摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和硅光電池的寬量程、高精度數(shù)字式光照度計(jì)，并詳細(xì)介紹了這種光照度計(jì)的工作原理、軟硬件設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)擬合的過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該光照度計(jì)量程寬、精度高，完全能夠滿足農(nóng)作物生長環(huán)境檢測(cè)的應(yīng)用要求。
關(guān)鍵詞：光照度計(jì)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；硅光電池
光照度，即通常所說的勒克司度(Lox)，表示被攝主體表面單位面積上受到的光通量。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，光照度是影響農(nóng)作物生長的重要參數(shù)之一，因此，現(xiàn)在光照度的檢測(cè)越來越受到農(nóng)業(yè)科技工作者的重視。農(nóng)作物在生長過程中主要吸收利用的是可見光，其光照度范圍很廣，黑夜最低時(shí)只有幾十lux，而白天最高時(shí)可達(dá)幾十萬lux。目前市場(chǎng)上成品數(shù)字光照度計(jì)大多量程范圍有限，不適合這樣大范圍光照度的測(cè)量。因此本文提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和硅光電池的光照度計(jì)的設(shè)計(jì)[1]。
1 硅光電池的光電轉(zhuǎn)換原理
光電池是一種自發(fā)式光電轉(zhuǎn)換元件，它不需要外加電源直接把光能轉(zhuǎn)換為電能。光電池的種類很多，常見的有硒、鍺、硅、砷化鎵、氧化銅等，其中硅光電池因具有性能穩(wěn)定、光譜響應(yīng)范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、線性響應(yīng)好、使用壽命長、耐高溫輻射、光譜靈敏度和人眼靈敏度相近等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。
硅光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。硅光電池其實(shí)就是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積PN結(jié)。當(dāng)光照射到P區(qū)表面時(shí)，如果光子能量大于硅的禁帶寬度，則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)“電子-空穴”對(duì)。P區(qū)表面吸收的光子越多，激發(fā)的“電子-空穴”對(duì)越多，而流向內(nèi)部的光子越少，這種濃度差便形成從表面向內(nèi)部擴(kuò)散的自然趨勢(shì)。由于PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)，所以擴(kuò)散到PN結(jié)附近的“電子-空穴”對(duì)會(huì)分離。光生電子被推向N區(qū)，光生空穴被留在P區(qū)，從而使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。如果用導(dǎo)線將P區(qū)和N區(qū)連接在一起，電路中就會(huì)有光電流通過[2-3]。
2 光照度計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)
本文所描述的光照度計(jì)在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)充分考慮到其高精度、寬量程和實(shí)用性，設(shè)計(jì)硬件電路由7大模塊組成，分別為核心處理器模塊、前向數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵控制模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊和電源模塊。其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[4]。其中，前向數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)是重中之重，它關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)光照度計(jì)高精度和寬量程的實(shí)用效果，因此對(duì)該模塊加以重點(diǎn)介紹，其他模塊均屬常規(guī)硬件電路，在這里不予說明。
在設(shè)計(jì)前向數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)需要注意3個(gè)問題：
(1)光譜靈敏度
嚴(yán)格地講，光照度計(jì)被直接用于農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)是不合適的，這是因?yàn)橹参锕夂献饔脧?qiáng)度的光譜曲線與人眼視見函數(shù)曲線并不相同。為獲得正確的測(cè)量結(jié)果，必須修正硅光電池的光譜靈敏度，使之盡可能精確地逼近國際照明委員會(huì)（CIE）給出的標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺靈敏度函數(shù)V(λ)（在通常的照度范圍內(nèi)使用明視覺函數(shù)，測(cè)量微弱光照度時(shí)應(yīng)使用暗視覺函數(shù)）。這可通過在硅光電池前端按加法(并列)或減法(串接)安裝選擇性濾光器來實(shí)現(xiàn)。但要注意所使用的濾光器必須能把可見光波長以外的光譜響應(yīng)濾除干凈，而且不允許有次峰的存在，特別是在近紅外區(qū)域，硅光電池在這個(gè)區(qū)域有最高的靈敏度，次峰的存在可能導(dǎo)致顯著的誤差產(chǎn)生。對(duì)于那些未經(jīng)任何修正直接采用硅光電池作為光接收元件的簡易照度計(jì)，則只能用于那些類型與色溫已知且已經(jīng)預(yù)先校準(zhǔn)并給出了修正系數(shù)的光源的光照度測(cè)量，否則可能產(chǎn)生相當(dāng)大的測(cè)量誤差[5]。
(2)余弦響應(yīng)的角特性
根據(jù)光照度定律，任一被照平面的光照度和入射光線與該被照平面法線方向夾角的余弦成正比。因此，為了正確地測(cè)量光照度，要求光照度計(jì)應(yīng)該具有余弦響應(yīng)的角特性。許多研究結(jié)果表明，在光電器件的光敏表面前加裝漫散射器件(如乳白玻璃)，可以獲得期望的這種特性，它將減少光電池在斜射光照時(shí)由于探頭盒壁陰影效應(yīng)以及表面光反射損失的增加而造成的角響應(yīng)降低[6-7]。
(3)信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大
經(jīng)靈敏度函數(shù)V(λ)和余弦校正器修正過的硅光電池由于受到濾光器的切割以及乳白玻璃的漫射作用，信號(hào)已經(jīng)有了很大程度的衰減，其有效光電流輸出即便在使用了較大面積的光電池后仍然很低。此外，ADμC7026的ADC通道要求的輸入信號(hào)為電壓信號(hào)，并且由于線性退化的原因要求電壓信號(hào)必須在線性區(qū)域內(nèi)才能保證精度。因此，需先將硅光電池轉(zhuǎn)換的有效電流信號(hào)經(jīng)過一個(gè)串聯(lián)電阻變?yōu)殡妷盒盘?hào)并適當(dāng)放大后才可使用。
基于以上3點(diǎn)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)首先在硅光電池的前端安裝濾光器和余弦校正器。濾光器采用有色光學(xué)玻璃材料制作，并且將2種或2種以上的濾光器用串聯(lián)的方法加以適當(dāng)?shù)亟M合使濾光效果更好[8]。余弦校正器采用環(huán)球型乳白玻璃，其穩(wěn)定性好、表面硬度高而耐磨，適用于在惡劣環(huán)境條件下工作的儀器及標(biāo)準(zhǔn)儀器。在硅光電池后串聯(lián)1個(gè)可調(diào)電阻，并且安裝一級(jí)運(yùn)放電路，最后再經(jīng)過一階有源低通濾波電路濾去信號(hào)中的高頻噪聲，便可將最終的電壓信號(hào)輸入到ADμC7026的ADC通道。該模塊的電路連接圖如圖2所示。
在該硬件電路中，前級(jí)運(yùn)放采用雙電源供電，這是因?yàn)殡p電源供電時(shí)輸入信號(hào)可以是在正負(fù)電源之間的雙極性信號(hào)，動(dòng)態(tài)范圍大、穩(wěn)定且精度高。后面的濾波電路中也有一級(jí)運(yùn)放，但它只起到1:1的電壓跟隨作用。
3 光照度計(jì)軟件設(shè)計(jì)
該光照度計(jì)有手動(dòng)和自動(dòng)2種功能可供選擇。當(dāng)選擇手動(dòng)功能時(shí)，光照度計(jì)顯示一次當(dāng)前地區(qū)的光照度值；當(dāng)選擇自動(dòng)功能時(shí)，該光照度計(jì)會(huì)每隔30 s顯示一次當(dāng)前地區(qū)的光照度值，使用定時(shí)器Timer1來實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)。在計(jì)數(shù)器遞減為0后先掃描鍵盤，判斷是否有鍵按下。如果沒有，直接將光照度值顯示在液晶上；如果有，根據(jù)不同的鍵值執(zhí)行相應(yīng)的功能。整個(gè)軟件流程如圖3所示。
4 數(shù)據(jù)擬合
通過ADμC7026的ADC通道采集到的數(shù)據(jù)只是光電池轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，要想把這些毫無意義的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成光照度值，就需要找出同一時(shí)刻、同一地點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)光照度計(jì)所檢測(cè)的光照度值與AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[9]。這就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的數(shù)據(jù)擬合方法如線性擬合、多項(xiàng)式擬合等都存在適用范圍小的缺陷，因此采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法即誤差反向傳播算法，是一種基于梯度下降原理的學(xué)習(xí)算法，在輸入第p組學(xué)習(xí)樣本Fp時(shí)，已知其對(duì)應(yīng)的輸出Dp={d1p,d2p,…,dlp}，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的目的就是根據(jù)實(shí)際輸出Yp={y1p,y2p,…,ylp}與期望輸出Dp的誤差，修改連接權(quán)值和閾值，使Yp與Dp盡可能地接近[10]。其權(quán)值調(diào)整公式為：
本文所設(shè)計(jì)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱層和輸出層3層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。輸入層為有效硅光電池電壓的AD采樣數(shù)值，則輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)即為有效波點(diǎn)數(shù)n，輸入層節(jié)點(diǎn)i的輸出為xi(i=1,2，…，n) 。隱層和輸出層神經(jīng)元的作用函數(shù)采用S函數(shù)f(x)=1/(1+e-x)，則隱層輸入、輸出分別為：
以上所設(shè)計(jì)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在用于硅光電池照度檢測(cè)建模中的應(yīng)用步驟如下：
(1)對(duì)硅光電池電壓的AD采樣數(shù)值做歸一化處理；
(2)利用工具包對(duì)歸一化后的電壓的AD采樣數(shù)值做主成分分析（PCA），找出比較相關(guān)的幾個(gè)有效波點(diǎn)；
(3)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確定網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、中間層節(jié)點(diǎn)數(shù)和各傳遞函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的輸入為有效波點(diǎn)的電壓值，輸出對(duì)應(yīng)照度值；
(4)提取訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集，用訓(xùn)練樣本集對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，調(diào)整各層之間連接權(quán)值和節(jié)點(diǎn)閾值，使實(shí)際輸出誤差與期望輸出誤差相比，在允許范圍之內(nèi)；
(5)用測(cè)試樣本集測(cè)試訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
5 比較分析
將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合后得到的光照度值與標(biāo)準(zhǔn)光照度計(jì)測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行比較，如圖5所示。
從圖5可以看出，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合后得到的光照度值與標(biāo)準(zhǔn)光照度計(jì)測(cè)量的數(shù)值幾乎相同，誤差很小，而且光照度的范圍很寬。這些都充分證明了上述擬合方法的正確性和實(shí)用性。
與目前市場(chǎng)上的數(shù)字式光照度計(jì)相比，本文所設(shè)計(jì)的光照度計(jì)具有量程范圍大、檢測(cè)精度高、簡單易用等優(yōu)點(diǎn)。使用者不但可以把檢測(cè)到的光照度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在手持儀器中，而且可以上傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行保存。非常適合于農(nóng)業(yè)溫室大棚、農(nóng)作物實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)合。隨著國家對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重視程度的不斷提高，這種光照度計(jì)的市場(chǎng)前景將非常廣闊。
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