Dans l'horticulture, l'Internet des objets (IoT) peut jouer un rôle majeur dans la surveillance et la garantie de la santé des plantes grâce à une combinaison de capteurs horticoles spécialisés et de LED. Cependant, l'adaptation et le déploiement de la plate-forme de calcul IoT avec les périphériques, capteurs, LED et options de connectivité requis peuvent prendre du temps et mettre en péril non seulement les budgets, mais également les calendriers. Pour réduire ce risque, une combinaison de solutions de panneaux et de luminaires de Cypress Semiconductor, SparkFun Electronics et Wurth Electronics, entre autres composants, peut être utilisée pour simplifier considérablement le processus de conception tout en permettant le développement rapide de systèmes de contrôle sophistiqués. Cet article explorera la relation entre les LED et la santé des plantes, présentera et décrira ces solutions, et comment les utiliser ensemble.
LED et santé des plantes
La santé des plantes dépend d'un grand nombre de facteurs externes, notamment la lumière, la température, l'humidité du sol et les niveaux de pH. Les plantes réagissent à diverses combinaisons de ces facteurs ensemble, ainsi qu'aux caractéristiques spécifiques de chaque facteur. Par exemple, une plante dépend de la lumière reçue dans une région comprise entre 400 nanomètres (nm) et 700 nm de rayonnement actif photosynthétique (PAR). Cependant, l'éclairage dont ils ont besoin dans toute cette région n'est pas uniforme. Les plantes ont besoin de lumière de longueurs d'onde spécifiques correspondant au spectre d'absorption des multiples photopigments impliqués dans la photosynthèse. Par exemple, la chlorophylle A a des pics d'absorption à environ 435 nm et 675 nm (Figure 1).
D'autres photopigments, dont la chlorophylle B, le bêta-carotène et d'autres photochromes, jouent également un rôle vital dans la photosynthèse. En conséquence, un éclairage optimal pour les plantes nécessite la capacité de fournir un éclairage dans la région PAR à plusieurs longueurs d'onde. Comme pour tout organisme vivant, les facteurs qui influencent la santé des plantes ne se limitent pas à un seul ensemble de longueurs d'onde ou de niveaux d'éclairage statique. Les plantes ont besoin de différents niveaux d'intensité lumineuse, de cycles lumière/obscurité changeants et même de différentes combinaisons de longueurs d'onde, le tout à chaque étape du cycle de croissance.
De même, la température et l'humidité du sol peuvent entraîner des changements dans la longueur des racines. Cette combinaison optimale de traits pour chaque facteur peut varier selon les espèces, ou même selon le stade de croissance au sein d'une espèce. Par exemple, de nombreuses plantes à fleurs nécessitent des durées de jour inférieures à 12 heures. Contrairement à ces plantes « de jours courts », les plantes « de jours longs », comme les betteraves et les pommes de terre, ne fleurissent qu'après avoir reçu plus de 12 heures d'exposition à la lumière. Les environnements de serre permettent aux agriculteurs et aux jardiniers de contrôler la plupart des facteurs. Cependant, le manque de plates-formes système rentables, de périphériques et même de sources lumineuses continue d'être un obstacle au développement de systèmes de contrôle des serres.
La construction d'un système capable de contrôler et de gérer ces différents facteurs a nécessité des systèmes complexes apparentés à des contrôleurs logiques programmables industriels complexes. La disponibilité des panneaux existants et des LED arables spécialisées offre une alternative beaucoup plus simple. Les développeurs peuvent facilement créer des systèmes d'automatisation de serre sophistiqués en combinant des panneaux basés sur le microcontrôleur PSoC de Cypress Semiconductor, des LED spécialisées pour l'horticulture de Wurth Electronics et une carte complémentaire de SparkFun Electronics. Ce dernier connecte le large éventail de capteurs et d'actionneurs nécessaires dans ces systèmes.
plate-forme haute performance
Conçue pour les applications embarquées, la famille de microcontrôleurs Cypress PSoC intègre un Arm® Cortex®-M0 ou Cortex-M3 et une gamme complète de blocs analogiques et numériques programmables appelés Universal Digital Blocks (UDB). À l'aide de la bibliothèque de pilotes périphériques (PDL), les concepteurs peuvent implémenter un large éventail de fonctions, y compris des interfaces série standard et des générateurs de formes d'onde. De même, les blocs d'E/S appelés Smart I/O prennent en charge les opérations logiques sur les signaux passant vers et depuis les broches GPIO, même lorsque les cœurs sont en mode d'attente d'économie d'énergie. La dernière appliance PSoC, PSoC 6, élargit la famille avec des appliances double cœur qui combinent les performances de traitement d'un cœur Cortex-M4 avec les capacités de faible consommation d'un cœur Cortex-M0+.
Outre les 1 mégaoctet (Mo) de mémoire flash, 288 kilo-octets (Ko) de SRAM et 128 Ko de ROM trouvés dans les appareils PSoC 62, les appareils PSoC 63 ajoutent des fonctionnalités supplémentaires, telles que Bluetooth 5.0. Les appliances PSoC 63 intègrent un sous-système Bluetooth 5.0 complet, comprenant du matériel physique et des couches de liaison, ainsi qu'une pile de protocoles avec un accès d'interface de programmation d'application (API) aux services de profil Generic Attribute Profile (GATT) et Generic Access Profile (GAP) au cœur des protocoles Bluetooth. Au sein de chaque série, des appareils comme le CY8C6347FMI-BLD53 incluent des crypto-accélérateurs matériels dédiés. Grâce à leurs capacités étendues, les microcontrôleurs PSoC6 peuvent prendre en charge les exigences de performances d'une classe émergente d'applications embarquées complexes. Dans le même temps, leur efficacité énergétique leur permet de supporter les budgets énergétiques serrés typiques de telles applications. Avec sa tension de fonctionnement de 0.9 ou 1.1 V sélectionnable par l'utilisateur, le microcontrôleur PSoC 6 nécessite une puissance minimale : il consomme 22 microampères (μA) par mégahertz (MHz) pour le cœur Cortex-M4 et 15 μA/MHz pour le cœur Cortex-M0+.
Pour simplifier le développement d'applications basées sur ces appareils, Cypress propose des versions de sa gamme de kits Pioneer pour les appareils PSoC 63 et PSoC 62. Pour le PSoC 63, le kit PSoC 6 BLE Pioneer comprend une mémoire flash 512 Mbit NOR, un Cypress KitProg intégré. Programmateur/débogueur basé sur 2, un contrôleur USB Type-C™ avec alimentation électrique et des fonctionnalités d'interface multi-utilisateurs. Le kit Pioneer PSoC 6 Wi-Fi-BT combine un microcontrôleur PSoC 62 avec un module Murata Electronics LBEE5KL1DX basé sur la puce combo Wi-Fi/Bluetooth CYW4343W de Cypress.
Extensions matérielles
L'utilisation des cartes Cypress Pioneer pour développer des applications de contrôle est facilitée par la carte complémentaire développée grâce à une collaboration entre SparkFun Electronics et Digi-Key Electronics. Le shield Pioneer IoT PSoC supplémentaire est un shield Arduino compatible R3 avec des connecteurs compatibles Qwiic et XBee (Figure 2).
Branché sur une carte Pioneer PSoC, le bouclier complémentaire permet aux développeurs d'étendre facilement l'ensemble de cartes avec des gadgets tels que des capteurs pour surveiller la qualité de l'air et du sol dans une serre. Pour surveiller les conditions environnementales de la serre, une carte compatible Qwiic telle que la carte Breakout Combo environnementale SEN-14348 de SparksFun utilise les capteurs intégrés Bosch Sensortec BME280 et ams CCS811 pour fournir des données pour plusieurs variables environnementales (voir "Ajout de capteurs de qualité de serre"). à l'Internet des objets). Le Bosch BME 280 combine des capteurs numériques pour permettre des lectures précises de la température, de la pression et de l'humidité tout en consommant aussi peu que 3.6 μA à une fréquence de mise à jour de 1 Hz.
Ams CCS811 fournit des mesures équivalentes de CO2 et de composés organiques volatils (COV). Les capteurs de gaz comme le CCS811 doivent chauffer un brûleur pour effectuer des mesures de gaz, ce qui entraîne une augmentation de la consommation d'énergie, atteignant 26 milliwatts (mW) à partir d'un supplément de 1.8 V dans son mode de fonctionnement 1. Ce mode fournit le taux de mise à jour disponible le plus rapide de 1 Hz. Les développeurs peuvent choisir d'autres taux de mise à jour tels que le mode 3, qui mesure une fois par minute et réduit la consommation d'énergie à 1.2 mW. Les développeurs utilisent simplement un câble vers Qwiic pour connecter la carte Combo au blindage supplémentaire afin de programmer les capteurs Bosch BME280 et ams CCS811B de la carte Combo en fonction de l'exemple de logiciel disponible sur le référentiel github SparkFun.
qualité du sol
En plus des conditions environnementales dans la serre, un pH et une teneur en eau appropriés du sol sont essentiels à la santé des plantes. La plupart des plantes nécessitent des niveaux de pH neutres ou légèrement acides, mais la plage de pH optimale peut varier considérablement. Par exemple, les pommes de terre poussent mieux dans des sols acides avec un pH de 5.5, alors que ce niveau peut nuire à certaines plantes comme les épinards, qui préfèrent les sols légèrement alcalins. Dans le même temps, de petites modifications du niveau de pH, même dans la plage optimale, peuvent affecter directement la disponibilité des nutriments nécessaires au maintien de la croissance (figure 3).
Les développeurs peuvent facilement ajouter des capteurs de pH à leurs systèmes de serre à l'aide du kit de capteur de pH SparkFun Electronics SEN-10972. Le kit est livré avec une sonde de pH, une carte d'interface et des solutions tampons pour l'étalonnage.
Pour communiquer avec le microcontrôleur PSoC, les développeurs peuvent utiliser la sortie UART par défaut de la carte pH. Sinon, la carte du capteur de pH peut être utilisée en mode I2C et connectée via l'adaptateur Qwiic DEV-14495 I2C de SparkFun. L'adaptateur Qwiic de SparkFun brise les broches I2C des connecteurs Qwiic et fournit des points de soudure, permettant aux développeurs d'utiliser facilement les appareils I2C existants avec le système de connecteur Qwiic. Mesurer la teneur en eau du sol est tout aussi simple. Le capteur d'humidité du sol SEN-13322 de SparkFun fournit deux panneaux conçus pour reposer directement sur le sol et servir de résistance variable entre une source de tension et le sol. Une humidité plus élevée augmente la conductivité entre les panneaux, ce qui entraîne une résistance plus faible et une sortie de tension plus élevée. Pour ce capteur, le convertisseur numérique-analogique (DAC) du microcontrôleur PSoC peut être utilisé comme source de tension, et son convertisseur analogique-numérique (ADC) le registre de courant. Des approximations successives (SAR) peuvent être utilisées pour numériser le tension correspondante basée sur le niveau d'humidité du sol. De plus, les amplis opérationnels internes du microcontrôleur peuvent être utilisés pour tamponner à la fois l'entrée ADC et la sortie DAC. Les développeurs peuvent également étendre leurs capacités de gestion des sols avec cette même approche.
Par exemple, le microcontrôleur PSoC 6 prend en charge plusieurs canaux sur la sortie DAC et l'entrée ADC, ce qui permet d'ajouter plusieurs capteurs de pH. De plus, certaines applications peuvent nécessiter des mesures de plus haute résolution qui nécessitent une plage de tension supérieure à la tension d'alimentation analogique VDDA de 3.6 V (max) du microcontrôleur. Dans ces cas, la solution consiste à ajouter des amplis op tampon et un régulateur de tension. Parallèlement à la mesure de l'eau du sol, les développeurs ambitieux peuvent utiliser la même approche pour automatiser l'irrigation de l'eau en utilisant les GPIO du PSoC et la fonctionnalité de modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour contrôler une pompe à eau DFRobot FIT0563 avec une carte de commande DFRobot DRI0044-A. Pour des composants supplémentaires, tels que ceux-ci ou d'autres, utilisez l'adaptateur Qwiic DEV-14352 de SparkFun. Cela fournit des connecteurs Qwiic et une grande surface pour le prototypage (figure 4).
Étant donné que l'adaptateur Qwiic constitue la disposition du bouclier Arduino R3, les développeurs peuvent utiliser les en-têtes inclus avec le kit d'adaptateur Qwiic pour empiler leurs propres circuits entre la carte du kit Pioneer et le bouclier supplémentaire SparkFun IoT Pioneer.
Éclairage horticole LED
Comme mentionné précédemment, la santé des plantes dépend de l'illumination portée à des longueurs d'onde spécifiques. Bien que les progrès de l'éclairage LED aient résolu les problèmes d'éclairage industriel, de feux de route sur les véhicules, etc., les LED conventionnelles n'ont toujours pas les caractéristiques spectrales requises pour la photosynthèse. La série WLSMDC de LED monochromes de Wurth Electronics répond aux besoins d'éclairage des longueurs d'onde du bleu profond à l'hyper rouge (figure 5).
En utilisation combinée, la série SLSMDC fournit les longueurs d'onde nécessaires pour favoriser divers aspects de la croissance des plantes :
- La LED bleu profond 150353DS74500 (longueur d'onde maximale 450 nm) et la LED bleue 150353BS74500 (dominante 460 nm) fournissent un éclairage dans la gamme de longueurs d'onde associées à la régulation de la concentration de chlorophylle, de la croissance des pousses latérales et de l'épaisseur des feuilles.
- La LED verte 150353GS74500 (pic de 520 nm) et la LED jaune 150353YS74500 (dominante de 590 nm) fournissent un éclairage dans la gamme de longueurs d'onde qui étaient auparavant considérées comme sans importance, mais qui sont maintenant connues pour jouer un rôle important dans la réponse d'évitement de l'ombre chez les plantes.
- Les LED 150353RS74500 rouge (dominante 625 nm) et 150353HS74500 hyper rouge (pic 660 nm) fournissent un éclairage dans la gamme de longueurs d'onde la plus étroitement liée à la photosynthèse, mais également impliquée dans différentes étapes de la plante, y compris la floraison, la dormance et la germination des graines.
- La LED 150353FS74500 Far Red (pic de 730 nm) fournit un éclairage dans la gamme de longueurs d'onde associées à la germination des plantes, au temps de floraison, à la longueur de la tige et à l'évitement de l'ombre.
- Enfin, le 158353040 Daylight White augmente non seulement la couverture de la longueur d'onde bleue, mais aide également à atteindre les niveaux de lumière quotidienne intégrale (DLI) nécessaires pour la croissance globale des plantes Les développeurs peuvent obtenir un certain nombre de pilotes LED tels que Wurth MagI3C 171032401 ou Allegro MicroSystems ALT80800 Fils LED. Bon nombre de ces luminaires prennent en charge la régulation de la gradation à l'aide d'une tension analogique et/ou d'une modulation de largeur d'impulsion, ce qui réduit l'implémentation du pilote de LED à quelques composants supplémentaires (Figure 6).
Lors de la conception d'une fonction de gradation, cependant, les développeurs doivent être conscients des changements très rapides du niveau d'éclairage instantané. À des niveaux élevés de modulation de largeur d'impulsion, la pupille humaine ne peut répondre qu'à une intensité lumineuse moyenne, permettant à des impulsions lumineuses d'intensité délétère d'atteindre la rétine. L'utilisation de pilotes LED à courant constant, tels que l'Allegro ALT80800, permet d'atténuer cet effet.
conception du programme
Utilisés en combinaison, la carte Pioneer PSoC, le blindage supplémentaire et les cartes supplémentaires susmentionnées permettent aux développeurs de construire physiquement un système de contrôle de serre en connectant les cartes matérielles ensemble. Le développement de logiciels pour piloter les capteurs ou contrôler les LED est très simple grâce à la disponibilité des composants Cypress Peripheral Driver Library (PDL). Les composants PDL tirent des fonctionnalités des fonctionnalités PSoC telles que les périphériques analogiques programmables, UDB et Smart I/O. Les développeurs peuvent rapidement implémenter une fonctionnalité logicielle qui provoque le réveil du microcontrôleur lorsque la sortie du capteur atteint un niveau spécifié.
Par exemple, lorsque la tension de sortie du capteur d'humidité indique un sol plus sec, à l'aide de Cypress PSoC Creator, les développeurs peuvent configurer l'un des comparateurs basse consommation intégrés au microcontrôleur PSoC pour générer une interruption lorsque le niveau de la tension de la broche analogique est inférieur (ou ci-dessus) le niveau de tension de référence. Cypress a démontré la fonctionnalité avec un exemple de code qui illustre le modèle de conception de base pour l'utilisation du bloc Low Power Comparator (LPComp) (liste 1). Ici, lorsqu'un commutateur sort le processeur du mode hibernation, le code vérifie la valeur de LPComp. Cet exemple de code utilise un GPIO pour commuter une LED si le résultat de la comparaison est élevé toutes les 500 ms. Lorsque le résultat devient finalement bas, le code ramène le processeur à l'état d'hibernation.
Pour un système de contrôle de serre, le même modèle de conception pourrait être utilisé pour allumer une pompe à eau en réponse à une faible humidité du sol, allumer des ventilateurs en réponse à des températures ambiantes élevées, alerter le propriétaire de la serre si le niveau de pH tombe en dehors de la plage souhaitée , ou répondre par les nombreuses autres actions normalement requises pour restaurer l'environnement de la serre dans des conditions optimales pour la croissance des plantes. Les développeurs peuvent également utiliser d'autres composants PDL pour prendre en charge d'autres exigences d'interface et de contrôle avec un développement de code minimal. Par exemple, pour utiliser le composant PWM pour contrôler l'intensité des LED, faites simplement glisser le composant PWM sur le canevas de conception de PSoC Creator et utilisez les paramètres contextuels associés pour régler des paramètres PWM spécifiques tels que le mode d'exécution, la période et la résolution (figure 7).
Une fois le composant configuré et la conception terminée, PSoC Creator est utilisé pour générer le cadre de code de base, en ajoutant du code personnalisé si nécessaire. D'autre part, les développeurs qui préfèrent ignorer la phase de saisie schématique peuvent utiliser l'API Cypress PLD pour un accès direct à la fonctionnalité sous-jacente. Les développeurs peuvent également mélanger les approches, en utilisant le code généré par PSoC Creator pour mieux comprendre le PDL avant de développer leur code de production à l'aide de l'API PDL. Grâce à cette approche, il est possible d'implémenter rapidement le code nécessaire pour prendre en charge chaque fonctionnalité décrite dans cet article. En mettant en œuvre la conception du système de contrôle résultant dans une petite serre, les développeurs pourraient utiliser considérablement une seule carte Pioneer et un blindage IoT Pioneer supplémentaire pour prendre en charge les capteurs, actionneurs et LED nécessaires. Pour une mise en œuvre dans un environnement de serre plus vaste, une approche rentable répartirait des fonctionnalités telles que la mesure du pH du sol et la température ambiante sur des ensembles de panneaux au niveau du sol, en utilisant des panneaux séparés pour contrôler les brins de LED horticoles.
Les développeurs pourraient réduire davantage les coûts en utilisant la carte PSoC 4 BLE de Pioneer pour prendre en charge les capteurs périphériques et les fonctionnalités de contrôle. Étant donné que le bouclier complémentaire Pioneer IoT PSoC est également compatible avec cette carte, il est facile de reconfigurer chaque ensemble de cartes avec le plug-in d'appliances approprié. Dans ce scénario, l'ensemble de cartes basé sur PSoC 4 se joindrait via Bluetooth à une ou plusieurs cartes PSoC 6, ou profiterait de la connectivité Wi-Fi du kit Pioneer PSoC 6 Wi-Fi-BT pour se connecter à PSoC 8 des services basés sur le cloud tels que ThingSpeak pour l'analyse d'échantillons et de données (Figure XNUMX).
Dans ce cas, les développeurs peuvent tirer parti de la prise en charge Bluetooth de Cypress pour des capacités de connectivité sécurisée complémentaires (voir Créer un capteur basse consommation sécurisé et un réseau concentrateur Bluetooth).
Conclusion
Les systèmes de contrôle automatique de contrôle des serres nécessitaient des contrôleurs de qualité industrielle attachés à des systèmes d'éclairage complexes, des capteurs et des actionneurs. Comme démontré, les développeurs peuvent tirer parti des cartes de microcontrôleur et des cartes d'extension à faible coût pour créer des plates-formes rentables capables d'alimenter une gamme de capteurs et d'actionneurs disponibles. Combiné avec l'IoT et la disponibilité de LED horticoles spécialisées, les développeurs disposent d'un ensemble complet de composants nécessaires pour mettre en œuvre des applications sophistiquées pour contrôler à distance de nombreux facteurs associés à la croissance et au développement sains des plantes.
