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在園藝行業(yè)，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 可借助傳感器和專用的園藝 LED 在監(jiān)測和確保植物健康方面發(fā)揮關鍵作用。不過，使用所需的外圍設備、傳感器、LED 和連接選件來調(diào)整和實施恰當?shù)奈锫?lián)網(wǎng)計算平臺可能非常耗時，并在預算和時間表上面臨風險。
為了降低這種風險，可搭配使用?Cypress Semiconductor、SparkFun Electronics?和?Wurth Electronics?的電路板和器件解決方案，在極大地簡化設計流程的同時，快速開發(fā)復雜的溫室控制系統(tǒng)。
本文將探索 LED 與植物健康之間的關系，并介紹和闡述這些解決方案以及如何搭配使用。
LED 和植物健康
植物健康取決于一系列外部因素，包括光照、溫度、土壤水分含量和 pH 值。它們不僅在整體上受到這些因素不同組合的影響，而且還受到每個因素的特定特性的影響。例如，植物依賴于在 400 nm 至 700 nm 之間光合作用有效輻射 (PAR) 區(qū)域內(nèi)接收的光。然而，它們在該區(qū)域所需的照明并不一致。相反，植物需要特定波長的光照，該波長對應于光合作用中涉及的多個感光色素的吸收光譜。
例如，葉綠素 A 的吸收率峰值位于約 435 nm 和 675 nm 處（圖 1）。
圖 1：植物生長取決于特定波長的充足照明，該波長對應于整個光合有效輻射 (PAR) 區(qū)域的不同區(qū)段下不同活性感光色素的吸收光譜。（圖片來源：Wurth Electronics）
其他感光色素，包括葉綠素 B、β-胡蘿卜素和其他光敏色素，也在光合作用中起重要作用。因此，植物的最佳照明需要能夠在 PAR 區(qū)域提供多個波長的照明。
與任何生物體一樣，影響植物健康的因素不僅僅限于一組簡單的波長或靜態(tài)照明水平。在生長周期的每個階段，植物需要不同水平的光照強度、不同的光/暗循環(huán)甚至不同的波長組合。同樣，溫度和土壤含水量也會導致根系長度的變化。
對于每種因素而言，這種最佳特征組合在不同物種之間，甚至在同一個物種內(nèi)的不同生長階段之間，均會有所不同。例如，許多開花植物需要的日照長度少于 12 個小時左右。與這些“短日照”植物相比，甜菜和土豆等“長日照”植物僅在光照時間超過 12 小時后才開花。
溫室環(huán)境允許農(nóng)民和園丁控制大部分因素。然而，缺乏高性價比的系統(tǒng)平臺、外設甚至合適的光源仍然在阻礙溫室控制系統(tǒng)的發(fā)展。若要打造一個能夠監(jiān)控和管理各種此類因素的系統(tǒng)，則需要一些類似于復雜的工業(yè)可編程邏輯控制器等復雜的系統(tǒng)。
現(xiàn)成的電路板和專用的園藝 LED 提供了一種較為簡單的替代方案。開發(fā)人員可借助基于 Cypress Semiconductor?PSoC?微控制器的電路板、Wurth Electronics 的專用園藝 LED 以及 SparkFun Electronics 的擴展板，輕松打造復雜的溫室自動化系統(tǒng)。擴展板可將這些系統(tǒng)所需的各組傳感器和致動器關聯(lián)在一起。
高性能平臺
Cypress?PSoC 系列微控制器專為嵌入式應用而設計。它集成了 Arm??Cortex?-M0 或 Cortex-M3 內(nèi)核，以及稱為通用數(shù)字模塊 (UDB) 的全套可編程模擬和可編程數(shù)字模塊。依托 Cypress 外設驅(qū)動程序庫 (PDL)，設計人員可使用 UDB 實現(xiàn)一系列功能，包括標準串行接口和波形發(fā)生器。同樣，即使內(nèi)核處于節(jié)電、深度休眠模式，可編程 I/O 模塊（稱為“智能 I/O”）也可對來自 GPIO 引腳的信號執(zhí)行邏輯運算。
該系列最新出品的 PSoC 6 為雙核器件。該 PSoC 器件結(jié)合了 Cortex-M4 內(nèi)核的處理性能與 Cortex-M0 +內(nèi)核的低功耗性能。與?PSoC 62?器件相比，PSoC 63?器件在沿用了 1 兆字節(jié) (MB) 的閃存、288 千字節(jié) (KB) 的 SRAM 和 128 KB ROM 之外還增加了其他功能，例如藍牙 5.0。
PSoC 63 器件集成了一個完整的藍牙 5.0 子系統(tǒng)，包括硬件物理層、硬件鏈路層以及協(xié)議棧，且可通過應用編程接口 (API) 訪問藍牙協(xié)議的核心——通用屬性規(guī)范 (GATT) 和通用訪問規(guī)范 (GAP) 服務。在每個系列中，CY8C6347FMI-BLD53?等器件都包含專用的硬件加密加速器。
依托其全面的功能，PSoC 6 微控制器能夠支持新興的復雜嵌入式應用的性能要求。同時，其出色的能效也確保它們能夠滿足這些應用通常所要求的低功耗需求。憑借其用戶可選的 0.9 或 1.1 伏內(nèi)核工作電壓，PSoC 6 微控制器可實現(xiàn)最小的功耗，Cortex-M4 內(nèi)核每兆赫茲 (MHz) 消耗 22 微安 (μA)，Cortex M0+ 內(nèi)核消耗 15 μA/MHz。
為了簡化基于這些器件的應用開發(fā)，Cypress 為 PSoC 63 和 PSoC 62 器件提供了 Pioneer 套件系列版本。PSoC 6 BLE Pioneer 套件基于 PSoC 63，包括 512 MB NOR 閃存、Cypress KitProg2 板載編程器/調(diào)試器、USB Type-C? 供電系統(tǒng)以及多個用戶界面功能。PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer 套件結(jié)合了 PSoC 62 微控制器和?Murata Electronics?LBEE5KL1DX?模塊，該模塊基于 Cypress?CYW4343W?Wi-Fi/藍牙組合芯片。
硬件擴展
借助 SparkFun Electronics 和 Digi-Key Electronics 合作開發(fā)的擴展板，使用 Cypress Pioneer 電路板來開發(fā)過程控制應用將變得更加容易。PSoC Pioneer 物聯(lián)網(wǎng)擴展板是一款 Arduino R3 兼容型擴展板，配有兼容 Qwiic 和 XBee 的連接器（圖 2）。插入 PSoC Pioneer 電路板后，開發(fā)人員即可在擴展板上使用傳感器等器件輕松擴展電路板套件，監(jiān)測溫室中的空氣和土壤質(zhì)量。
圖 2：PSoC Pioneer 物聯(lián)網(wǎng)擴展板（紅色板）借助其多個連接器選件擴展了 Cypress Pioneer 電路板（例如 PSoC 6 BLE Pioneer 套件（藍色））的功能，可添加兼容 Qwiic 和 XBee 的現(xiàn)成電路板。（圖片來源：SparkFun Electronics）
為了監(jiān)測溫室環(huán)境條件，兼容 Qwiic 的電路板（例如 SparkFun?SEN-14348?環(huán)境型組合分線板）會使用板載?Bosch Sensortec?BME280?和?ams?CCS811?傳感器為多個環(huán)境變量提供數(shù)據(jù)（請參見“給物聯(lián)網(wǎng)增加帶補償功能的空氣質(zhì)量傳感器”）。
Bosch BME280 集成有數(shù)字傳感器，能夠在提供精確的溫度、壓力和濕度讀數(shù)的同時，確保其在 1 Hz 更新速率下的功耗低至 3.6 μA。ams CCS811 則可測量等效的 CO2?和總揮發(fā)性有機化合物 (VOC)。
CCS811 等氣體傳感器需要加熱內(nèi)部加熱板才能測量氣體，功耗也會隨之上升，可在工作模式 1 和 1.8 伏電源下達到 26 毫瓦 (mW)。此模式提供最快 1 Hz 的更新速率。開發(fā)人員可以選擇其他更新速率，例如每分鐘執(zhí)行一次測量并將功耗降至 1.2 mW 的模式 3。
開發(fā)人員只需使用?Qwiic 電纜將組合板連接到擴展板，即可根據(jù)?SparkFun github 存儲庫中提供的示例軟件對組合板的 Bosch BME280 和 ams CCS811B 傳感器進行編程。
土壤質(zhì)量
除溫室的環(huán)境條件外，適當?shù)耐寥?pH 值和含水量也對植物的健康生長至關重要。大多數(shù)植物的土壤 pH 值需要為中性或微酸性，但最佳的 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，但此水平會損害像菠菜這樣喜歡微堿性土壤的植物。
與此同時，即使在最佳范圍內(nèi)，pH 值的微小變化也會直接影響到維持植物生長所需的養(yǎng)分的有效性（圖 3）。
圖 3：pH 值的微小變化可直接影響植物生理，并可間接影響土壤養(yǎng)分的有效性。（圖片來源：Wikimedia Commons）
開發(fā)人員可以使用?SparkFun Electronics SEN-10972?pH 傳感器套件輕松地將 pH 感測功能添加到溫室系統(tǒng)中。該套件配有 pH 探頭、接口板以及用于校準的緩沖溶液。為了實現(xiàn)與 PSoC 微控制器的通信，開發(fā)人員可以使用該 pH 板的默認 UART 輸出。
開發(fā)人員也可以在 I2C 模式下使用該 pH 傳感器板，并通過 SparkFun?DEV-14495?I2C Qwiic 適配器進行連接。SparkFun Qwiic 適配器從 Qwiic 連接器中分離 I2C 引腳，并提供焊點，使開發(fā)人員可以輕松地將現(xiàn)有 I2C 器件與 Qwiic 連接器系統(tǒng)配合使用。
測量土壤含水量同樣容易。SparkFun?SEN-13322?土壤濕敏傳感器提供兩個裸焊盤，可直接放置于土壤中，用作所提供電壓源和接地之間的可變電阻。高含水量可增加焊盤之間的導電性，繼而導致電阻降低和電壓輸出升高。
對于此類傳感器，PSoC 微控制器的集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 可用作電壓源，而其逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可用于數(shù)字化土壤水分含量所對應的電壓。此外，微控制器的內(nèi)部運算放大器可用于緩沖 DAC 輸出和 ADC 輸入。
開發(fā)人員可以用同樣的方法進一步擴展其土壤管理能力。例如，PSoC 6 微控制器在 DAC 輸出和 ADC 輸入上支持多個通道，因此可添加多個 pH 傳感器。此外，某些應用可能需要更高分辨率的測量值，這就需要電壓范圍超出微控制器的 3.6 伏（最大值）VDDA?模擬電源電壓。在這些情況下，解決的辦法就是添加多個外部緩沖運算放大器和一個穩(wěn)壓器。
除了測量土壤含水量外，雄心勃勃的開發(fā)人員還可以使用相同的方法實現(xiàn)自動灌溉，即使用 PSoC 的 GPIO 和脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 功能來控制配備?DFRobot?FIT0563?驅(qū)動板的 DFRobot?DRI0044-A?水泵。
對于額外的元器件，例如上述或其他元器件，可使用 SparkFun?DEV-14352?Qwiic 適配器。下圖顯示了多個 Qwiic 連接器和一個大型原型開發(fā)區(qū)域（圖 4）。
圖 4：使用 SparkFun Qwiic 適配器，開發(fā)人員可以通過 Qwiic 連接和 Pioneer 擴展板輕松添加定制電路，或使用所提供的針座將適配器與 Pioneer 電路板上的擴展板堆疊起來。（圖片來源：SparkFun）
由于 Qwiic 適配器符合 Arduino R3 擴展板布局，因此開發(fā)人員可以使用 Qwiic 適配器套件中包含的針座在 Pioneer 套件板和 SparkFun IoT Pioneer 擴展板之間堆疊自己的電路。
使用 LED 打造園藝照明系統(tǒng)
如前所述，植物健康取決于在特定波長下提供的光照。盡管 LED 照明技術已經(jīng)為工業(yè)照明、車輛前燈等提供了解決方案，但傳統(tǒng) LED 缺乏光合作用所需的光譜特性。Wurth Electronics 的?WL-SMDC?系列單色陶瓷 LED 產(chǎn)品滿足了從深藍色到超紅色波長范圍的照明需求（圖 5）。
圖 5：Wurth Electronics 的 WL-SMDC 系列單色陶瓷 LED 產(chǎn)品可提供植物生長和發(fā)育所需的特定波長照明。（圖片來源：Wurth Electronics）
以組合形式使用 SL-SMDC 系列可提供促進植物生長諸多方面所需的波長：
- 150353DS74500?深藍色 LED（450 nm 峰值波長）和?150353BS74500?藍色 LED（460 nm 主波長）提供與調(diào)節(jié)葉綠素濃度、側(cè)芽生長和葉片厚度相關的波長范圍內(nèi)的照明。
- 150353GS74500?綠色 LED（520 nm 峰值波長）和?150353YS74500?黃色 LED（590 nm 主波長）提供一度被認為不重要、但現(xiàn)在已知在植物避蔭性反應中起作用的波長范圍內(nèi)的照明。
- 150353RS74500?紅色 LED（625 nm 主波長）和?150353HS74500?超紅色 LED（660 nm 峰值波長）提供主要涉及光合作用，但也涉及開花、休眠和種子萌發(fā)等不同植物生長階段的波長的照明。
- 150353FS74500?遠紅色 LED（730 nm 峰值）提供與植物發(fā)芽、開花時間、莖長和避蔭相關的波長的照明。
- 最后，158353040?日光白 LED 不僅增強了藍色波長覆蓋范圍，還有助于增強整體植物生長所需的整體日累積光量 (DLI) 水平。
開發(fā)人員可以找到許多 LED 驅(qū)動器，如 Wurth MagI3C?171032401?或?Allegro MicroSystems?ALT80800，來驅(qū)動 LED 燈串。這些器件大多支持使用 PWM 和/或模擬電壓調(diào)節(jié)光線，因此可將 LED 驅(qū)動器僅減少到幾個額外的元器件（圖 6）。
圖 6：Allegro MicroSystems ALT80800 等高級 LED 驅(qū)動器僅需要一些額外的元器件來驅(qū)動 LED 燈串，其中調(diào)光由 PWM 或模擬輸入控制。（圖片來源：Allegro MicroSystems）
不過，在設計調(diào)光功能時，開發(fā)人員應該警惕瞬時照明水平的快速變化。在高 PWM 速率下，人類瞳孔可能僅響應平均光照強度，從而允許有害強度水平的光脈沖到達視網(wǎng)膜。使用恒流 LED 驅(qū)動器（例如 Allegro ALT80800）有助于緩解這種影響。
軟件設計
借助 PSoC Pioneer 電路板、擴展板以及前面提到的其他電路板，開發(fā)人員能夠在很大程度上通過插接硬件板打造實體的溫室控制系統(tǒng)。開發(fā)管理傳感器或驅(qū)動 LED 所用的軟件十分簡單，只需調(diào)用 Cypress 外設驅(qū)動程序庫 (PDL) 中的組件。
PDL 組件提取了 PSoC 特性的功能，例如可編程模擬功能、UDB 和智能 I/O 外設等。開發(fā)人員可以快速實現(xiàn)一種軟件功能，能在傳感器輸出達到特定電平時喚醒微控制器。例如，當土壤濕敏傳感器的輸出電壓表明土壤較干燥時，開發(fā)人員可使用 Cypress PSoC Creator 配置 PSoC 微控制器的其中一個集成低功耗比較器，在特定模擬引腳上的電平低于（或高于）參考電壓時生成中斷。
Cypress 通過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（列表 1）。在本示例中，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(jié)果為高，則此示例代碼會每隔 500 毫秒使用 GPIO 切換 LED。當結(jié)果最終變低時，代碼會將處理器狀態(tài)重新置于休眠模式。
復制 int main(void) { ??? #if PDL_CONFIGURATION ??????? /* Enable the whole LPComp block */ ??????? Cy_LPComp_GlobalEnable(LPCOMP); ??????? ??????? /* Configure LPComp output mode and hysteresis for channel 0 */ ??????? Cy_LPComp_Init(LPCOMP, CY_LPCOMP_CHANNEL_0, &myLPCompConfig); ??????? ??????? /* Enable the local reference voltage */ ??????? Cy_LPComp_UlpReferenceEnable(LPCOMP); ??????? /* Set the local reference voltage to the negative terminal and set a GPIO input on the ?????????? positive terminal for the wake up signal */ ??????? Cy_LPComp_SetInputs(LPCOMP, CY_LPCOMP_CHANNEL_0, CY_LPCOMP_SW_GPIO, CY_LPCOMP_SW_LOCAL_VREF); ? ??????? /* Set channel 0 power mode - Ultra Low Power mode */ ??????? Cy_LPComp_SetPower(LPCOMP, CY_LPCOMP_CHANNEL_0, CY_LPCOMP_MODE_ULP); ??????? ???? ???/* It needs 50us start-up time to settle in ULP mode after the block is enabled */ ??????? Cy_SysLib_DelayUs(MY_LPCOMP_ULP_SETTLE); ??? #else ??????? /* Start the LPComp Component */ ??????? LPComp_1_Start(); ??? #endif ? ? ??? /* Check the IO status.If current status is frozen, unfreeze the system.*/ ??? if(Cy_SysPm_GetIoFreezeStatus()) ??? {?? /* Unfreeze the system */ ??????? Cy_SysPm_IoUnfreeze(); ??? } ??? else ??? { ??????? /* Do nothing */??? ??? } ??? ??? for(;;) ??? { ??????? /* If the comparison result is high, toggles LED every 500ms */ ??????? if(Cy_LPComp_GetCompare(LPCOMP, CY_LPCOMP_CHANNEL_0) == MY_LPCOMP_OUTPUT_HIGH) ??????? { ??????????? /* Toggle LED every 500ms */ ??????????? Cy_GPIO_Inv(LED_0_PORT, LED_0_NUM); ??????????? Cy_SysLib_Delay(TOGGLE_LED_PERIOD); ??????? } ??????? /* If the comparison result is low, goes to the hibernate mode */ ??????? else??? ??????? {?? ??????????? /* System wakes up when LPComp channel 0 output is high */ ??????????? MyLPComp_SetHibernateMode(CY_SYSPM_LPCOMP0_HIGH);???????? ??????? } ??? } }
列表 1：Cypress 的示例代碼展示了關鍵設計模式，例如使用 PSoC 6 低功耗比較器從低功耗工作模式喚醒微控制器。（代碼來源：Cypress Semiconductor）
對于溫室控制系統(tǒng)，開發(fā)人員可以使用相同的設計模式來實現(xiàn)諸多的功能，例如在土壤濕度較低時打開水泵，在環(huán)境溫度較高時打開風扇，在 pH 值超出所需范圍時提醒溫室所有者，或者做出其他將溫室環(huán)境恢復到植物生長最佳條件所需的響應。
同樣，開發(fā)人員可以使用其他 PDL 組件，通過開發(fā)最少的代碼，實現(xiàn)對其他接口和控制需求的支持。例如，要使用 PWM 組件控制 LED 強度，只需將 PWM 組件拖到 PSoC Creator 設計工作區(qū)，然后使用相關配置彈出窗口設置特定的 PWM 參數(shù)，如運行模式、周期和分辨率等（圖 7）。
圖 7：開發(fā)人員可使用 PSoC Creator 借助 Cypress 外設驅(qū)動程序庫 (PDL) 以框架形式構建功能，也可使用 PDL 應用程序接口僅在代碼級別工作。（圖片來源：Cypress Semiconductor）
在配置組件并完成設計后，即可使用 PSoC Creator 生成基本代碼框架，然后根據(jù)需要添加自定義代碼。如果開發(fā)人員喜歡跳過框架輸入階段，亦可使用 Cypress PLD API 直接訪問底層功能。此外，開發(fā)人員也可以混合使用這些方法，先借助 PSoC Creator 生成的代碼更深入地了解 PDL，然后再使用 PDL API 開發(fā)自己的生產(chǎn)代碼。
使用這種方法，可以快速實現(xiàn)支持本文所述每項功能所需的代碼。在小型溫室部署所設計的控制系統(tǒng)時，可以想見開發(fā)人員可使用一個 Pioneer 電路板和 PSoC Pioneer 物聯(lián)網(wǎng)擴展板來支持必要的傳感器、致動器和 LED。
若在更大的溫室環(huán)境中部署，高性價比的方法則是將測量土壤 pH 值以及測量環(huán)境溫度等功能分配在接地級別的板組中，并使用單獨的板組來控制園藝 LED 燈串。開發(fā)人員可借助?PSoC 4 BLE Pioneer?電路板來支持外圍傳感和控制功能，從而進一步降低成本。
由于 PSoC Pioneer 物聯(lián)網(wǎng)擴展板也與該電路板兼容，因此很容易補充適當?shù)钠骷碇匦屡渲妹總€板組。在這種情況下，基于 PSoC 4 的板組可通過藍牙鏈接到一個或多個 PSoC 6 電路板，或利用 PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer 套件的 Wi-Fi 連接功能連接到基于云的服務（例如 ThingSpeak）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和顯示（圖 8）。
圖 8：開發(fā)人員可以組合使用多個基于 PSoC 的系統(tǒng)（包括 PSoC 4 BLE Pioneer 套件和 PSoC 6 Pioneer 套件），以支持與 ThingSpeak 云服務相連的復雜應用。（圖片來源：Cypress Semiconductor）
在本例中，開發(fā)人員可以利用 Cypress 藍牙支持功能獲得全套的安全連接能力（請參見構建安全、低功耗的藍牙集線器和傳感器網(wǎng)絡）。
總結(jié)
在過去，自動溫室控制系統(tǒng)需要工業(yè)級控制器以及復雜的照明系統(tǒng)、傳感器和致動器。而現(xiàn)在，開發(fā)人員已如文中所述，可利用低成本的微控制器板和擴展板打造高性價比的平臺，繼而利用各種可用的傳感器和致動器。
結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和專用的園藝 LED，開發(fā)人員可以獲得實施復雜應用所需的全套元器件，能夠遠程監(jiān)測和控制與植物健康生長和發(fā)育相關的諸多因素。
工商網(wǎng)監(jiān)
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