物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧生態(tài)照明系統(tǒng)設計
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摘要：為了提高生產(chǎn)效率,減少人力、物力的投入，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)已成為解決問題的最佳方式。藍牙憑借傳輸快、功耗低、自組網(wǎng)等特點，可實現(xiàn)快速有效的數(shù)據(jù)傳輸，將其應用到植物照明中會更有利于植物生長。文章基于溫室大棚的應用需求，設計出主控模塊、傳感器模塊和功能模塊。改變光照度或色溫等，達到自主應對環(huán)境變化的目的。也可以通過手機APP實現(xiàn)對光源的控制及管理，方便遠近程監(jiān)控及調(diào)節(jié)。通過實驗驗證，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)自主管理以及遠近程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：照明設計；光譜；照度；物聯(lián)網(wǎng)
人們可通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將處理器、傳感器和無線通信技術(shù)應用到環(huán)境的監(jiān)測中，實現(xiàn)采集并感知所處環(huán)境的信息，同時人們可直觀地觀察數(shù)據(jù)，然后再作出相應的判斷，這在很大程度上提升了人們對信息的感知能力。目前管理人員需要將不同功能的測量儀器事先放到大棚中的各個位置，測量時不能實時的讀取大棚中各個位置的數(shù)據(jù)，且讀取數(shù)據(jù)時存在的精度差也會造成讀取的數(shù)據(jù)不準確或錯誤。將藍牙與智能傳感設備組合在一起，構(gòu)成藍牙無線傳感器節(jié)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)溫室大棚種植環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時采集，同時，通過將采集到的數(shù)據(jù)與農(nóng)作物最佳生長環(huán)境參數(shù)進行對比，如果存在差異，控制中心將通過無線網(wǎng)絡發(fā)送控制命令到相應功能的控制節(jié)點執(zhí)行相應操作，控制節(jié)點用于控制溫室大棚內(nèi)如遮陽布、風機、水泵等設備的打開或關(guān)閉，實現(xiàn)實時調(diào)整農(nóng)作物生長環(huán)境，為農(nóng)作物提供生長所需的最佳溫度、水分、光照等，有效的提高產(chǎn)量和質(zhì)量。
1智慧生態(tài)照明系統(tǒng)模塊
智慧生態(tài)通過現(xiàn)代化信息技術(shù)實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的檢測，并自動調(diào)節(jié)農(nóng)作物環(huán)境調(diào)節(jié)設備，從而使農(nóng)作物在最佳環(huán)境中生長。
1.1系統(tǒng)整體設計
從感知到管控的物聯(lián)網(wǎng)體系可分感知層、傳輸層和應用層。感知層是利用傳感器感知外界的信息，如溫度傳感器感知外界溫度；傳輸層是將感知層采集的數(shù)據(jù)進行傳輸并向終端設備發(fā)送指令；應用層是面向客戶而提供的可視化管控平臺[3]?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來的智慧農(nóng)業(yè)也同樣包含以上三個層。傳輸層以藍牙m(xù)esh技術(shù)作為近距離數(shù)據(jù)傳輸方式，也可以利用WIFI技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_實現(xiàn)超遠距離數(shù)據(jù)傳輸。當大棚中濕度不在正常范圍時，可自動控制水閥的開關(guān)或管理者通過移動端app控制；當大棚中光照度不足或過高時，可自動控調(diào)節(jié)燈光的亮度或管理者參與調(diào)控。對于系統(tǒng)中的光照、溫濕度等參數(shù)，可以通過在路由器或終端設備中添加傳感器進行采集，實現(xiàn)對大棚環(huán)境的監(jiān)控[4]；在設備中添加PWM調(diào)光模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對光的亮度的調(diào)節(jié)。
1.2系統(tǒng)硬件部分設計與實現(xiàn)
系統(tǒng)硬件部分包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和功能模塊。主控模塊采用芯科公司的EFR32MG12P系列芯片，可有效對設備進行管理和控制。
1.2.1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊目前主要采用溫濕度傳感器和照度傳感器來監(jiān)測周圍環(huán)境。Si7021是一種帶I2C接口的溫濕度傳感器，它在內(nèi)部集成濕度感應電容、溫度感應二極管，采集到的數(shù)據(jù)通過I2C總線傳輸?shù)組CU后，再將采集的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應的濕度和溫度即可。
1.2.2功能模塊作為照明系統(tǒng)的核心部分，光源的選擇尤為重要。研究表明，光的光譜、亮度會對植物的生長產(chǎn)生影響，植物對不同光譜的吸收也不盡相同為了給植物提供最佳的照明環(huán)境，光源采用紅色、綠色和藍色光源作為植物照明系統(tǒng)的主要光源，通過PWM調(diào)節(jié)紅、綠、藍三色LED燈的亮度實現(xiàn)不同顏色的光源。通過控制紅色LED燈（R-LED）、綠色LED燈（G-LED）以及藍色LED燈（B-LED）的亮度，形成一定的配比，即可搭配出各種顏色的光源。根據(jù)RGB三原色配色表可知，按照255∶165∶0的比例可以配置出橙色，165∶32∶240可以搭配出紫色等，據(jù)此就可以實現(xiàn)任意顏色的光源。由RGB全光譜照明LED電路原理圖可知通過藍牙m(xù)esh模塊實現(xiàn)三路PWM輸出，分別控制紅色LED、綠色LED以及藍色LED的亮度，根據(jù)配色表給出的比例，即可配置出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫、白光等各色光。
2功能驗證及測試
本次功能驗證主要在實驗室進行的，首先對數(shù)據(jù)通信及照明進行驗證，確保數(shù)據(jù)能夠快速有效的傳輸，觀察照明光源是否按照指令執(zhí)行相應變化。數(shù)據(jù)采集功能的驗證是通過采集一段時間數(shù)據(jù)并與標準數(shù)據(jù)進行對比。
2.1照明功能驗證
照明驗證分為兩組，每組各5個終端設備，這10個設備構(gòu)建一個總藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡。將這兩組設備分別置于兩個實驗室，通過手機端app對終端設備進行配置，使設備成為具有相應功能的網(wǎng)絡節(jié)點。測試100次并進行統(tǒng)計，確保正常工作。多次實驗結(jié)果表明，本次測試搭建的藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡具有較高的穩(wěn)定性，通過手機端app發(fā)送的指令都能夠被終端節(jié)點正確接收。Led燈亮度調(diào)節(jié)效果如下所示，led燈將逐漸由暗變亮。對RGB三色燈組合形成的多彩測試，具體效果如下所示。
2.2傳感器測試驗證
傳感器網(wǎng)絡將采集到的濕度、濕度和光照信息通過藍牙m(xù)esh節(jié)點傳輸?shù)街悄芙K端APP，管理者可實時監(jiān)測和管理當前植物生長環(huán)境。智能終端APP對傳感器采集到的數(shù)據(jù),通過將溫濕度傳感器采集到的溫度值與當前實驗室溫度進行對比即可驗證溫濕度采集功能的可靠性。溫濕度傳感器能夠較為準確的采集到當前環(huán)境的溫濕度。
3結(jié)語
本次研究根據(jù)當前智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展狀況，給出了基于藍牙m(xù)esh無線通信技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)植物照明系統(tǒng)。研究表明，不同的光強度、不同的光譜對于植物的生長都有著顯著的影響，對此本系統(tǒng)的核心為照明功能的實現(xiàn)，即通過移動端app能夠?qū)崿F(xiàn)近遠程控制燈的亮度和光譜。同時在系統(tǒng)中增加了智能傳感模塊，用于對植物生長的環(huán)境，包括溫度、濕度等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)所需功能，設計出pwm調(diào)光模塊、照明模塊以及智能傳感模塊，最后驗證了該系統(tǒng)的可行性。
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作者：張華 丁攀峰 單位：東莞廣達智能科技有限公司
