基于微控制器板和附加板的自动温室控制系统设计.doc
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1、基于微控制器板和附加板的自动温室控制系统设计在园艺方面,物联网(IoT)可以通过传感器和专业园艺LED的组合在监测和确保植物健康方面发挥关键作用。但是,使用所需的外围设备,传感器,LED和连接选项来调整和实施正确的物联网计算平台可能非常耗时,并且预算和时间表都处于风险之中。为了降低这种风险,赛普拉斯半导体,SparkFun Electronics和Wurth Electronics等板卡和器件解决方案可用于大大简化设计流程,同时可以快速开发复杂的温室控制系统。本文将在介绍和描述这些解决方案之前探讨LED与植物健康之间的关系,以及如何将它们结合使用。LED和植物健康植物健康取决于广泛的范围外部因
2、素包括光照,温度,土壤含水量和pH值。它们总体上响应这些因素的各种组合,以及每个因素的具体特征。例如,植物依赖于在400纳米(nm)和700nm之间的光合有效辐射(PAR)区域内接收的光。然而,它们在该区域所需的照明决不是均匀的。相反,植物需要对应于光合作用中涉及的多种光色素的吸收光谱的特定波长的光。例如,叶绿素A在约435nm和675nm处具有吸收峰(图1)。图1:植物生长取决于在与整个光合有效辐射的不同部分有活性的各种光色素的吸收光谱相对应的波长处的充分照射( PAR)地区。 (图片来源:Wurth Electronics)其他光色素,包括叶绿素B,-胡萝卜素和其他光致变色,也在光合作用中
3、起着至关重要的作用。因此,植物的最佳照明需要能够在PAR区域的多个波长下传递光照。与任何生物体一样,影响植物健康的因素不仅限于一组简单的植物。波长或静态照度。植物需要不同水平的光强度,不同的光/暗循环,甚至不同的波长组合,所有这些都在生长周期的每个阶段。同样,温度和土壤含水量会导致根长变化。每个因子的这种特征的最佳组合可以在不同物种之间变化,或甚至在单个物种内的不同生长阶段之间变化。例如,许多开花植物需要的日长度小于约12小时。与这些“短日照”植物相比,“长日”植物如甜菜和土豆仅在暴露于超过12小时光照后开花。温室环境使农民和后院园丁能够控制大部分植物因素。然而,缺乏具有成本效益的系统平台,外
4、围设备甚至合适的光源仍然是温室控制系统发展的障碍。构建能够监控和管理这些因素的系统需要复杂的系统,类似于复杂的工业可编程逻辑控制器。现成的板和专业园艺LED的可用性提供了一种更简单的替代方案。开发人员可以通过组合基于赛普拉斯半导体PSoC微控制器的板,Wurth Electronics的专用园艺LED以及SparkFun Electronics的附加板轻松创建复杂的温室自动化系统。后者与这些系统所需的大量传感器和执行器相关联。高性能平台赛普拉斯PSoC系列微控制器专为嵌入式应用而设计,集成了Arm Cortex -M0或Cortex-M3内核,以及称为通用数字模块(UDB)的全套可编程模拟和可
5、编程数字模块。使用赛普拉斯外设驱动程序库(PDL),设计人员可以使用UDB实现各种功能,包括标准串行接口和波形发生器。类似地,称为智能I/O的可编程I/O模块支持对来自GPIO引脚的信号进行逻辑操作,即使内核处于省电,深度睡眠模式也是如此。最新的PSoC器件PSoC 6通过双核器件扩展了该系列,该器件将Cortex-M4内核的处理性能与Cortex-M0 +内核的低功耗性能相结合。除了1兆字节(Mbyte)的闪存,288千字节(Kbytes)的SRAM和PSoC 62器件中的128 KB ROM之外,PSoC 63器件还增加了其他功能,例如蓝牙5.0。PSoC 63器件集成了完整的蓝牙5.0子
6、系统,包括硬件物理和链路层,以及具有应用程序编程接口(API)访问通用属性配置文件(GATT)和通用访问配置文件(GAP)服务的协议栈。蓝牙协议的核心。在每个系列中,CY8C6347FMI-BLD53等器件都包含专用的硬件加密加速器。凭借其广泛的功能,PSoC 6微控制器能够支持新兴复杂嵌入式应用的性能要求。同时,它们的功率效率使它们能够支持这些应用中通常存在的紧凑功率预算。凭借其用户可选的0.9或1.1伏核心工作电压,PSoC 6微控制器所需的功耗最小,Cortex-M4内核每兆赫兹(MHz)消耗22微安(A),Cortex M0 +内核消耗15A/MHz。为了简化基于这些器件的应用开发,赛
7、普拉斯为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闪存,赛普拉斯的KitProg2板载编程器/调试器,USB Type-C电源传输系统以及多种用户界面功能。 PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer套件将PSoC 62微控制器与Murata Electronics LBEE5KL1DX模块相结合,该模块基于赛普拉斯CYW4343W Wi-Fi/蓝牙组合芯片。硬件扩展通过与SparkFun Electronics和Digi-Key Electronics合作开发的附加板,使
8、用赛普拉斯先锋板开发过程控制应用变得更加容易。 PSoC Pioneer IoT附加屏蔽是Arduino R3兼容屏蔽,带有Qwiic和XBee兼容连接器(图2)。插入PSoC Pioneer板,附加屏蔽使开发人员可以使用传感器等设备轻松扩展电路板组,以监控温室中的空气和土壤质量。图2:PSoC Pioneer物联网附加屏蔽(红板)扩展了赛普拉斯先锋板的功能,例如PSoC 6 BLE Pioneer套件(蓝色)它有多种连接器选项,可用于添加现成的Qwiic和XBee兼容板。 (图片来源:SparkFun Electronics)为了监测温室环境条件,一个Qwiic兼容板,如SparkFun S
9、EN-14348环境组合分线板,使用板载Bosch Sensortec BME280和ams CCS811传感器为多个环境变量(参见“将补偿的空气质量传感器添加到物联网”)。博世BME280结合了数字传感器,能够提供温度,压力和湿度的准确读数,同时消耗少量更新速率为1 Hz时为3.6A。 ams CCS811提供等效的CO2和总挥发性有机化合物(VOC)测量。CCS811等气体传感器需要加热内部加热板进行气体测量,导致功耗相应上升,达到26毫瓦(mW)在工作模式1下从1.8伏电源供电。此模式提供最快的1 Hz更新速率。开发人员可以选择其他更新速率,例如模式3,每分钟执行一次测量,并将功耗降低到
10、1.2 mW。开发人员只需使用Qwiic电缆将Combo板连接到附加屏蔽根据SparkFun github repo中提供的样品软件对Combo板的Bosch BME280和ams CCS811B传感器进行编程。土壤质量除温室环境条件外,适当的土壤pH值和含水量对植物健康至关重要。大多数植物需要中性或微酸性的土壤pH值,但最佳pH范围可能会有很大差异。例如,马铃薯在pH值约为5.5的酸性土壤中生长最好,而这个水平会损害像菠菜这样偏爱微碱性土壤的植物。同时,pH值水平变化很小,甚至在最佳范围可直接影响维持生长所需的营养素的可用性(图3)。图3:pH值的微小变化直接影响植物生理,也间接影响土壤养分
11、有效性。 (图片来源:Wikimedia Commons)使用SparkFun Electronics SEN-10972 pH传感器套件,开发人员可以轻松地将pH传感添加到温室系统中。该套件配有pH探头,接口板和用于校准的缓冲溶液。为了与PSoC微控制器通信,开发人员可以使用pH板的默认UART输出。或者,pH传感器板可用于I 2 C模式并通过SparkFun DEV-14495 I 2 C Qwiic适配器。 SparkFun Qwiic适配器从Qwiic连接器中分离出I 2 C引脚,并提供焊点,使开发人员可以轻松地将现有的I 2 C器件与Qwiic连接器系统配合使用。/p测量土壤含水量同
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