基于云的服务实现数据的分析和显示

基于云的服务实现数据的分析和显示在园艺行业，物联网(IoT)可借助传感器和专用的园艺LED在监测和确保植物健康方面发挥关键作用。不过，使用所需的外围设备、传感器、LED和连接选件来调整和实施恰当的物联网计算平台可能非常耗时，并在预算和时间表上面临风险。为了降低这种风险，可搭配使用

CypressSemiconductor、SparkFunElectronics

和

WurthElectronics

的电路板和器件解决方案，在极大地简化设计流程的同时，快速开发复杂的温室控制系统。本文将探索LED与植物健康之间的关系，并介绍和阐述这些解决方案以及如何搭配使用。LED和植物健康植物健康取决于一系列外部因素，包括光照、温度、土壤水分含量和pH值。它们不仅在整体上受到这些因素不同组合的影响，而且还受到每个因素的特定特性的影响。例如，植物依赖于在400nm至700nm之间光合作用有效辐射(PAR)区域内接收的光。然而，它们在该区域所需的照明并不一致。相反，植物需要特定波长的光照，该波长对应于光合作用中涉及的多个感光色素的吸收光谱。例如，叶绿素A的吸收率峰值位于约435nm和675nm处（图1）。图1：植物生长取决于特定波长的充足照明，该波长对应于整个光合有效辐射(PAR)区域的不同区段下不同活性感光色素的吸收光谱。（图片来源：WurthElectronics）其他感光色素，包括叶绿素B、β-胡萝卜素和其他光敏色素，也在光合作用中起重要作用。因此，植物的最佳照明需要能够在PAR区域提供多个波长的照明。与任何生物体一样，影响植物健康的因素不仅仅限于一组简单的波长或静态照明水平。在生长周期的每个阶段，植物需要不同水平的光照强度、不同的光/暗循环甚至不同的波长组合。同样，温度和土壤含水量也会导致根系长度的变化。对于每种因素而言，这种最佳特征组合在不同物种之间，甚至在同一个物种内的不同生长阶段之间，均会有所不同。例如，许多开花植物需要的日照长度少于12个小时左右。与这些“短日照”植物相比，甜菜和土豆等“长日照”植物仅在光照时间超过12小时后才开花。温室环境允许农民和园丁控制大部分因素。然而，缺乏高性价比的系统平台、外设甚至合适的光源仍然在阻碍温室控制系统的发展。若要打造一个能够监控和管理各种此类因素的系统，则需要一些类似于复杂的工业可编程逻辑控制器等复杂的系统。现成的电路板和专用的园艺LED提供了一种较为简单的替代方案。开发人员可借助基于CypressSemiconductor

PSoC

微控制器的电路板、WurthElectronics的专用园艺LED以及SparkFunElectronics的扩展板，轻松打造复杂的温室自动化系统。扩展板可将这些系统所需的各组传感器和致动器关联在一起。高性能平台Cypress

PSoC系列微控制器专为嵌入式应用而设计。它集成了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。依托Cypress外设驱动程序库(PDL)，设计人员可使用UDB实现一系列功能，包括标准串行接口和波形发生器。同样，即使内核处于节电、深度休眠模式，可编程I/O模块（称为“智能I/O”）也可对来自GPIO引脚的信号执行逻辑运算。该系列最新出品的PSoC6为双核器件。该PSoC器件结合了Cortex-M4内核的处理性能与Cortex-M0+内核的低功耗性能。与

PSoC62

器件相比，PSoC63

器件在沿用了1兆字节(MB)的闪存、288千字节(KB)的SRAM和128KBROM之外还增加了其他功能，例如蓝牙5.0。PSoC63器件集成了一个完整的蓝牙5.0子系统，包括硬件物理层、硬件链路层以及协议栈，且可通过应用编程接口(API)访问蓝牙协议的核心——通用属性规范(GATT)和通用访问规范(GAP)服务。在每个系列中，CY8C6347FMI-BLD53

等器件都包含专用的硬件加密加速器。依托其全面的功能，PSoC6微控制器能够支持新兴的复杂嵌入式应用的性能要求。同时，其出色的能效也确保它们能够满足这些应用通常所要求的低功耗需求。凭借其用户可选的0.9或1.1伏内核工作电压，PSoC6微控制器可实现最小的功耗，Cortex-M4内核每兆赫兹(MHz)消耗22微安(μA)，CortexM0+内核消耗15μA/MHz。为了简化基于这些器件的应用开发，Cypress为PSoC63和PSoC62器件提供了Pioneer套件系列版本。PSoC6BLEPioneer套件基于PSoC63，包括512MBNOR闪存、CypressKitProg2板载编程器/调试器、USBType-C™供电系统以及多个用户界面功能。PSoC6Wi-Fi-BTPioneer套件结合了PSoC62微控制器和

MurataElectronics

LBEE5KL1DX

模块，该模块基于Cypress

CYW4343W

Wi-Fi/蓝牙组合芯片。硬件扩展借助SparkFunElectronics和Digi-KeyElectronics合作开发的扩展板，使用CypressPioneer电路板来开发过程控制应用将变得更加容易。PSoCPioneer物联网扩展板是一款ArduinoR3兼容型扩展板，配有兼容Qwiic和XBee的连接器（图2）。插入PSoCPioneer电路板后，开发人员即可在扩展板上使用传感器等器件轻松扩展电路板套件，监测温室中的空气和土壤质量。图2：PSoCPioneer物联网扩展板（红色板）借助其多个连接器选件扩展了CypressPioneer电路板（例如PSoC6BLEPioneer套件（蓝色））的功能，可添加兼容Qwiic和XBee的现成电路板。（图片来源：SparkFunElectronics）为了监测温室环境条件，兼容Qwiic的电路板（例如SparkFun

SEN-14348

环境型组合分线板）会使用板载

BoschSensortec

BME280

和

ams

CCS811

传感器为多个环境变量提供数据（请参见“给物联网增加带补偿功能的空气质量传感器”）。BoschBME280集成有数字传感器，能够在提供精确的温度、压力和湿度读数的同时，确保其在1Hz更新速率下的功耗低至3.6μA。amsCCS811则可测量等效的CO2

和总挥发性有机化合物(VOC)。CCS811等气体传感器需要加热内部加热板才能测量气体，功耗也会随之上升，可在工作模式1和1.8伏电源下达到26毫瓦(mW)。此模式提供最快1Hz的更新速率。开发人员可以选择其他更新速率，例如每分钟执行一次测量并将功耗降至1.2mW的模式3。开发人员只需使用

Qwiic电缆将组合板连接到扩展板，即可根据

SparkFungithub存储库中提供的示例软件对组合板的BoschBME280和amsCCS811B传感器进行编程。土壤质量除温室的环境条件外，适当的土壤pH值和含水量也对植物的健康生长至关重要。大多数植物的土壤pH值需要为中性或微酸性，但最佳的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，但此水平会损害像菠菜这样喜欢微碱性土壤的植物。与此同时，即使在最佳范围内，pH值的微小变化也会直接影响到维持植物生长所需的养分的有效性（图3）。图3：pH值的微小变化可直接影响植物生理，并可间接影响土壤养分的有效性。（图片来源：WikimediaCommons）开发人员可以使用

SparkFunElectronicsSEN-10972

pH传感器套件轻松地将pH感测功能添加到温室系统中。该套件配有pH探头、接口板以及用于校准的缓冲溶液。为了实现与PSoC微控制器的通信，开发人员可以使用该pH板的默认UART输出。开发人员也可以在I2C模式下使用该pH传感器板，并通过SparkFun

DEV-14495

I2CQwiic适配器进行连接。SparkFunQwiic适配器从Qwiic连接器中分离I2C引脚，并提供焊点，使开发人员可以轻松地将现有I2C器件与Qwiic连接器系统配合使用。测量土壤含水量同样容易。SparkFun

SEN-13322

土壤湿敏传感器提供两个裸焊盘，可直接放置于土壤中，用作所提供电压源和接地之间的可变电阻。高含水量可增加焊盘之间的导电性，继而导致电阻降低和电压输出升高。对于此类传感器，PSoC微控制器的集成数模转换器(DAC)可用作电压源，而其逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)可用于数字化土壤水分含量所对应的电压。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。开发人员可以用同样的方法进一步扩展其土壤管理能力。例如，PSoC6微控制器在DAC输出和ADC输入上支持多个通道，因此可添加多个pH传感器。此外，某些应用可能需要更高分辨率的测量值，这就需要电压范围超出微控制器的3.6伏（最大值）VDDA

模拟电源电压。在这些情况下，解决的办法就是添加多个外部缓冲运算放大器和一个稳压器。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实现自动灌溉，即使用PSoC的GPIO和脉冲宽度调制(PWM)功能来控制配备

DFRobot

FIT0563

驱动板的DFRobot

DRI0044-A

水泵。对于额外的元器件，例如上述或其他元器件，可使用SparkFun

DEV-14352

Qwiic适配器。下图显示了多个Qwiic连接器和一个大型原型开发区域（图4）。图4：使用SparkFunQwiic适配器，开发人员可以通过Qwiic连接和Pioneer扩展板轻松添加定制电路，或使用所提供的针座将适配器与Pioneer电路板上的扩展板堆叠起来。（图片来源：SparkFun）由于Qwiic适配器符合ArduinoR3扩展板布局，因此开发人员可以使用Qwiic适配器套件中包含的针座在Pioneer套件板和SparkFunIoTPioneer扩展板之间堆叠自己的电路。使用LED打造园艺照明系统如前所述，植物健康取决于在特定波长下提供的光照。尽管LED照明技术已经为工业照明、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。WurthElectronics的

WL-SMDC

系列单色陶瓷LED产品满足了从深蓝色到超红色波长范围的照明需求（图5）。图5：WurthElectronics的WL-SMDC系列单色陶瓷LED产品可提供植物生长和发育所需的特定波长照明。（图片来源：WurthElectronics）以组合形式使用SL-SMDC系列可提供促进植物生长诸多方面所需的波长：150353DS74500

深蓝色LED（450nm峰值波长）和

150353BS74500

蓝色LED（460nm主波长）提供与调节叶绿素浓度、侧芽生长和叶片厚度相关的波长范围内的照明。150353GS74500

绿色LED（520nm峰值波长）和

150353YS74500

黄色LED（590nm主波长）提供一度被认为不重要、但现在已知在植物避荫性反应中起作用的波长范围内的照明。150353RS74500

红色LED（625nm主波长）和

150353HS74500

超红色LED（660nm峰值波长）提供主要涉及光合作用，但也涉及开花、休眠和种子萌发等不同植物生长阶段的波长的照明。150353FS74500

远红色LED（730nm峰值）提供与植物发芽、开花时间、茎长和避荫相关的波长的照明。最后，158353040

日光白LED不仅增强了蓝色波长覆盖范围，还有助于增强整体植物生长所需的整体日累积光量(DLI)水平。开发人员可以找到许多LED驱动器，如WurthMagI3C

171032401

或

AllegroMicroSystems

ALT80800，来驱动LED灯串。这些器件大多支持使用PWM和/或模拟电压调节光线，因此可将LED驱动器仅减少到几个额外的元器件（图6）。图6：AllegroMicroSystemsALT80800等高级LED驱动器仅需要一些额外的元器件来驱动LED灯串，其中调光由PWM或模拟输入控制。（图片来源：AllegroMicroSystems）不过，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速率下，人类瞳孔可能仅响应平均光照强度，从而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AllegroALT80800）有助于缓解这种影响。软件设计借助PSoCPioneer电路板、扩展板以及前面提到的其他电路板，开发人员能够在很大程度上通过插接硬件板打造实体的温室控制系统。开发管理传感器或驱动LED所用的软件十分简单，只需调用Cypress外设驱动程序库(PDL)中的组件。PDL组件提取了PSoC特性的功能，例如可编程模拟功能、UDB和智能I/O外设等。开发人员可以快速实现一种软件功能，能在传感器输出达到特定电平时唤醒微控制器。例如，当土壤湿敏传感器的输出电压表明土壤较干燥时，开发人员可使用CypressPSoCCreator配置PSoC微控制器的其中一个集成低功耗比较器，在特定模拟引脚上的电平低于（或高于）参考电压时生成中断。Cypress通过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（列表1）。在本示例中，当中断将处理器从休眠模式唤醒时，代码会检查LPComp值。如果比较结果为高，则此示例代码会每隔500毫秒使用GPIO切换LED。当结果最终变低时，代码会将处理器状态重新置于休眠模式。复制intmain(void){

#ifPDL_CONFIGURATION

/*EnablethewholeLPCompblock*/

Cy_LPComp_GlobalEnable(LPCOMP);

/*ConfigureLPCompoutputmodeandhysteresisforchannel0*/

Cy_LPComp_Init(LPCOMP,CY_LPCOMP_CHANNEL_0,&myLPCompConfig);

/*Enablethelocalreferencevoltage*/

Cy_LPComp_UlpReferenceEnable(LPCOMP);

/*SetthelocalreferencevoltagetothenegativeterminalandsetaGPIOinputonthe

positiveterminalforthewakeupsignal*/

Cy_LPComp_SetInputs(LPCOMP,CY_LPCOMP_CHANNEL_0,CY_LPCOMP_SW_GPIO,CY_LPCOMP_SW_LOCAL_VREF);

/*Setchannel0powermode-UltraLowPowermode*/

Cy_LPComp_SetPower(LPCOMP,CY_LPCOMP_CHANNEL_0,CY_LPCOMP_MODE_ULP);

/*Itneeds50usstart-uptimetosettleinULPmodeaftertheblockisenabled*/

Cy_SysLib_DelayUs(MY_LPCOMP_ULP_SETTLE);

#else

/*StarttheLPCompComponent*/

LPComp_1_Start();

#endif

/*ChecktheIOstatus.Ifcurrentstatusisfrozen,unfreezethesystem.*/

if(Cy_SysPm_GetIoFreezeStatus())

{

/*Unfreezethesystem*/

Cy_SysPm_IoUnfreeze();

}

else

{

/*Donothing*/

}

for(;;)

{

/*Ifthecomparisonresultishigh,togglesLEDevery500ms*/

if(Cy_LPComp_GetCompare(LPCOMP,CY_LPCOMP_CHANNEL_0)==MY_LPCOMP_OUTPUT_HIGH)

{

/*ToggleLEDevery500ms*/

Cy_GPIO_Inv(LED_0_PORT,LED_0_NUM);

Cy_SysLib_Delay(TOGGLE_LED_PERIOD);

}

/*Ifthecomparisonresultislow,goestothehibernatemode*/

else

{

/*SystemwakesupwhenLPCompchannel0outputishigh*/

MyLPComp_SetHibernateMode(CY_SYSPM_LPCOMP0_HIGH);

}

}}列表1：Cypress的示例代码展示了关键设计模式，例如使用PSoC6低功耗比较器从低功耗工作模式唤醒微控制器。（代码来源：CypressSemiconductor）对于温室控制系统，开发人员可以使用相同的设计模式来实现诸多的功能，例如在土壤湿度较低时打开水泵，在环境温度较高时打开风扇，在pH值超出所需范围时提醒温室所有者，或者做出其他将温室环境恢复到植物生长最佳条件所需的响应。同样，开发人员可以使用其他PDL组件，通过开发最少的代码，实现对其他接口和控制需求的支持。例如，要使用PWM组件控制LED强度，只需将PWM组件拖到PSoCCreator设计工作区，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、周期和分辨率等（图7）。图7：开发人员可使用PSoCCreator借助Cypress外设驱动程序库(PDL)以框架形式构建功能，也可使用PDL应用程序接口仅在代码级别工作。（图片来源：CypressSemiconductor）在配置组