Im Gartenbau kann das Internet der Dinge (IoT) durch eine Kombination aus spezialisierten Gartenbausensoren und LEDs eine wichtige Rolle sowohl bei der Überwachung als auch bei der Gewährleistung der Pflanzengesundheit spielen. Das Anpassen und Bereitstellen der IoT-Rechenplattform mit den erforderlichen Peripheriegeräten, Sensoren, LEDs und Konnektivitätsoptionen kann jedoch zeitaufwändig sein und nicht nur Budgets, sondern auch Zeitpläne gefährden. Um dieses Risiko zu verringern, kann neben anderen Komponenten eine Kombination aus Panel- und Halterungslösungen von Cypress Semiconductor, SparkFun Electronics und Wurth Electronics verwendet werden, um den Designprozess erheblich zu vereinfachen und gleichzeitig eine schnelle Entwicklung anspruchsvoller Steuerungssysteme zu ermöglichen. In diesem Artikel wird die Beziehung zwischen LEDs und Pflanzengesundheit untersucht, diese Lösungen vorgestellt und beschrieben und wie sie zusammen verwendet werden können.
LED und Pflanzengesundheit
Die Pflanzengesundheit hängt von einer Vielzahl externer Faktoren ab, darunter Licht, Temperatur, Bodenfeuchte und pH-Wert. Pflanzen reagieren auf verschiedene Kombinationen dieser Faktoren zusammen sowie auf spezifische Eigenschaften jedes Faktors. Beispielsweise hängt eine Pflanze von Licht ab, das in einem Bereich zwischen 400 Nanometer (nm) und 700 nm photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR) empfangen wird. Die Beleuchtung, die sie in dieser Region benötigen, ist jedoch nicht einheitlich. Pflanzen benötigen Licht bestimmter Wellenlängen, die dem Absorptionsspektrum der zahlreichen an der Photosynthese beteiligten Photopigmente entsprechen. Beispielsweise hat Chlorophyll A Absorptionsspitzen bei ungefähr 435 nm und 675 nm (Abbildung 1).
Andere Photopigmente, einschließlich Chlorophyll B, Beta-Carotin und andere Photochrome, spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Photosynthese. Folglich erfordert eine optimale Beleuchtung für Pflanzen die Fähigkeit, eine Beleuchtung im PAR-Bereich bei mehreren Wellenlängen bereitzustellen. Wie bei jedem lebenden Organismus sind die Faktoren, die die Pflanzengesundheit beeinflussen, nicht auf einen einzigen Satz von Wellenlängen oder statische Beleuchtungsstärken beschränkt. Pflanzen benötigen in jeder Phase des Wachstumszyklus unterschiedliche Lichtintensitäten, wechselnde Licht-/Dunkelzyklen und sogar unterschiedliche Kombinationen von Wellenlängen.
In ähnlicher Weise können Bodentemperatur und Feuchtigkeit zu Änderungen der Wurzellänge führen. Diese optimale Kombination von Merkmalen für jeden Faktor kann je nach Art oder sogar je nach Wachstumsstadium innerhalb einer Art variieren. Beispielsweise erfordern viele Blütenpflanzen eine Tageslänge von weniger als 12 Stunden. Im Gegensatz zu diesen „Kurztag“-Pflanzen blühen „Langtag“-Pflanzen wie Rüben und Kartoffeln erst nach mehr als 12 Stunden Lichteinwirkung. Gewächshausumgebungen ermöglichen es Landwirten und Gärtnern, die meisten Faktoren zu kontrollieren. Der Mangel an kostengünstigen Systemplattformen, Peripheriegeräten und sogar Lichtquellen ist jedoch weiterhin ein Hindernis für die Entwicklung von Gewächshaussteuerungssystemen.
Der Aufbau eines Systems, das in der Lage ist, diese verschiedenen Faktoren zu steuern und zu verwalten, hat komplexe Systeme erfordert, die komplexen industriellen speicherprogrammierbaren Steuerungen ähneln. Die Verfügbarkeit bestehender Panels und spezialisierter Acker-LEDs bietet eine viel einfachere Alternative. Entwickler können auf einfache Weise anspruchsvolle Automatisierungssysteme für Gewächshäuser erstellen, indem sie Panels basierend auf dem PSoC-Mikrocontroller von Cypress Semiconductor, spezialisierten Gartenbau-LEDs von Wurth Electronics und einem Add-on-Board von SparkFun Electronics kombinieren. Letzteres verbindet die breite Palette von Sensoren und Aktoren, die in diesen Systemen benötigt werden.
Hochleistungsplattform
Die Cypress PSoC-Mikrocontroller-Familie wurde für eingebettete Anwendungen entwickelt und integriert einen Arm® Cortex®-M0 oder Cortex-M3 und eine vollständige Palette analoger und digitaler programmierbarer Blöcke, die als Universal Digital Blocks (UDBs) bezeichnet werden. Mit der Peripheral Driver Library (PDL) können Designer eine breite Palette von Funktionen implementieren, einschließlich serieller Standardschnittstellen und Wellenformgeneratoren. In ähnlicher Weise unterstützen E/A-Blöcke namens Smart I/O logische Operationen an Signalen, die zu und von den GPIO-Pins geleitet werden, selbst wenn sich die Kerne in einem stromsparenden Hard-Standby-Modus befinden. Die neueste PSoC-Appliance, PSoC 6, erweitert die Familie um Dual-Core-Appliances, die die Verarbeitungsleistung eines Cortex-M4-Kerns mit den stromsparenden Fähigkeiten eines Cortex-M0+-Kerns kombinieren.
Neben 1 Megabyte (Mbyte) Flash-Speicher, 288 Kilobyte (KB) SRAM und 128 KByte ROM, die in den PSoC 62-Geräten zu finden sind, fügen die PSoC 63-Geräte zusätzliche Funktionen hinzu, wie z. B. Bluetooth 5.0. PSoC 63-Appliances integrieren ein vollständiges Bluetooth 5.0-Subsystem, einschließlich physischer Hardware und Verbindungsschichten, sowie einen Protokollstapel mit API-Zugriff (Application Programming Interface) auf die Profildienste Generic Attribute Profile (GATT) und Generic Access Profile (GAP) im Kern von Bluetooth-Protokollen. Innerhalb jeder Serie enthalten Geräte wie der CY8C6347FMI-BLD53 dedizierte Hardware-Kryptobeschleuniger. Mit ihren umfangreichen Fähigkeiten können die PSoC6-Mikrocontroller die Leistungsanforderungen einer aufstrebenden Klasse komplexer eingebetteter Anwendungen unterstützen. Gleichzeitig können sie durch ihre Energieeffizienz die für solche Anwendungen typischen knappen Energiebudgets unterstützen. Mit seiner vom Benutzer wählbaren Betriebsspannung von 0.9 oder 1.1 V benötigt der Mikrocontroller PSoC 6 nur minimalen Strom: Er verbraucht 22 Mikroampere (μA) pro Megahertz (MHz) für den Cortex-M4-Kern und 15 μA/MHz für den Cortex-Kern M0+.
Um die Anwendungsentwicklung basierend auf diesen Geräten zu vereinfachen, bietet Cypress Versionen seiner Pioneer-Kit-Reihe für die Geräte PSoC 63 und PSoC 62. Für den PSoC 63 umfasst das PSoC 6 BLE Pioneer Kit einen 512-Mbit-NOR-Flash-Speicher, ein integriertes Cypress KitProg.“ 2-basierter Programmierer/Debugger, ein USB Type-C™-Controller mit Stromversorgung und Multi-User-Interface-Funktionen. Das Pioneer PSoC 6 Wi-Fi-BT-Kit kombiniert einen PSoC 62-Mikrocontroller mit einem LBEE5KL1DX-Modul von Murata Electronics, das auf dem Wi-Fi/Bluetooth-Kombichip CYW4343W von Cypress basiert.
Hardware-Erweiterungen
Die Verwendung von Cypress Pioneer-Boards zur Entwicklung von Steuerungsanwendungen wird durch das Add-On-Board vereinfacht, das in Zusammenarbeit zwischen SparkFun Electronics und Digi-Key Electronics entwickelt wurde. Das zusätzliche Pioneer IoT PSoC-Shield ist ein R3-kompatibles Arduino-Shield mit Qwiic- und XBee-kompatiblen Anschlüssen (Abbildung 2).
Eingesteckt in ein Pioneer PSoC-Board ermöglicht das Add-On-Schild Entwicklern, das Board-Set einfach mit Geräten wie Sensoren zu erweitern, um die Luft- und Bodenqualität in einem Gewächshaus zu überwachen. Zur Überwachung der Umweltbedingungen in Gewächshäusern verwendet ein Qwiic-kompatibles Board wie das Environmental Combo Breakout-Board SEN-14348 von SparksFun die integrierten Bosch Sensortec BME280- und ams CCS811-Sensoren, um Daten für mehrere Umgebungsvariablen bereitzustellen (siehe „Hinzufügen von Gewächshaus-Qualitätssensoren“) zum Internet der Dinge). Der Bosch BME 280 kombiniert digitale Sensoren, um genaue Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsmessungen zu ermöglichen, während er nur 3.6 μA bei einer Aktualisierungsrate von 1 Hz verbraucht.
Ams CCS811 bietet CO2- und flüchtige organische Verbindungen (VOC)-Äquivalentmessungen. Gassensoren wie der CCS811 müssen einen Brenner beheizen, um Gasmessungen durchzuführen, was zu einem Anstieg des Stromverbrauchs führt und 26 Milliwatt (mW) von einer 1.8-V-Ergänzung in seinem Betriebsmodus 1 erreicht. Dieser Modus bietet die schnellste verfügbare Aktualisierungsrate von 1 Hz Entwickler können andere Aktualisierungsraten wie Modus 3 wählen, der einmal pro Minute misst und den Stromverbrauch auf 1.2 mW reduziert. Entwickler verwenden einfach ein Kabel zu Qwiic, um das Combo-Board mit der zusätzlichen Abschirmung zu verbinden, um die Bosch BME280- und ams CCS811B-Sensoren des Combo-Boards basierend auf der im SparkFun-Github-Repo verfügbaren Beispielsoftware zu programmieren.
Bodenqualität
Neben den Umgebungsbedingungen im Gewächshaus sind der richtige pH-Wert und Wassergehalt des Bodens für die Pflanzengesundheit von entscheidender Bedeutung. Die meisten Pflanzen benötigen einen neutralen oder leicht sauren pH-Wert, aber der optimale pH-Bereich kann erheblich variieren. Kartoffeln wachsen beispielsweise am besten in sauren Böden mit einem pH-Wert von 5.5, während dieser Wert bestimmten Pflanzen wie Spinat schaden kann, die leicht alkalische Böden bevorzugen. Gleichzeitig können kleine Änderungen des pH-Werts, selbst innerhalb des optimalen Bereichs, die Verfügbarkeit von Nährstoffen, die zur Aufrechterhaltung des Wachstums erforderlich sind, direkt beeinflussen (Abbildung 3).
Entwickler können ihre Gewächshaussysteme mit dem pH-Sensor-Kit SEN-10972 von SparkFun Electronics problemlos mit pH-Sensoren ausstatten. Das Kit wird mit einer pH-Sonde, einer Schnittstellenkarte und Pufferlösungen für die Kalibrierung geliefert.
Um mit dem PSoC-Mikrocontroller zu kommunizieren, können Entwickler den Standard-UART-Ausgang des pH-Boards verwenden. Andernfalls kann die pH-Sensorplatine im I2C-Modus verwendet und über den Qwiic DEV-14495 I2C-Adapter von SparkFun angeschlossen werden. Der Qwiic-Adapter von SparkFun löst die I2C-Pins aus Qwiic-Steckverbindern und stellt Lötpunkte bereit, sodass Entwickler vorhandene I2C-Geräte problemlos mit dem Qwiic-Steckverbindersystem verwenden können. Genauso einfach ist es, den Wassergehalt des Bodens zu messen. Der Bodenfeuchtesensor SEN-13322 von SparkFun bietet zwei Platten, die direkt auf dem Boden sitzen und als variabler Widerstand zwischen einer Spannungsquelle und dem Boden dienen. Eine höhere Luftfeuchtigkeit erhöht die Leitfähigkeit zwischen den Paneelen, was zu einem geringeren Widerstand und einer höheren Ausgangsspannung führt. Für diesen Sensor kann der Digital-Analog-Wandler (DAC) des PSoC-Mikrocontrollers als Spannungsquelle und sein Analog-Digital-Wandler (ADC) als Stromregister verwendet werden.Sukzessive Approximationen (SAR) können verwendet werden, um die zu digitalisieren entsprechende Spannung basierend auf der Bodenfeuchte. Darüber hinaus können die internen Operationsverstärker des Mikrocontrollers verwendet werden, um sowohl den ADC-Eingang als auch den DAC-Ausgang zu puffern. Mit demselben Ansatz können Entwickler auch ihre Bodenmanagementfähigkeiten erweitern.
Beispielsweise unterstützt der PSoC 6-Mikrocontroller mehrere Kanäle sowohl am DAC-Ausgang als auch am ADC-Eingang, sodass mehrere pH-Sensoren hinzugefügt werden können. Darüber hinaus können bestimmte Anwendungen Messungen mit höherer Auflösung erfordern, die einen Spannungsbereich erfordern, der größer ist als die analoge Versorgungsspannung VDDA von 3.6 V (max.) des Mikrocontrollers. In diesen Fällen besteht die Lösung darin, Pufferoperationsverstärker und einen Spannungsregler hinzuzufügen. Neben der Bodenwassermessung können ambitionierte Entwickler den gleichen Ansatz zur Automatisierung der Wasserbewässerung verwenden, indem sie die GPIOs und die Pulsweitenmodulationsfunktion (PWM) des PSoC verwenden, um eine DFRobot FIT0563-Wasserpumpe mit einer DFRobot DRI0044-A-Treiberplatine zu steuern. Verwenden Sie für zusätzliche Komponenten wie diese oder andere den Qwiic-Adapter DEV-14352 von SparkFun. Dies bietet Qwiic-Anschlüsse und eine große Fläche für das Prototyping (Abbildung 4).
Da der Qwiic-Adapter das Arduino R3-Shield-Layout bildet, können Entwickler die im Qwiic-Adapterkit enthaltenen Header verwenden, um ihre eigenen Schaltkreise zwischen der Pioneer-Kit-Platine und dem zusätzlichen SparkFun IoT Pioneer-Shield zu stapeln.
LED-Gartenbaubeleuchtung
Wie bereits erwähnt, hängt die Pflanzengesundheit von der Beleuchtung bei bestimmten Wellenlängen ab. Obwohl Fortschritte in der LED-Beleuchtung Probleme mit Industriebeleuchtung, Fernlicht in Fahrzeugen und mehr gelöst haben, fehlen herkömmlichen LEDs immer noch die für die Photosynthese erforderlichen spektralen Eigenschaften. Die monochrome LED-Serie WLSMDC von Würth Electronics erfüllt Beleuchtungsanforderungen von tiefblauen bis hin zu hyperroten Wellenlängen (Abbildung 5).
Im kombinierten Einsatz bietet die SLSMDC-Serie die Wellenlängen, die zur Förderung verschiedener Aspekte des Pflanzenwachstums benötigt werden:
- Die tiefblaue LED 150353DS74500 (Spitzenwellenlänge 450 nm) und die blaue LED 150353BS74500 (dominant 460 nm) liefern eine Beleuchtung im Wellenlängenbereich, der mit der Regulierung der Chlorophyllkonzentration, des Seitentriebwachstums und der Blattdicke verbunden ist.
- Die grüne 150353GS74500 LED (520 nm Spitze) und die gelbe 150353YS74500 LED (590 nm dominant) liefern eine Beleuchtung in einem Wellenlängenbereich, der früher als unwichtig galt, aber jetzt dafür bekannt ist, dass er eine wichtige Rolle bei der Reaktion der Schattenvermeidung bei Pflanzen spielt.
- Die LEDs 150353RS74500 rot (625 nm dominant) und 150353HS74500 hyperrot (660 nm Spitze) bieten eine Beleuchtung in dem Wellenlängenbereich, der am engsten mit der Photosynthese verwandt ist, aber auch an verschiedenen Pflanzenstadien beteiligt ist, einschließlich Blüte, Ruhe und Ruhe, Samenkeimung.
- Die LED 150353FS74500 Far Red (730 nm Spitze) bietet eine Beleuchtung in einem Wellenlängenbereich, der mit Pflanzenkeimung, Blütezeit, Stiellänge und Schattenvermeidung verbunden ist.
- Schließlich erhöht der 158353040 Daylight White nicht nur die blaue Wellenlängenabdeckung, sondern trägt auch dazu bei, die notwendigen Daily Light Integral (DLI)-Werte für das gesamte Pflanzenwachstum zu erreichen LED-Fäden. Viele dieser Leuchten unterstützen die Dimmregelung mit analoger Spannungs- und/oder Pulsweitenmodulation, wodurch die Implementierung des LED-Treibers auf wenige zusätzliche Komponenten reduziert wird (Abbildung 3).
Beim Entwerfen einer Dimmfunktion sollten sich Entwickler jedoch der sehr schnellen Änderungen des sofortigen Beleuchtungsniveaus bewusst sein. Bei hohen Impulsbreitenmodulationen kann die menschliche Pupille nur auf durchschnittliche Lichtintensität reagieren, wodurch Lichtimpulse mit schädlicher Intensität die Netzhaut erreichen können. Die Verwendung von Konstantstrom-LED-Treibern wie dem Allegro ALT80800 trägt dazu bei, diesen Effekt abzuschwächen.
Programmdesign
In Kombination ermöglichen das Pioneer PSoC-Board, das Add-on-Schild und die oben genannten Add-on-Boards den Entwicklern, ein Gewächshaus-Steuerungssystem physisch aufzubauen, indem sie die Hardware-Boards zusammenstecken. Die Softwareentwicklung zum Ansteuern der Sensoren oder zum Steuern der LEDs ist dank der Verfügbarkeit von Cypress Peripheral Driver Library (PDL)-Komponenten sehr einfach. Die PDL-Komponenten schöpfen Funktionalität aus PSoC-Features wie Programmable Analog, UDB und Smart I/O-Peripherie. Entwickler können schnell eine Softwarefunktion implementieren, die bewirkt, dass der Mikrocontroller aufwacht, wenn der Sensorausgang einen bestimmten Pegel erreicht.
Wenn beispielsweise die Ausgangsspannung des Feuchtigkeitssensors einen trockeneren Boden anzeigt, können Entwickler mit dem PSoC Creator von Cypress einen der im PSoC-Mikrocontroller integrierten Low-Power-Komparatoren so konfigurieren, dass er einen Interrupt generiert, wenn der Pegel am analogen Pin unter (bzw oben) den Referenzspannungspegel. Cypress hat die Funktionalität mit Beispielcode demonstriert, der das grundlegende Entwurfsmuster für die Verwendung des Low Power Comparator (LPComp)-Blocks veranschaulicht (Listing 1). Wenn hier ein Schalter den Prozessor aus dem Ruhemodus weckt, prüft der Code den Wert von LPComp. Dieser Beispielcode verwendet einen GPIO, um eine LED zu schalten, wenn das Vergleichsergebnis alle 500 ms hoch ist. Wenn das Ergebnis schließlich niedrig wird, bringt der Code den Prozessor in den Ruhezustand zurück.
Für ein Gewächshaus-Steuerungssystem könnte das gleiche Konstruktionsmuster verwendet werden, um eine Wasserpumpe als Reaktion auf niedrige Bodenfeuchtigkeit einzuschalten, Ventilatoren als Reaktion auf hohe Umgebungstemperaturen einzuschalten und den Gewächshausbesitzer zu warnen, wenn der pH-Wert aus dem gewünschten Bereich fällt , oder reagieren Sie mit den vielen anderen Maßnahmen, die normalerweise erforderlich sind, um die Gewächshausumgebung auf optimale Bedingungen für das Pflanzenwachstum wiederherzustellen. Entwickler können auch andere PDL-Komponenten verwenden, um andere Schnittstellen- und Steuerungsanforderungen mit minimaler Codeentwicklung zu unterstützen. Um beispielsweise die PWM-Komponente zur Steuerung der LED-Intensität zu verwenden, ziehen Sie die PWM-Komponente einfach auf die Design-Leinwand von PSoC Creator und verwenden Sie die zugehörigen Popup-Einstellungen, um bestimmte PWM-Parameter wie Betriebsmodus, Periode und Auflösung anzupassen (Abbildung 7).
Nachdem die Komponente konfiguriert und das Design abgeschlossen wurde, wird der PSoC Creator verwendet, um das grundlegende Code-Framework zu generieren und bei Bedarf benutzerdefinierten Code hinzuzufügen. Auf der anderen Seite können Entwickler, die es vorziehen, die schematische Eingabephase zu überspringen, die Cypress PLD-API für den direkten Zugriff auf die zugrunde liegende Funktionalität verwenden. Entwickler können auch Ansätze mischen, indem sie von PSoC Creator generierten Code verwenden, um ein besseres Verständnis der PDL zu erlangen, bevor sie ihren Produktionscode mit der PDL-API entwickeln. Mit diesem Ansatz ist es möglich, schnell den Code zu implementieren, der zur Unterstützung aller in diesem Artikel beschriebenen Features erforderlich ist. Durch die Implementierung des resultierenden Steuerungssystemdesigns in einem kleinen Gewächshaus konnten Entwickler ein einzelnes Pioneer-Board und ein zusätzliches Pioneer IoT-Schild erheblich nutzen, um die erforderlichen Sensoren, Aktuatoren und LEDs zu unterstützen. Zur Implementierung in einer größeren Gewächshausumgebung würde ein kostengünstiger Ansatz Funktionen wie die Boden-pH-Messung und die Umgebungstemperatur auf mehrere Platinensätze in Bodennähe verteilen und separate Platinen zur Steuerung der gartenbaulichen LED-Stränge verwenden.
Entwickler könnten die Kosten weiter senken, indem sie das PSoC 4 BLE-Board von Pioneer verwenden, um periphere Sensor- und Steuerungsfunktionen zu unterstützen. Da das Pioneer IoT PSoC-Zusatzschild auch mit diesem Board kompatibel ist, ist es einfach, jeden Satz von Boards mit dem entsprechenden Plugin von Appliances neu zu konfigurieren. In diesem Szenario würde sich der PSoC 4-basierte Satz von Boards entweder über Bluetooth mit einem oder mehreren PSoC 6-Boards verbinden oder die Wi-Fi-Konnektivität des Pioneer PSoC 6 Wi-Fi-BT-Kits nutzen, um sich mit PSoC 8 zu verbinden -basierte Dienste, die Cloud wie ThingSpeak für die Proben- und Datenanalyse (Abbildung XNUMX).
In diesem Fall können Entwickler die Bluetooth-Unterstützung von Cypress für ergänzende sichere Konnektivitätsfunktionen nutzen (siehe Erstellen eines sicheren Low-Power-Sensors und eines Bluetooth-Hub-Netzwerks).
Fazit
Automatische Steuerungssysteme für Gewächshaussteuerungen erforderten früher industrietaugliche Steuerungen, die an komplexe Beleuchtungssysteme, Sensoren und Aktoren angeschlossen waren. Wie gezeigt, können Entwickler kostengünstige Mikrocontroller-Boards und Add-on-Boards nutzen, um kostengünstige Plattformen zu bauen, die eine Reihe verfügbarer Sensoren und Aktoren mit Strom versorgen können. In Kombination mit dem IoT und der Verfügbarkeit von spezialisierten Gartenbau-LEDs verfügen Entwickler über eine vollständige Palette von Komponenten, die für die Implementierung anspruchsvoller Anwendungen erforderlich sind, um viele der Faktoren, die mit gesundem Pflanzenwachstum und -entwicklung verbunden sind, fernzusteuern.
