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，β-胡萝卜素和其他光致变色，也在光合作用中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（μA），Cortex M0 +内核消耗15μA/MHz。

为了简化基于这些器件的应用开发，赛普拉斯为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 SEN-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3.6μA。 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>

测量土壤含水量同样容易。 SparkFun SEN-13322土壤湿度传感器提供两个裸露焊盘，设计用于直接放置在土壤中，用作提供的电压源和地之间的可变电阻。较高的水分含量会增加焊盘之间的导电性，从而导致较低的电阻和较高的电压输出。

对于此传感器，PSoC微控制器的集成数模转换器（DAC）可用作电压源，其逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）可用于数字化与土壤湿度水平相对应的电压。此外，微控制器的内部运算放大器可用于缓冲DAC输出和ADC输入。

开发人员可以使用相同的方法进一步扩展其土壤管理功能。例如，PSoC 6微控制器支持DAC输出和ADC输入上的多个通道，因此可以添加多个pH传感器。此外，某些应用可能需要更高分辨率的测量，这需要超出微控制器3.6伏（最大值）VDDA模拟电源电压的电压范围。在这些情况下，解决方案在于添加外部缓冲运算放大器和电压调节器。

除了测量土壤含水量外，雄心勃勃的开发人员还可以使用相同的方法通过使用PSoC的GPIO和脉冲来实现水灌溉的自动化宽度调制（PWM）功能，用于控制带有DFRobot DRI0044-A驱动板的DFRobot FIT0563水泵。

对于其他组件，例如这些或其他组件，请使用SparkFun DEV-14352 Qwiic适配器。这提供了Qwiic连接器和一个大型原型区域（图4）。

图4：使用SparkFun Qwiic适配器，开发人员可以通过Qwiic连接轻松添加定制电路和Pioneer附加屏蔽，或者使用提供的标头将适配器与Pioneer板上的附加屏蔽堆叠起来。 （图像来源：SparkFun）

由于Qwiic适配器符合Arduino R3屏蔽布局，开发人员可以使用Qwiic适配器套件附带的接头在Pioneer套件板和SparkFun IoT之间堆叠自己的电路先锋附加屏蔽。

带LED的园艺照明

如前所述，植物健康取决于特定波长的光照。尽管LED照明的进步已经为工业照明，车辆前灯等提供了解决方案，但传统LED缺乏光合作用所需的光谱特性。 Wurth Electronics WL-SMDC系列单色陶瓷LED满足了从深蓝色到超红色波长范围内照明的需求（图5）。

图5：Wurth Electronics WL-SMDC系列单色陶瓷LED的个别成员提供植物生长和发育所需的特定波长的照明。 （图片来源：Wurth Electronics）

SL-SMDC系列结合使用，可提供促进植物生长多个方面所需的波长：

150353DS74500深蓝色LED （450 nm峰值波长）和150353BS74500蓝色LED（460 nm显性）提供与叶绿素浓度，侧芽生长和叶片厚度调节相关的波长范围内的照明。

150353GS74500绿色LED（520 nm峰值）和150353YS74500黄色LED（590 nm占优势）提供一系列波长的照明，曾被认为是不重要的，但现在已知在植物的阴影避免响应中发挥作用。

150353RS74500红色LED（625 nm）优势）和150353HS74500超红（660 nm峰）在光合作用中最大程度地提供照射，但也参与不同的植物阶段，包括开花，休眠和种子萌发。

150353FS74500远红（730 nm峰）提供与植物发芽，开花时间，茎长和避荫相关的波长照射。

最后，158353040日光白光不仅增加了蓝色波长覆盖范围，还有助于整体植物生长所需的整体日光积分（DLI）水平。

开发人员可以找到许多LED驱动器，例如Wurth MagI 3 C 171032401或Allegro MicroSystems ALT80800来驱动LED串。这些器件中的许多器件都支持使用PWM和/或模拟电压进行调光调节，从而将LED驱动器的实现仅减少到几个额外的元件（图6）。

图6：高级LED驱动器（如Allegro MicroSystems ALT80800）仅需少量额外组件即可驱动LED串，调光由PWM或模拟控制输入。 （图片来源：Allegro MicroSystems）

然而，在设计调光功能时，开发人员应该警惕瞬时照明水平的快速变化。在高PWM率下，人类瞳孔可能仅响应平均光强度，允许有害强度水平的光脉冲到达视网膜。使用恒流LED驱动器（例如Allegro ALT80800）有助于缓解这种影响。

软件设计

组合使用，PSoC Pioneer板，附加屏蔽和前面提到的其他电路板，使开发人员能够在很大程度上通过将硬件板插在一起来物理构建温室控制系统。用于管理传感器或驱动LED的软件的开发几乎与赛普拉斯外设驱动程序库（PDL）中的组件可用性一样简单。

PDL组件抽象了PSoC功能的功能，如可编程模拟，UDB，和智能I/O外围设备。开发人员可以快速实现一种软件功能，当传感器输出达到特定级别时，该功能会使微控制器唤醒。例如，当土壤湿度传感器的输出电压表明土壤较干燥时，使用赛普拉斯PSoC Creator，开发人员可以配置PSoC微控制器的集成低功耗比较器之一，以便在特定模拟引脚上的电平低于时产生中断（或赛普拉斯使用示例代码演示了此功能，该示例代码说明了使用低功耗比较器（LPComp）模块的基本设计模式（清单1）。这里，当中断将处理器从休眠模式唤醒时，代码会检查LPComp值。如果比较结果每500毫秒高，此示例代码使用GPIO切换LED。当结果最终变低时，代码将处理器状态返回到休眠模式。

对于温室控制系统，可以使用相同的设计模式来打开水泵以响应低土壤湿度，打开风扇以响应高环境温度，如果pH值超出预期范围，请提醒温室所有者，或者通过将温室环境恢复到最佳植物生长条件所需的许多其他操作来响应。

开发人员可以类似地使用其他PDL组件以最少的代码开发支持其他接口和控制要求。例如，要使用PWM组件控制LED强度，只需将PWM组件拖到PSoC Creator设计画布上，然后使用相关配置弹出窗口设置特定的PWM参数，如运行模式，周期和分辨率（图7）。

图7：PSoC Creator可用于通过赛普拉斯外设驱动程序库（PDL）或PDL应用程序编程接口来示意性地构建功能习惯于仅在代码级别工作。 （图片来源：赛普拉斯半导体）

配置组件并完成设计后，PSoC Creator用于生成基本代码框架，并根据需要添加自定义代码。或者，喜欢跳过原理图输入阶段的开发人员可以使用赛普拉斯PLD API直接访问底层功能。开发人员还可以使用PSoC Creator生成的代码混合这些方法，以便在使用PDL API开发生产代码之前更深入地了解PDL。

使用此方法，可以快速实现必要的代码支持本文中描述的每个功能。在小型温室中部署最终的控制系统设计时，开发人员可以想象使用单个Pioneer板和PSoC Pioneer IoT附加屏蔽来支持必要的传感器，执行器和LED。

用于部署更大的温室环境，一种经济有效的方法可以在地面板组中分配土壤pH测量和环境温度测量等功能，使用单独的板组来控制园艺LED灯串。开发人员可以通过使用PSoC 4 BLE Pioneer板来支持外设传感和控制功能，从而进一步降低成本。

由于PSoC Pioneer IoT附加屏蔽也与该板兼容，因此可以轻松重新配置每块板设置适当的设备。在这种情况下，基于PSoC 4的电路板组将通过蓝牙连接到一个或多个PSoC 6电路板，或利用PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer套件的Wi-Fi连接来连接到基于云的服务例如ThingSpeak用于数据分析和显示（图8）。

图8：开发人员可以组合多个基于PSoC的系统，包括PSoC 4 BLE Pioneer套件和PSoC 6 Pioneer套件，以支持与云相关的复杂应用ThingSpeak等服务。 （图片来源：赛普拉斯半导体公司）

在这种情况下，开发人员可以利用赛普拉斯蓝牙支持提供全面的安全连接功能（请参阅构建安全，低功耗蓝牙集线器和传感器）网络）。

结论

自动温室控制系统过去需要与复杂照明系统，传感器和执行器相连的工业级控制器。如图所示，开发人员现在可以利用低成本的微控制器板和附加板来构建经济高效的平台，从而能够利用各种可用的传感器和执行器。

结合物联网和专业园艺LED的可用性，开发人员拥有实施复杂应用所需的全部组件，能够远程监控和控制与健康植物生长和发育相关的许多因素。