基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统

基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统

 杨宇辉 原宇豪 刘子赫 庄昌忠 孟小莹 刘宇恒 陈美锐

塔里木大学  843300

摘要：文章根据当前在大棚种植西红柿中大部分农户主要靠自然光进行种植或普通LED灯补光，在补光效果上有一定的局限性无法使西红柿光合作用最大化，导致投入高，效益较低，设计了基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统。该机主要由太阳能自动追踪充电系统、光质分析仪、集线管、中心控制电源、中心控制器以及COB补光灯板等组成。解决在同一输入资源下传统LED对植物光合促进效率低下等问题，提高光效，同时改善LED灯的眩光。

关键词：西红柿大棚；COB光源；补光；智能

Intelligent light supplement system for tomato greenhouse based on COB light source

TarimUniversity  Yang Yuhui  Yuan Yuhao  Liu Zihe  Zhuang Changzhong  Meng Xiaoying LiuYuheng  Chen Meirui  843300

Abstract: According to the current situation that most farmers in the greenhouse cultivation of tomatoes mainly rely on natural light for planting or ordinary LED lights for supplementary lighting, there are certain limitations in the supplementary lighting effect, which cannot maximize the photosynthesis of tomatoes, resulting in high investment and low efficiency. Therefore, this article designs a Intelligent light supplement system for tomato greenhouse based on COB light source.The machine is mainly composed of a solar automatic tracking charging system, a light quality analyzer, a hub tube, a central control power supply, a central controller, and a COB fill light panel. It solves the problem of traditional LEDs having low photosynthetic promotion efficiency under the same input resources, improves light efficiency, and simultaneously improves the glare of LED lights.

Keywords: Tomato greenhouse; COB light source; supplementary lighting; Intelligence

0引言

西红柿中烟酸含量堪称果蔬之冠，维生素含量竞比莴笋高达15倍，硫胺素含量的3倍。近代医学研究表明，西红柿所含谷胱甘肽能抗衰老，并保护机体免受致癌物的伤害，从而起到防癌的效果。基于西红柿的这些优点，它也逐渐成为人们生活中的不可分割的一部分。

1基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统总体方案设计

1.1整机结构设计

基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统如图1所示。

该机构主要由：太阳能自动追踪充电系统、光质分析仪、集线管、中心控制电源、中心控制器以及COB补光灯板等组成。中心控制器利用导线前连光质分析仪集中收集数据，数据收集后交由中心控制器集中处理再传递信号控制电压给COB补光灯板从而实时控制灯板的光强。中心控制器下固定的中心控制电源与太阳能自动追踪充电系统相连，使其长期处于工作状态。

1.2工作原理

光质分析仪可测量棚内的光强度、光频等数据。光质分析仪将测得的棚内红蓝光光强度数据传输给树莓派微型电脑进行处理。树莓派微型电脑使用内置的代码进行数据处理，并根据设定的阈值和不同生长阶段来确定最适合植物生长的红蓝光光强度，发送信号以控制COB补光灯底板的输入电流，从而改变红蓝光的光强度，以实现对植物的最适补光效果。

通过这种方式，系统能够实时监测棚内的光照条件，并根据植物的需求进行自动调节和管理。光质分析仪、树莓派微型电脑和COB补光灯底板共同协作，以实现对红蓝光光强度的精确控制，从而为植物提供最适宜的补光效果。

图1基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统结构示意图

图中：1、太阳能自动追踪充电系统；2、光质分析仪；3、集线管；4、中心控制电源；5、中心控制器；6、COB补光灯板；

2主要设计

2.1太阳能自动追踪充电系统设计

太阳能自动追踪充电系统包括太阳能板固定器、蓄电池、20W功率太阳能板、51单片机、俯仰轴与旋转轴、外设与指示灯，其具备自动追踪太阳光功能，追踪角度为上下，左右四个方向，其结构如图2所示。

太阳能板固定器为硬性板状结构，其下端固定于仰俯轴随轴进行仰俯方向进行运动，其上方的上下端口带有卡板，卡板能将20W功率太阳能板卡住，从而紧紧固定于主机构上；仰俯轴下方隔板连接旋转轴，以此使太阳能板固定器存在自由在四个方向运动的条件。

2.2 COB补光灯板的设计

COB补光灯板包括红蓝光COB灯珠，该灯珠内部包含COB封装灯芯和顶层毛玻璃，其结构如图3所示。COB封装灯芯针对西红柿的光照需求，设计有红光和蓝光的灯芯。灯芯的上部焊接有顶层毛玻璃，使灯芯的发光更加发散和均匀。

红蓝光COB灯珠是系统中用于提供光照的关键组件，其结构如图4所示。该灯珠内部包含COB封装灯芯，而COB封装灯芯则特别设计了红光和蓝光的灯芯，以满足西红柿植物在不同生长阶段对红光和蓝光的需求。此外，灯芯的顶部焊接有顶层毛玻璃，这样可以使灯芯发出的光更加散射和均匀，以提供更加均匀的光照效果。

通过这种设计，红蓝光COB灯珠能够提供包含红光和蓝光的光源，以满足西红柿植物不同生长阶段的光照需求。COB封装灯芯的设计使得光线发散更均匀，而顶层毛玻璃的加入进一步增强了光的均匀性和散射效果。这样，系统能够为西红柿植物提供更加均匀、高质量的光照，以促进其生长和发育。

2.3 中心控制器的设计

中心控制器是由树莓派微型电脑和连接在其上端的电路板组成的，其结构如图5所示。树莓派微型电脑使用通电电压，因此需要通过连接在其下端的中心控制电源进行供电。由于树莓派微型电脑对过高的通电电压非常敏感，因此为了保护其免受损坏，中心控制电源需要通过上接电路板的方式将电能存储到小电池中，并从小电池中提供供电给树莓派微型电脑。

中心控制电源的主要目的是为树莓派微型电脑提供稳定的电能，以确保其始终处于工作状态。树莓派微型电脑是该系统的核心，它内部嵌入了特定的代码，负责接收并处理光质分析仪所测得的光的强度、光谱等参数以及控制和调节COB光源的运行。因此，为了系统正常运行，中心控制电源必须持续为树莓派微型电脑供电，并保持电能的稳定性。

树莓派微型电脑还具备能够设置阈值的功能。阈值是根据种植西红柿的要求和生长环境来设定的，用于判断光质是否满足要求。树莓派微型电脑会将检测到的光质数据与预设的阈值进行比较。如果光质数据超过或低于阈值，树莓派微型电脑会通过发送PWM信号来控制COB补光灯板的光强比例。

图2太阳能自动追踪充电系统结构示意图         图3 COB补光灯板结构示意图 

图4 灯珠结构示意图                图5中心控制器结构示意图

图中：11、太阳能板固定器；12、蓄电池；13、20W功率太阳能板；14、51单片机；15、俯仰轴；16、旋转轴；17、外设与指示灯；51、树莓派微型电脑；52、上接电路板；61、红蓝光COB灯珠；62、底板；63、补光灯外部架构；611、COB封装灯芯；612、顶层毛玻璃。

4结论

该补光系统结构简单，能以最简洁有效的方式，根据西红柿所需的最佳光质进行调节大棚室内光质比。采用太阳能电池板将太阳能转化为电能，为光质分析仪提供能源。可适用于当今种植西红柿的农业大棚中，不但适配性强而且工作效率高。作者简介：杨宇辉（2003-12），男，汉族，山东济宁市汶上县人，本科在读，塔里木大学。研究方向：基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统。基金项目：大学生创新创业训练计划项目 项目编号：202310757025。邮编：843300

原宇豪（2004-09），男，汉族，山西长治人，本科在读，塔里木大学。研究方向：基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统。基金项目：大学生创新创业训练计划项目 项目编号：202310757025。邮编：843300

刘子赫（2005-1-10），男，汉族，山东聊城市荏平人，本科在读，塔里木大学。研究方向：基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统。基金项目：大学生创新创业训练计划项目 项目编号：202310757025。邮编：843300

庄昌忠（2001-09），男，汉族，甘肃武威市人，本科在读，塔里木大学。研究方向：基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统。基金项目：大学生创新创业训练计划项目 项目编号：202310757025。邮编：843300

孟小莹，（2002-09），男，汉族，山西朔州人，本科在读，塔里木大学。研究方向：基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统。基金项目：大学生创新创业训练计划项目 项目编号：202310757025。邮编：843300

刘宇恒（2004-07），男，汉族，好、安徽界首市人，本科在读，塔里木大学。研究方向：基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统。基金项目：大学生创新创业训练计划项目 项目编号：202310757025。邮编：843300

陈美锐（2004-6-14），女，汉族，新疆维吾尔自治区喀什地区莎车县人，本科在读，塔里木大学。研究方向：基于COB光源的西红柿大棚智能补光系统。基金项目：大学生创新创业训练计划项目 项目编号：202310757025。邮编：843300