電網(wǎng)2、補(bǔ)光設(shè)備（補(bǔ)光臺(tái)燈）3和地面光敏傳感器陣列4。補(bǔ)光設(shè)備（補(bǔ)光臺(tái)燈）3的放置方式主要由燈源自身的光照面積以及大棚本身的面積決定，地面光敏傳感器陣列4的位置需放置于補(bǔ)光燈源（補(bǔ)光臺(tái)燈）3的光照范圍內(nèi)。

圖7為本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備的調(diào)光方法的步驟流程圖。如圖7所示，本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備的調(diào)光方法，包括如下步驟：

步驟701，利用傳感器模塊采集光照信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。在本發(fā)明具體實(shí)施例中，傳感器模塊采集外界的自然光照信號(hào)或外界自然光照信號(hào)與光驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出的光信號(hào)的疊加信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)：

步驟702，對(duì)傳感器模塊采集的電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送至控制模塊，利用控制模塊對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生用于控制光驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在本發(fā)明較佳實(shí)施例中，控制模塊每隔相同時(shí)間段，會(huì)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)傳感器模塊10采樣的電信號(hào)進(jìn)行采樣，并將接收到的數(shù)字信號(hào)與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩者的差值產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)光驅(qū)動(dòng)模塊的pwm信號(hào)來(lái)控制光驅(qū)動(dòng)模塊中的各步進(jìn)電機(jī)以及補(bǔ)光燈源發(fā)出的光照強(qiáng)度。較佳地，于步驟702中，控制模塊可以將接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過(guò)無(wú)線通信模塊、路由器傳送至上位機(jī)，由上位機(jī)將接收到的數(shù)字信號(hào)與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，得到兩者的差值并通過(guò)路由器、無(wú)線通信模塊傳送至控制模塊，然后由控制模塊根據(jù)兩者的差值產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，例如將差值數(shù)據(jù)中的正值設(shè)為高電平，差值數(shù)據(jù)中的負(fù)值設(shè)為低電平，從而生成三路pwm信號(hào)至光驅(qū)動(dòng)模塊。

步驟703，在該控制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，利用光驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)各步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作以控制補(bǔ)光燈源的調(diào)節(jié)。在本發(fā)明具體實(shí)施例中，光驅(qū)動(dòng)模塊包括光源升降模塊、光源旋轉(zhuǎn)模塊以及光源調(diào)節(jié)模塊，控制模塊通過(guò)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)分別連接光源升降模塊、光源旋轉(zhuǎn)模塊以及光源調(diào)節(jié)模塊，其中，光源升降模塊通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制補(bǔ)光燈源的升降，光源旋轉(zhuǎn)模塊通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制補(bǔ)光燈源的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，光源調(diào)節(jié)模塊用于調(diào)節(jié)補(bǔ)光燈源的亮度。也就是說(shuō)，控制模塊產(chǎn)生的三路pwm信號(hào)分別控制光光源升降模塊中步進(jìn)電機(jī)以及光源旋轉(zhuǎn)模塊中步進(jìn)電機(jī)4022的啟動(dòng)和光源調(diào)光模塊中l(wèi)ed陣列的燈源發(fā)出的光照強(qiáng)度。

以下將配合圖4之具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明之調(diào)光方法。具體地，該調(diào)光方法包括如下步驟：

步驟一，當(dāng)電源模塊電路板1中有220v交流電源通過(guò)時(shí)，此時(shí)電壓和電流的電流方向一致，故pwm整流器102處于整流的工作狀態(tài)。通過(guò)pwm整流器102將220v交流電變?yōu)橹绷麟?，并給傳感器模塊2、控制通信一體板3中的控制模塊301以及無(wú)線通信模塊302、路由器5和上位機(jī)6提供電能；

步驟二，控制模塊301中的降壓及穩(wěn)壓電源電路3012將電源模塊電路板1最終輸出的直流電降壓為12v、5v和3.3v的直流電源，并通過(guò)降壓及穩(wěn)壓電源電路3012為微控制器3011和光驅(qū)動(dòng)一體板4提供電能；

步驟三，外界的自然光信號(hào)可以通過(guò)燈罩光敏傳感器陣列201轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，根據(jù)光照強(qiáng)度的不同，其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)也隨之改變，每隔相同時(shí)間段內(nèi)通過(guò)微控制器3011的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對(duì)燈罩光敏傳感器陣列201轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊302和路由器5傳送給上位機(jī)6；

步驟四，上位機(jī)6通過(guò)采樣值與預(yù)測(cè)值模塊601將微控制器3011采樣的數(shù)據(jù)和植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，最后將兩者的差值再次通過(guò)無(wú)線通信模塊302和路由器5傳送給微控制器3011，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)的前饋控制；

步驟五，微控制器3011根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)中的正值設(shè)為高電平，數(shù)據(jù)中的負(fù)值設(shè)為低電平，從而生成三路pwm信號(hào)來(lái)分別控制光源升降模塊401中步進(jìn)電機(jī)4012以及光源旋轉(zhuǎn)模塊402中步進(jìn)電機(jī)4022的啟動(dòng)和光源調(diào)光模塊403中l(wèi)ed陣列4032的燈源發(fā)出的光照強(qiáng)度；

步驟六，外界的自然光信號(hào)和led陣列4032中燈源發(fā)出的光信號(hào)疊加后產(chǎn)生最終的光信號(hào)通過(guò)地面光敏傳感器陣列202轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，在相同時(shí)間段內(nèi)通過(guò)微控制器3011的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對(duì)地面光敏傳感器陣列202轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊302和路由器5傳送給上位機(jī)6；

步驟七，上位機(jī)6通過(guò)采樣值與預(yù)測(cè)值模塊601將微控制器3011采樣的數(shù)據(jù)和植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行再次對(duì)比，最后將兩者的差值再次通過(guò)無(wú)線通信模塊302和路由器5傳送給微控制器3011，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)的反饋控制；

步驟八，微控制器3011根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)中的正值設(shè)為高電平，數(shù)據(jù)中的負(fù)值設(shè)為低電平從而生成三路pwm信號(hào)；

步驟九，產(chǎn)生的第一路pwm信號(hào)控制光源升降模塊401中步進(jìn)電機(jī)4012正反轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)與步進(jìn)電機(jī)緊密相連的兩個(gè)齒輪分別向順時(shí)針和逆時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制與齒輪7上鋸齒完全契合的鋸齒邊緣燈桿8升降的高度，產(chǎn)生的第二路pwm信號(hào)控制光源旋轉(zhuǎn)模塊402中步進(jìn)電機(jī)4022的旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)以燈桿8為軸帶動(dòng)與其連接的燈罩9及光源調(diào)光模塊403的旋轉(zhuǎn)功能，產(chǎn)生的第三路pwm信號(hào)進(jìn)一步控制光源調(diào)光模塊403中l(wèi)ed陣列4032的光照強(qiáng)度；

步驟十，當(dāng)電源模塊電路板1中的電流和電壓方向相反時(shí)，pwm整流器102處于逆變工作狀態(tài)，此時(shí)pwm整流器102可以將系統(tǒng)中未使用的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姺祷仉娋W(wǎng)以實(shí)現(xiàn)電能的循環(huán)利用。

可見(jiàn)，本發(fā)明一種基于復(fù)合控制的農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光設(shè)備及其調(diào)光方法通過(guò)利用傳感器模塊采集外界自然光的光照信號(hào)，并將采集的光照信息與植物正常生長(zhǎng)所需要的光照強(qiáng)度理論值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)光驅(qū)動(dòng)模塊控制補(bǔ)光燈源的動(dòng)作，通過(guò)補(bǔ)光燈源的光信號(hào)被傳感器模塊采集進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行前饋和反饋復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn)了燈源自動(dòng)調(diào)光、智能移動(dòng)以及信息遠(yuǎn)程監(jiān)控等目的，同時(shí)，本發(fā)明采用led燈陣列作為補(bǔ)光的主要光源，其具有光照可調(diào)、壽命長(zhǎng)、成本低、耗能低以及波長(zhǎng)固定等特點(diǎn)，有效地節(jié)約了成本的同時(shí)也減少了能源的損耗。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明在電源模塊電路板采用了pwm整流器，其既可以通過(guò)橋式二極管將電網(wǎng)中的交流電經(jīng)整流變?yōu)橹绷麟?，供給中間儲(chǔ)能回路或負(fù)載，與此同時(shí)，也可將直流也可經(jīng)igbt將直流電逆變?yōu)榻涣麟姺答伣o電網(wǎng)。其可以實(shí)現(xiàn)能量的可逆變換或傳遞，有效地實(shí)現(xiàn)了能量的合理轉(zhuǎn)換及利用。

2、本發(fā)明采用led燈作為補(bǔ)光燈源，其不僅具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、成本低的特點(diǎn)，還具備光電轉(zhuǎn)換效率高、波段窄、光強(qiáng)可調(diào)等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了此類燈源在節(jié)能并降低成本的同時(shí)，也可以提高整個(gè)智能補(bǔ)光系統(tǒng)的補(bǔ)光效率。

3、本發(fā)明通過(guò)在燈源光強(qiáng)隨外界環(huán)境變化的同時(shí)，也能改變燈源本身距離植物的相對(duì)高度，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)燈源光強(qiáng)的調(diào)整。這樣植物可以在適宜光照強(qiáng)度下生長(zhǎng)，不僅能減少電能的無(wú)用損耗，也促進(jìn)植物的高效生長(zhǎng)。

4、本發(fā)明在外界環(huán)境光照變化時(shí)，不僅能對(duì)燈源發(fā)出的光照強(qiáng)度進(jìn)行改變，而且也能使得燈源本身隨著外界環(huán)境的變化進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，燈源的旋轉(zhuǎn)增加了其光照面積，可以有效地節(jié)省燈源個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本以及降低能耗等目標(biāo)。

5、本發(fā)明將光敏傳感器陣列分為置于燈罩和地面兩部分，通過(guò)燈罩上的光敏傳感器陣列對(duì)自然光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)采樣并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)的前饋控制，通過(guò)地面上的光敏傳感器陣列對(duì)自然光強(qiáng)和燈源光強(qiáng)疊加得到的光信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的反饋控制；利用前饋控制和反饋控制同時(shí)使用的復(fù)合控制的控制方法對(duì)燈源的旋轉(zhuǎn)速度、升降高度以及光照強(qiáng)度進(jìn)行控制，可以使得整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)隨著外界環(huán)境的變化進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的調(diào)整。這種靈敏而準(zhǔn)確的調(diào)整使得這個(gè)系統(tǒng)更加智能化，同時(shí)也能減少一些不必要的能量流失。

6、本發(fā)明利用燈桿將燈源升降模塊和旋轉(zhuǎn)模塊的連接方式實(shí)現(xiàn)燈源旋轉(zhuǎn)和升降系統(tǒng)一體化，并通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)燈源的升降高度和旋轉(zhuǎn)速度隨外界變化而做出相應(yīng)調(diào)整，這樣使得燈源體積變得小巧精致，便于定期檢查和維修的同時(shí)，也降低了整個(gè)系統(tǒng)布線難度。

7、本發(fā)明采用無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，可以隨時(shí)將下位機(jī)采樣的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，方便數(shù)據(jù)的采集和處理，并且上位機(jī)也可以通過(guò)無(wú)線通信的方式將處理后的數(shù)據(jù)反饋給下位機(jī)。這種雙向傳輸數(shù)據(jù)的方式提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，增?qiáng)了數(shù)據(jù)的處理能力，同時(shí)也提高了整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)調(diào)光的精確度。

8本發(fā)明在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)采用了橋式可逆電路，通過(guò)微處理器產(chǎn)生的pwm波實(shí)現(xiàn)電路中開(kāi)關(guān)管的通斷，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾與改變。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。