在園藝方面,物聯網(IoT)可以通過傳感器和專業園藝LED的組合在監測和確保植物健康方面發揮關鍵作用。但是,使用所需的外圍設備,傳感器,LED和連接選項來調整和實施正確的物聯網計算平臺可能非常耗時,并且預算和時間表都處于風險之中。
為了降低這種風險,賽普拉斯半導體,SparkFun Electronics和Wurth Electronics等板卡和器件解決方案可用于大大簡化設計流程,同時可以快速開發復雜的溫室控制系統。
本文將在介紹和描述這些解決方案之前探討LED與植物健康之間的關系,以及如何將它們結合使用。
LED和植物健康
植物健康取決于廣泛的范圍外部因素包括光照,溫度,土壤含水量和pH值。它們總體上響應這些因素的各種組合,以及每個因素的具體特征。例如,植物依賴于在400納米(nm)和700nm之間的光合有效輻射(PAR)區域內接收的光。然而,它們在該區域所需的照明決不是均勻的。相反,植物需要對應于光合作用中涉及的多種光色素的吸收光譜的特定波長的光。
例如,葉綠素A在約435nm和675nm處具有吸收峰(圖1)。
圖1:植物生長取決于在與整個光合有效輻射的不同部分有活性的各種光色素的吸收光譜相對應的波長處的充分照射( PAR)地區。 (圖片來源:Wurth Electronics)
其他光色素,包括葉綠素B,β-胡蘿卜素和其他光致變色,也在光合作用中起著至關重要的作用。因此,植物的最佳照明需要能夠在PAR區域的多個波長下傳遞光照。
與任何生物體一樣,影響植物健康的因素不僅限于一組簡單的植物。波長或靜態照度。植物需要不同水平的光強度,不同的光/暗循環,甚至不同的波長組合,所有這些都在生長周期的每個階段。同樣,溫度和土壤含水量會導致根長變化。
每個因子的這種特征的最佳組合可以在不同物種之間變化,或甚至在單個物種內的不同生長階段之間變化。例如,許多開花植物需要的日長度小于約12小時。與這些“短日照”植物相比,“長日”植物如甜菜和土豆僅在暴露于超過12小時光照后開花。
溫室環境使農民和后院園丁能夠控制大部分植物因素。然而,缺乏具有成本效益的系統平臺,外圍設備甚至合適的光源仍然是溫室控制系統發展的障礙。構建能夠監控和管理這些因素的系統需要復雜的系統,類似于復雜的工業可編程邏輯控制器。
現成的板和專業園藝LED的可用性提供了一種更簡單的替代方案。開發人員可以通過組合基于賽普拉斯半導體PSoC微控制器的板,Wurth Electronics的專用園藝LED以及SparkFun Electronics的附加板輕松創建復雜的溫室自動化系統。后者與這些系統所需的大量傳感器和執行器相關聯。
高性能平臺
賽普拉斯PSoC系列微控制器專為嵌入式應用而設計,集成了Arm ? Cortex ? -M0或Cortex-M3內核,以及稱為通用數字模塊(UDB)的全套可編程模擬和可編程數字模塊。使用賽普拉斯外設驅動程序庫(PDL),設計人員可以使用UDB實現各種功能,包括標準串行接口和波形發生器。類似地,稱為智能I/O的可編程I/O模塊支持對來自GPIO引腳的信號進行邏輯操作,即使內核處于省電,深度睡眠模式也是如此。
最新的PSoC器件PSoC 6通過雙核器件擴展了該系列,該器件將Cortex-M4內核的處理性能與Cortex-M0 +內核的低功耗性能相結合。除了1兆字節(Mbyte)的閃存,288千字節(Kbytes)的SRAM和PSoC 62器件中的128 KB ROM之外,PSoC 63器件還增加了其他功能,例如藍牙5.0。
PSoC 63器件集成了完整的藍牙5.0子系統,包括硬件物理和鏈路層,以及具有應用程序編程接口(API)訪問通用屬性配置文件(GATT)和通用訪問配置文件(GAP)服務的協議棧。藍牙協議的核心。在每個系列中,CY8C6347FMI-BLD53等器件都包含專用的硬件加密加速器。
憑借其廣泛的功能,PSoC 6微控制器能夠支持新興復雜嵌入式應用的性能要求。同時,它們的功率效率使它們能夠支持這些應用中通常存在的緊湊功率預算。憑借其用戶可選的0.9或1.1伏核心工作電壓,PSoC 6微控制器所需的功耗最小,Cortex-M4內核每兆赫茲(MHz)消耗22微安(μA),Cortex M0 +內核消耗15μA/MHz。
為了簡化基于這些器件的應用開發,賽普拉斯為PSoC 63和PSoC 62器件提供了Pioneer套件系列的版本。 PSoC 6 BLE Pioneer套件基于PSoC 63,包括512 Mbit NOR閃存,賽普拉斯的KitProg2板載編程器/調試器,USB Type-C?電源傳輸系統以及多種用戶界面功能。 PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer套件將PSoC 62微控制器與Murata Electronics LBEE5KL1DX模塊相結合,該模塊基于賽普拉斯CYW4343W Wi-Fi/藍牙組合芯片。
硬件擴展
通過與SparkFun Electronics和Digi-Key Electronics合作開發的附加板,使用賽普拉斯先鋒板開發過程控制應用變得更加容易。 PSoC Pioneer IoT附加屏蔽是Arduino R3兼容屏蔽,帶有Qwiic和XBee兼容連接器(圖2)。插入PSoC Pioneer板,附加屏蔽使開發人員可以使用傳感器等設備輕松擴展電路板組,以監控溫室中的空氣和土壤質量。
圖2:PSoC Pioneer物聯網附加屏蔽(紅板)擴展了賽普拉斯先鋒板的功能,例如PSoC 6 BLE Pioneer套件(藍色)它有多種連接器選項,可用于添加現成的Qwiic和XBee兼容板。 (圖片來源:SparkFun Electronics)
為了監測溫室環境條件,一個Qwiic兼容板,如SparkFun SEN-14348環境組合分線板,使用板載Bosch Sensortec BME280和ams CCS811傳感器為多個環境變量(參見“將補償的空氣質量傳感器添加到物聯網”)。
博世BME280結合了數字傳感器,能夠提供溫度,壓力和濕度的準確讀數,同時消耗少量更新速率為1 Hz時為3.6μA。 ams CCS811提供等效的CO2和總揮發性有機化合物(VOC)測量。
CCS811等氣體傳感器需要加熱內部加熱板進行氣體測量,導致功耗相應上升,達到26毫瓦(mW)在工作模式1下從1.8伏電源供電。此模式提供最快的1 Hz更新速率。開發人員可以選擇其他更新速率,例如模式3,每分鐘執行一次測量,并將功耗降低到1.2 mW。
開發人員只需使用Qwiic電纜將Combo板連接到附加屏蔽根據SparkFun github repo中提供的樣品軟件對Combo板的Bosch BME280和ams CCS811B傳感器進行編程。
土壤質量
除溫室環境條件外,適當的土壤pH值和含水量對植物健康至關重要。大多數植物需要中性或微酸性的土壤pH值,但最佳pH范圍可能會有很大差異。例如,馬鈴薯在pH值約為5.5的酸性土壤中生長最好,而這個水平會損害像菠菜這樣偏愛微堿性土壤的植物。
同時,pH值水平變化很小,甚至在最佳范圍可直接影響維持生長所需的營養素的可用性(圖3)。
圖3:pH值的微小變化直接影響植物生理,也間接影響土壤養分有效性。 (圖片來源:Wikimedia Commons)
使用SparkFun Electronics SEN-10972 pH傳感器套件,開發人員可以輕松地將pH傳感添加到溫室系統中。該套件配有pH探頭,接口板和用于校準的緩沖溶液。為了與PSoC微控制器通信,開發人員可以使用pH板的默認UART輸出。
或者,pH傳感器板可用于I 2 C模式并通過SparkFun DEV-14495 I 2 C Qwiic適配器。 SparkFun Qwiic適配器從Qwiic連接器中分離出I 2 C引腳,并提供焊點,使開發人員可以輕松地將現有的I 2 C器件與Qwiic連接器系統配合使用。/p>
測量土壤含水量同樣容易。 SparkFun SEN-13322土壤濕度傳感器提供兩個裸露焊盤,設計用于直接放置在土壤中,用作提供的電壓源和地之間的可變電阻。較高的水分含量會增加焊盤之間的導電性,從而導致較低的電阻和較高的電壓輸出。
對于此傳感器,PSoC微控制器的集成數模轉換器(DAC)可用作電壓源,其逐次逼近寄存器(SAR)模數轉換器(ADC)可用于數字化與土壤濕度水平相對應的電壓。此外,微控制器的內部運算放大器可用于緩沖DAC輸出和ADC輸入。
開發人員可以使用相同的方法進一步擴展其土壤管理功能。例如,PSoC 6微控制器支持DAC輸出和ADC輸入上的多個通道,因此可以添加多個pH傳感器。此外,某些應用可能需要更高分辨率的測量,這需要超出微控制器3.6伏(最大值)VDDA模擬電源電壓的電壓范圍。在這些情況下,解決方案在于添加外部緩沖運算放大器和電壓調節器。
除了測量土壤含水量外,雄心勃勃的開發人員還可以使用相同的方法通過使用PSoC的GPIO和脈沖來實現水灌溉的自動化寬度調制(PWM)功能,用于控制帶有DFRobot DRI0044-A驅動板的DFRobot FIT0563水泵。
對于其他組件,例如這些或其他組件,請使用SparkFun DEV-14352 Qwiic適配器。這提供了Qwiic連接器和一個大型原型區域(圖4)。
圖4:使用SparkFun Qwiic適配器,開發人員可以通過Qwiic連接輕松添加定制電路和Pioneer附加屏蔽,或者使用提供的標頭將適配器與Pioneer板上的附加屏蔽堆疊起來。 (圖像來源:SparkFun)
由于Qwiic適配器符合Arduino R3屏蔽布局,開發人員可以使用Qwiic適配器套件附帶的接頭在Pioneer套件板和SparkFun IoT之間堆疊自己的電路先鋒附加屏蔽。
帶LED的園藝照明
如前所述,植物健康取決于特定波長的光照。盡管LED照明的進步已經為工業照明,車輛前燈等提供了解決方案,但傳統LED缺乏光合作用所需的光譜特性。 Wurth Electronics WL-SMDC系列單色陶瓷LED滿足了從深藍色到超紅色波長范圍內照明的需求(圖5)。
圖5:Wurth Electronics WL-SMDC系列單色陶瓷LED的個別成員提供植物生長和發育所需的特定波長的照明。 (圖片來源:Wurth Electronics)
SL-SMDC系列結合使用,可提供促進植物生長多個方面所需的波長:
150353DS74500深藍色LED (450 nm峰值波長)和150353BS74500藍色LED(460 nm顯性)提供與葉綠素濃度,側芽生長和葉片厚度調節相關的波長范圍內的照明。
150353GS74500綠色LED(520 nm峰值)和150353YS74500黃色LED(590 nm占優勢)提供一系列波長的照明,曾被認為是不重要的,但現在已知在植物的陰影避免響應中發揮作用。
150353RS74500紅色LED(625 nm)優勢)和150353HS74500超紅(660 nm峰)在光合作用中最大程度地提供照射,但也參與不同的植物階段,包括開花,休眠和種子萌發。
150353FS74500遠紅(730 nm峰)提供與植物發芽,開花時間,莖長和避蔭相關的波長照射。
最后,158353040日光白光不僅增加了藍色波長覆蓋范圍,還有助于整體植物生長所需的整體日光積分(DLI)水平。
開發人員可以找到許多LED驅動器,例如Wurth MagI 3 C 171032401或Allegro MicroSystems ALT80800來驅動LED串。這些器件中的許多器件都支持使用PWM和/或模擬電壓進行調光調節,從而將LED驅動器的實現僅減少到幾個額外的元件(圖6)。
圖6:高級LED驅動器(如Allegro MicroSystems ALT80800)僅需少量額外組件即可驅動LED串,調光由PWM或模擬控制輸入。 (圖片來源:Allegro MicroSystems)
然而,在設計調光功能時,開發人員應該警惕瞬時照明水平的快速變化。在高PWM率下,人類瞳孔可能僅響應平均光強度,允許有害強度水平的光脈沖到達視網膜。使用恒流LED驅動器(例如Allegro ALT80800)有助于緩解這種影響。
軟件設計
組合使用,PSoC Pioneer板,附加屏蔽和前面提到的其他電路板,使開發人員能夠在很大程度上通過將硬件板插在一起來物理構建溫室控制系統。用于管理傳感器或驅動LED的軟件的開發幾乎與賽普拉斯外設驅動程序庫(PDL)中的組件可用性一樣簡單。
PDL組件抽象了PSoC功能的功能,如可編程模擬,UDB,和智能I/O外圍設備。開發人員可以快速實現一種軟件功能,當傳感器輸出達到特定級別時,該功能會使微控制器喚醒。例如,當土壤濕度傳感器的輸出電壓表明土壤較干燥時,使用賽普拉斯PSoC Creator,開發人員可以配置PSoC微控制器的集成低功耗比較器之一,以便在特定模擬引腳上的電平低于時產生中斷(或賽普拉斯使用示例代碼演示了此功能,該示例代碼說明了使用低功耗比較器(LPComp)模塊的基本設計模式(清單1)。這里,當中斷將處理器從休眠模式喚醒時,代碼會檢查LPComp值。如果比較結果每500毫秒高,此示例代碼使用GPIO切換LED。當結果最終變低時,代碼將處理器狀態返回到休眠模式。
對于溫室控制系統,可以使用相同的設計模式來打開水泵以響應低土壤濕度,打開風扇以響應高環境溫度,如果pH值超出預期范圍,請提醒溫室所有者,或者通過將溫室環境恢復到最佳植物生長條件所需的許多其他操作來響應。
開發人員可以類似地使用其他PDL組件以最少的代碼開發支持其他接口和控制要求。例如,要使用PWM組件控制LED強度,只需將PWM組件拖到PSoC Creator設計畫布上,然后使用相關配置彈出窗口設置特定的PWM參數,如運行模式,周期和分辨率(圖7)。
圖7:PSoC Creator可用于通過賽普拉斯外設驅動程序庫(PDL)或PDL應用程序編程接口來示意性地構建功能習慣于僅在代碼級別工作。 (圖片來源:賽普拉斯半導體)
配置組件并完成設計后,PSoC Creator用于生成基本代碼框架,并根據需要添加自定義代碼?;蛘?,喜歡跳過原理圖輸入階段的開發人員可以使用賽普拉斯PLD API直接訪問底層功能。開發人員還可以使用PSoC Creator生成的代碼混合這些方法,以便在使用PDL API開發生產代碼之前更深入地了解PDL。
使用此方法,可以快速實現必要的代碼支持本文中描述的每個功能。在小型溫室中部署最終的控制系統設計時,開發人員可以想象使用單個Pioneer板和PSoC Pioneer IoT附加屏蔽來支持必要的傳感器,執行器和LED。
用于部署更大的溫室環境,一種經濟有效的方法可以在地面板組中分配土壤pH測量和環境溫度測量等功能,使用單獨的板組來控制園藝LED燈串。開發人員可以通過使用PSoC 4 BLE Pioneer板來支持外設傳感和控制功能,從而進一步降低成本。
由于PSoC Pioneer IoT附加屏蔽也與該板兼容,因此可以輕松重新配置每塊板設置適當的設備。在這種情況下,基于PSoC 4的電路板組將通過藍牙連接到一個或多個PSoC 6電路板,或利用PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer套件的Wi-Fi連接來連接到基于云的服務例如ThingSpeak用于數據分析和顯示(圖8)。
圖8:開發人員可以組合多個基于PSoC的系統,包括PSoC 4 BLE Pioneer套件和PSoC 6 Pioneer套件,以支持與云相關的復雜應用ThingSpeak等服務。 (圖片來源:賽普拉斯半導體公司)
在這種情況下,開發人員可以利用賽普拉斯藍牙支持提供全面的安全連接功能(請參閱構建安全,低功耗藍牙集線器和傳感器)網絡)。
結論
自動溫室控制系統過去需要與復雜照明系統,傳感器和執行器相連的工業級控制器。如圖所示,開發人員現在可以利用低成本的微控制器板和附加板來構建經濟高效的平臺,從而能夠利用各種可用的傳感器和執行器。
結合物聯網和專業園藝LED的可用性,開發人員擁有實施復雜應用所需的全部組件,能夠遠程監控和控制與健康植物生長和發育相關的許多因素。
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