在園藝方面，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）可以通過傳感器和專業(yè)園藝LED的組合在監(jiān)測和確保植物健康方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。但是，使用所需的外圍設(shè)備，傳感器，LED和連接選項(xiàng)來調(diào)整和實(shí)施正確的物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算平臺(tái)可能非常耗時(shí)，并且預(yù)算和時(shí)間表都處于風(fēng)險(xiǎn)之中。

為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，賽普拉斯半導(dǎo)體，SparkFun Electronics和Wurth Electronics等板卡和器件解決方案可用于大大簡化設(shè)計(jì)流程，同時(shí)可以快速開發(fā)復(fù)雜的溫室控制系統(tǒng)。

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(guān)系，以及如何將它們結(jié)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(yīng)這些因素的各種組合，以及每個(gè)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(qū)域內(nèi)接收的光。然而，它們在該區(qū)域所需的照明決不是均勻的。相反，植物需要對應(yīng)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(gè)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(yīng)的波長處的充分照射（ PAR）地區(qū)。 （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(guān)重要的作用。因此，植物的最佳照明需要能夠在PAR區(qū)域的多個(gè)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(tài)照度。植物需要不同水平的光強(qiáng)度，不同的光/暗循環(huán)，甚至不同的波長組合，所有這些都在生長周期的每個(gè)階段。同樣，溫度和土壤含水量會(huì)導(dǎo)致根長變化。

每個(gè)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(gè)物種內(nèi)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(shí)。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(shí)光照后開花。

溫室環(huán)境使農(nóng)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(tǒng)平臺(tái)，外圍設(shè)備甚至合適的光源仍然是溫室控制系統(tǒng)發(fā)展的障礙。構(gòu)建能夠監(jiān)控和管理這些因素的系統(tǒng)需要復(fù)雜的系統(tǒng)，類似于復(fù)雜的工業(yè)可編程邏輯控制器。

現(xiàn)成的板和專業(yè)園藝LED的可用性提供了一種更簡單的替代方案。開發(fā)人員可以通過組合基于賽普拉斯半導(dǎo)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(chuàng)建復(fù)雜的溫室自動(dòng)化系統(tǒng)。后者與這些系統(tǒng)所需的大量傳感器和執(zhí)行器相關(guān)聯(lián)。

高性能平臺(tái)

賽普拉斯PSoC系列微控制器專為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)，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。使用賽普拉斯外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序庫（PDL），設(shè)計(jì)人員可以使用UDB實(shí)現(xiàn)各種功能，包括標(biāo)準(zhǔn)串行接口和波形發(fā)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(jìn)行邏輯操作，即使內(nèi)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(kuò)展了該系列，該器件將Cortex-M4內(nèi)核的處理性能與Cortex-M0 +內(nèi)核的低功耗性能相結(jié)合。除了1兆字節(jié)（Mbyte）的閃存，288千字節(jié)（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(lán)牙5.0。

PSoC 63器件集成了完整的藍(lán)牙5.0子系統(tǒng)，包括硬件物理和鏈路層，以及具有應(yīng)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(wù)的協(xié)議棧。藍(lán)牙協(xié)議的核心。在每個(gè)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(fù)雜嵌入式應(yīng)用的性能要求。同時(shí)，它們的功率效率使它們能夠支持這些應(yīng)用中通常存在的緊湊功率預(yù)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(nèi)核每兆赫茲（MHz）消耗22微安（μA），Cortex M0 +內(nèi)核消耗15μA/MHz。

為了簡化基于這些器件的應(yīng)用開發(fā)，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(diào)試器，USB Type-C?電源傳輸系統(tǒng)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(jié)合，該模塊基于賽普拉斯CYW4343W Wi-Fi/藍(lán)牙組合芯片。

硬件擴(kuò)展

通過與SparkFun Electronics和Digi-Key Electronics合作開發(fā)的附加板，使用賽普拉斯先鋒板開發(fā)過程控制應(yīng)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(fā)人員可以使用傳感器等設(shè)備輕松擴(kuò)展電路板組，以監(jiān)控溫室中的空氣和土壤質(zhì)量。

圖2：PSoC Pioneer物聯(lián)網(wǎng)附加屏蔽（紅板）擴(kuò)展了賽普拉斯先鋒板的功能，例如PSoC 6 BLE Pioneer套件（藍(lán)色）它有多種連接器選項(xiàng)，可用于添加現(xiàn)成的Qwiic和XBee兼容板。 （圖片來源：SparkFun Electronics）

為了監(jiān)測溫室環(huán)境條件，一個(gè)Qwiic兼容板，如SparkFun SEN-14348環(huán)境組合分線板，使用板載Bosch Sensortec BME280和ams CCS811傳感器為多個(gè)環(huán)境變量（參見“將補(bǔ)償?shù)目諝赓|(zhì)量傳感器添加到物聯(lián)網(wǎng)”）。

博世BME280結(jié)合了數(shù)字傳感器，能夠提供溫度，壓力和濕度的準(zhǔn)確讀數(shù)，同時(shí)消耗少量更新速率為1 Hz時(shí)為3.6μA。 ams CCS811提供等效的CO2和總揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）測量。

CCS811等氣體傳感器需要加熱內(nèi)部加熱板進(jìn)行氣體測量，導(dǎo)致功耗相應(yīng)上升，達(dá)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(fā)人員可以選擇其他更新速率，例如模式3，每分鐘執(zhí)行一次測量，并將功耗降低到1.2 mW。

開發(fā)人員只需使用Qwiic電纜將Combo板連接到附加屏蔽根據(jù)SparkFun github repo中提供的樣品軟件對Combo板的Bosch BME280和ams CCS811B傳感器進(jìn)行編程。

土壤質(zhì)量

除溫室環(huán)境條件外，適當(dāng)?shù)耐寥纏H值和含水量對植物健康至關(guān)重要。大多數(shù)植物需要中性或微酸性的土壤pH值，但最佳pH范圍可能會(huì)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(gè)水平會(huì)損害像菠菜這樣偏愛微堿性土壤的植物。

同時(shí)，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(yǎng)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(yǎng)分有效性。 （圖片來源：Wikimedia Commons）

使用SparkFun Electronics SEN-10972 pH傳感器套件，開發(fā)人員可以輕松地將pH傳感添加到溫室系統(tǒng)中。該套件配有pH探頭，接口板和用于校準(zhǔn)的緩沖溶液。為了與PSoC微控制器通信，開發(fā)人員可以使用pH板的默認(rèn)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(diǎn)，使開發(fā)人員可以輕松地將現(xiàn)有的I 2 C器件與Qwiic連接器系統(tǒng)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(gè)裸露焊盤，設(shè)計(jì)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(huì)增加焊盤之間的導(dǎo)電性，從而導(dǎo)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(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）可用作電壓源，其逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可用于數(shù)字化與土壤濕度水平相對應(yīng)的電壓。此外，微控制器的內(nèi)部運(yùn)算放大器可用于緩沖DAC輸出和ADC輸入。

開發(fā)人員可以使用相同的方法進(jìn)一步擴(kuò)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(gè)通道，因此可以添加多個(gè)pH傳感器。此外，某些應(yīng)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(yùn)算放大器和電壓調(diào)節(jié)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通過使用PSoC的GPIO和脈沖來實(shí)現(xiàn)水灌溉的自動(dòng)化寬度調(diào)制（PWM）功能，用于控制帶有DFRobot DRI0044-A驅(qū)動(dòng)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(gè)大型原型區(qū)域（圖4）。

圖4：使用SparkFun Qwiic適配器，開發(fā)人員可以通過Qwiic連接輕松添加定制電路和Pioneer附加屏蔽，或者使用提供的標(biāo)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(fā)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(jìn)步已經(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 WL-SMDC系列單色陶瓷LED滿足了從深藍(lán)色到超紅色波長范圍內(nèi)照明的需求（圖5）。

圖5：Wurth Electronics WL-SMDC系列單色陶瓷LED的個(gè)別成員提供植物生長和發(fā)育所需的特定波長的照明。 （圖片來源：Wurth Electronics）

SL-SMDC系列結(jié)合使用，可提供促進(jìn)植物生長多個(gè)方面所需的波長：

150353DS74500深藍(lán)色LED （450 nm峰值波長）和150353BS74500藍(lán)色LED（460 nm顯性）提供與葉綠素濃度，側(cè)芽生長和葉片厚度調(diào)節(jié)相關(guān)的波長范圍內(nèi)的照明。

150353GS74500綠色LED（520 nm峰值）和150353YS74500黃色LED（590 nm占優(yōu)勢）提供一系列波長的照明，曾被認(rèn)為是不重要的，但現(xiàn)在已知在植物的陰影避免響應(yīng)中發(fā)揮作用。

150353RS74500紅色LED（625 nm）優(yōu)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(fā)。

150353FS74500遠(yuǎn)紅（730 nm峰）提供與植物發(fā)芽，開花時(shí)間，莖長和避蔭相關(guān)的波長照射。

最后，158353040日光白光不僅增加了藍(lán)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(fā)人員可以找到許多LED驅(qū)動(dòng)器，例如Wurth MagI 3 C 171032401或Allegro MicroSystems ALT80800來驅(qū)動(dòng)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(jìn)行調(diào)光調(diào)節(jié)，從而將LED驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)僅減少到幾個(gè)額外的元件（圖6）。

圖6：高級LED驅(qū)動(dòng)器（如Allegro MicroSystems ALT80800）僅需少量額外組件即可驅(qū)動(dòng)LED串，調(diào)光由PWM或模擬控制輸入。 （圖片來源：Allegro MicroSystems）

然而，在設(shè)計(jì)調(diào)光功能時(shí)，開發(fā)人員應(yīng)該警惕瞬時(shí)照明水平的快速變化。在高PWM率下，人類瞳孔可能僅響應(yīng)平均光強(qiáng)度，允許有害強(qiáng)度水平的光脈沖到達(dá)視網(wǎng)膜。使用恒流LED驅(qū)動(dòng)器（例如Allegro ALT80800）有助于緩解這種影響。

軟件設(shè)計(jì)

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(fā)人員能夠在很大程度上通過將硬件板插在一起來物理構(gòu)建溫室控制系統(tǒng)。用于管理傳感器或驅(qū)動(dòng)LED的軟件的開發(fā)幾乎與賽普拉斯外設(shè)驅(qū)動(dòng)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(shè)備。開發(fā)人員可以快速實(shí)現(xiàn)一種軟件功能，當(dāng)傳感器輸出達(dá)到特定級別時(shí)，該功能會(huì)使微控制器喚醒。例如，當(dāng)土壤濕度傳感器的輸出電壓表明土壤較干燥時(shí)，使用賽普拉斯PSoC Creator，開發(fā)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(shí)產(chǎn)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(shè)計(jì)模式（清單1）。這里，當(dāng)中斷將處理器從休眠模式喚醒時(shí)，代碼會(huì)檢查LPComp值。如果比較結(jié)果每500毫秒高，此示例代碼使用GPIO切換LED。當(dāng)結(jié)果最終變低時(shí)，代碼將處理器狀態(tài)返回到休眠模式。

對于溫室控制系統(tǒng)，可以使用相同的設(shè)計(jì)模式來打開水泵以響應(yīng)低土壤濕度，打開風(fēng)扇以響應(yīng)高環(huán)境溫度，如果pH值超出預(yù)期范圍，請?zhí)嵝褱厥宜姓?，或者通過將溫室環(huán)境恢復(fù)到最佳植物生長條件所需的許多其他操作來響應(yīng)。

開發(fā)人員可以類似地使用其他PDL組件以最少的代碼開發(fā)支持其他接口和控制要求。例如，要使用PWM組件控制LED強(qiáng)度，只需將PWM組件拖到PSoC Creator設(shè)計(jì)畫布上，然后使用相關(guān)配置彈出窗口設(shè)置特定的PWM參數(shù)，如運(yùn)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(shè)驅(qū)動(dòng)程序庫（PDL）或PDL應(yīng)用程序編程接口來示意性地構(gòu)建功能習(xí)慣于僅在代碼級別工作。 （圖片來源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

配置組件并完成設(shè)計(jì)后，PSoC Creator用于生成基本代碼框架，并根據(jù)需要添加自定義代碼?；蛘?，喜歡跳過原理圖輸入階段的開發(fā)人員可以使用賽普拉斯PLD API直接訪問底層功能。開發(fā)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(fā)生產(chǎn)代碼之前更深入地了解PDL。

使用此方法，可以快速實(shí)現(xiàn)必要的代碼支持本文中描述的每個(gè)功能。在小型溫室中部署最終的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)人員可以想象使用單個(gè)Pioneer板和PSoC Pioneer IoT附加屏蔽來支持必要的傳感器，執(zhí)行器和LED。

用于部署更大的溫室環(huán)境，一種經(jīng)濟(jì)有效的方法可以在地面板組中分配土壤pH測量和環(huán)境溫度測量等功能，使用單獨(dú)的板組來控制園藝LED燈串。開發(fā)人員可以通過使用PSoC 4 BLE Pioneer板來支持外設(shè)傳感和控制功能，從而進(jìn)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(shè)置適當(dāng)?shù)脑O(shè)備。在這種情況下，基于PSoC 4的電路板組將通過藍(lán)牙連接到一個(gè)或多個(gè)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(wù)例如ThingSpeak用于數(shù)據(jù)分析和顯示（圖8）。

圖8：開發(fā)人員可以組合多個(gè)基于PSoC的系統(tǒng)，包括PSoC 4 BLE Pioneer套件和PSoC 6 Pioneer套件，以支持與云相關(guān)的復(fù)雜應(yīng)用ThingSpeak等服務(wù)。 （圖片來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司）

在這種情況下，開發(fā)人員可以利用賽普拉斯藍(lán)牙支持提供全面的安全連接功能（請參閱構(gòu)建安全，低功耗藍(lán)牙集線器和傳感器）網(wǎng)絡(luò)）。

結(jié)論

自動(dòng)溫室控制系統(tǒng)過去需要與復(fù)雜照明系統(tǒng)，傳感器和執(zhí)行器相連的工業(yè)級控制器。如圖所示，開發(fā)人員現(xiàn)在可以利用低成本的微控制器板和附加板來構(gòu)建經(jīng)濟(jì)高效的平臺(tái)，從而能夠利用各種可用的傳感器和執(zhí)行器。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和專業(yè)園藝LED的可用性，開發(fā)人員擁有實(shí)施復(fù)雜應(yīng)用所需的全部組件，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制與健康植物生長和發(fā)育相關(guān)的許多因素。