阮秀凱， 倪 釧

(溫州大學(xué)電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，溫州 325035)

0 引言

植物生長發(fā)育其實(shí)就是基因的表達(dá)過程，除了受到遺傳因素影響外，也受到外在環(huán)境因子(溫度、光、濕度、氣體以及病原因子等)的調(diào)控。光的照射周期、光照強(qiáng)度以及光質(zhì)，不斷地影響著植物的生長發(fā)育。此外，植物生長的各階段也是需要不同的光質(zhì)，所需的光質(zhì)種類是不連續(xù)的、有選擇性的。紅光和藍(lán)光是植物正常生長和發(fā)育的必需光，其他一些可見光和遠(yuǎn)紅光是有益的光質(zhì)。

近年隨著大功率單色光發(fā)光二極管(LED)技術(shù)的不斷發(fā)展，LED具有體積小、壽命長、效率高、光譜可控和可近距離照明等已成為植物照明的首選光源；根據(jù)植物的需要，LED可用于合成特定的光照光譜，有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的照明環(huán)境，與傳統(tǒng)的人造光源相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，市面上常用LED植物照明設(shè)備通常只有固定光譜，難以準(zhǔn)確地滿足不同植物的生長需求，但若是根據(jù)不同植物不同生長階段不斷更換設(shè)備，將會(huì)極大地增加成本。

另一方面，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的出現(xiàn)提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和農(nóng)業(yè)裝備精準(zhǔn)化水平，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化的新興技術(shù)。目前農(nóng)業(yè)IoT技術(shù)主要有ZigBee、藍(lán)牙、WiFi及有線等方式，但這些技術(shù)面臨通信距離較短、功耗大、因通信協(xié)議限制容易導(dǎo)致終端數(shù)量飽和等問題。而基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)，在同樣帶寬頻段下，比現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)增益超過20dB，相當(dāng)于將覆蓋區(qū)域增加100倍，形成深度覆蓋和大規(guī)模連接M2M系統(tǒng)的能力。而且，它具有較長的待機(jī)時(shí)間、良好的功率控制和數(shù)據(jù)連接能力，并逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)的主流。通過NB-IoT與傳感器的連接，為農(nóng)業(yè)智能化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供良好的保障。

對(duì)于植物生長補(bǔ)光燈，智能照明的引入可以根據(jù)不同植物的生長周期進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控操作，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)工業(yè)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)智能化，在精確的時(shí)間和地點(diǎn)應(yīng)用補(bǔ)充光線有助于優(yōu)化能源使用，也有助于研究人員更好地了解光譜波長和其他生長條件之間的相互作用,也能更好地發(fā)揮植物生長中光質(zhì)的作用。鑒此，本文將LED光譜可調(diào)植物照明技術(shù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款基于NB-IoT的分布式LED智慧照明系統(tǒng)，能夠自由調(diào)節(jié)各種光質(zhì)比例的。該系統(tǒng)采用中移物聯(lián)的M5310模塊進(jìn)行通信，MBI5030芯片對(duì)LED燈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并使用各種環(huán)境傳感器，把采集的傳感器數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)，平臺(tái)可以下發(fā)命令調(diào)節(jié)紅藍(lán)光質(zhì)比。NB-IoT技術(shù)的使用可直接實(shí)現(xiàn)無網(wǎng)關(guān)化，結(jié)合用戶需求和植物生長所需環(huán)境，智能地調(diào)節(jié)植物生長所需的光照，促進(jìn)了植物生長。

1 技術(shù)介紹

1.1 NB-IoT技術(shù)

NB-IoT是3GPP定義的基于窄帶的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與物聯(lián)網(wǎng)中的其他技術(shù)相比，NB-IoT具有很大的優(yōu)勢(shì)。NB-IoT是低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)(LPWAN)網(wǎng)絡(luò)的重要分支，也是萬物互聯(lián)的重要組成部分。除了LPWAN技術(shù)中的NB-IoT，主流窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括LoRa和SigFox技術(shù)，三者之間的數(shù)據(jù)比較見表1，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)。

(1)與LoRa和SigFox技術(shù)相比，NB-IoT技術(shù)在覆蓋范圍、功耗、連接數(shù)和峰值速率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(2)由于LoRa和SigFox處于未許可頻段且規(guī)模小，因此會(huì)有或多或少的信號(hào)干擾問題，降低傳輸過程的可靠性和安全性，且不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商級(jí)的WAN部署操作，更適合企業(yè)建立自己的局域網(wǎng)以滿足個(gè)性化需求。相比之下，NB-IoT處于許可頻段，具有更高的傳輸可靠性，良好的QoS(服務(wù)質(zhì)量)保證和更強(qiáng)的傳輸安全性。

(3)NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，僅消耗大約180 kHz的帶寬，從而可以在現(xiàn)有的2G、3G和4G網(wǎng)絡(luò)基站上進(jìn)行部署升級(jí)?；趥鹘y(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所不具備的超低功耗技術(shù)，該設(shè)備的電池壽命可長達(dá)10年，并且可在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)蜂窩數(shù)據(jù)連接的全面覆蓋。此外，NB-IoT還可以在數(shù)據(jù)收集后無需經(jīng)過網(wǎng)關(guān)，直接上傳到云，簡化了現(xiàn)場(chǎng)部署。

1.2 LED光源

光是植物重要的一個(gè)生態(tài)因子，影響著植物的生長發(fā)育，刺激和支配植物組織和器官的分化。在一定程度上決定著植物器官的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且具有形態(tài)建成的作用。植物光合作用光譜響應(yīng)函數(shù)如圖1所示,在太陽光譜中，參與植物光合作用的主要是400～520nm的藍(lán)光和610～720nm的紅光，因此一般的植物燈有做成紅藍(lán)組合、全藍(lán)、全紅三種形式，用來提供紅、藍(lán)兩種波長的光線，覆蓋植物行光合作用所需的波長范圍。為了實(shí)現(xiàn)植物生長和其品質(zhì)的特殊目標(biāo)，需要在紅藍(lán)組合光基礎(chǔ)補(bǔ)外加一些特殊光質(zhì)成分，包括紅、藍(lán)光以外的其他可見光、UV和遠(yuǎn)紅光等。

LPWAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比 表1

圖1 植物光合作用光譜響應(yīng)函數(shù)

光照的光質(zhì)包含了引導(dǎo)植物改變其生物特征來適應(yīng)和生存的環(huán)境信息，由于LED燈具有高度可定義的光譜特性，因此LED光源可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。相比傳統(tǒng)形式的農(nóng)業(yè)照明，LED燈具體積小、發(fā)光效率高、壽命長、散熱溫度低、綠色環(huán)保，可以對(duì)LED光源進(jìn)行定量的輸出輻射強(qiáng)度，使LED比許多其他光源更適用于基于植物的應(yīng)用。

LED光源是傳統(tǒng)植物光源(如高壓鈉燈和熒光燈)的理想替代品，其節(jié)能效果非常明顯。在植物照明中，為實(shí)現(xiàn)光源光譜的靈活性和適應(yīng)性，應(yīng)結(jié)合智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同植物各生長期的光譜配比。LED光源也可以應(yīng)用于植物正常生長中的補(bǔ)充光照，物理化學(xué)測(cè)量表明，在不同補(bǔ)充光照條件下生長的果實(shí)之間有輕微變化。

因此，結(jié)合植物生長所需光照和LED光源的特點(diǎn)，本研究的LED燈組采用大功率紅、藍(lán)光燈珠進(jìn)行組合，并且加入少量綠光、黃光、紅外和紫外燈珠以適應(yīng)少數(shù)需要加入特殊光質(zhì)生長的植物。

1.3 OneNET平臺(tái)

1.3.1 OneNET介紹

本設(shè)計(jì)的室內(nèi)植物智能照明系統(tǒng)基于OneNET平臺(tái)，對(duì)所有硬件終端系統(tǒng)開放，可作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)的平臺(tái)，減少需要另設(shè)服務(wù)器的支出。OneNET支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務(wù)，并支持各行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，有效降低了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和部署的成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)級(jí)服務(wù)需求。OneNET的云存儲(chǔ)服務(wù)中心具有高并發(fā)、大存儲(chǔ)、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，專門用來解決數(shù)據(jù)接入之后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。因此筆者認(rèn)為，將植物智慧照明系統(tǒng)接入OneNET平臺(tái)是一個(gè)較好的選擇。對(duì)于OneNET的遠(yuǎn)程控制，只要是可以訪問網(wǎng)頁、與云平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接的設(shè)備，皆可作為遠(yuǎn)程控制端。

1.3.2 平臺(tái)接入?yún)f(xié)議

OneNET對(duì)使用NB-IoT接入的設(shè)備使用LWM2M(Light Weight Machine to Machine)協(xié)議接入。LWM2M是OMA(開放移動(dòng)聯(lián)盟)組織制定的輕量化的M2M協(xié)議，適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的輕量級(jí)協(xié)議，可以有效地節(jié)省使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)資源，其利用開放的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，已成為基于REST的物聯(lián)網(wǎng)管理的有力競爭者。LWM2M協(xié)議層次結(jié)構(gòu)如圖2所示,LWM2M是在CoAP(Constrained Application Protocol)協(xié)議之上的應(yīng)用層協(xié)議，而CoAP可以進(jìn)行DTLS(Datagram Transport Layer Security)加密處理，最后通過UDP(User Datagram Protocol)或SMS(Short Messaging Service)方式傳送。

圖2 LWM2M協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

依據(jù)NB-IoT平臺(tái)部署模式，基于NB-IoT的室內(nèi)植物照明系統(tǒng)主要由終端控制器、通信傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 植物智能照明系統(tǒng)架構(gòu)圖

終端控制器主要由STM32F103開發(fā)板、M5310通信模塊、MBI5030芯片以及低功耗環(huán)境信息采集傳感器構(gòu)成，可通過NB-IoT射頻信號(hào)與基站通信，對(duì)LED燈組模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，能夠從遠(yuǎn)程控制臺(tái)接收控制命令并實(shí)時(shí)上傳環(huán)境信息，以監(jiān)視和控制植物照明系統(tǒng)的操作。

通信傳輸系統(tǒng)是構(gòu)建大區(qū)域跨平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)，由基站、NB-IoT核心網(wǎng)和OneNET平臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)NB-IoT信號(hào)所覆蓋區(qū)域植物照明的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通信傳輸系統(tǒng)采用移動(dòng)部署的基站連接終端控制器及OneNET平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控端相連接。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端是整個(gè)植物照明智能控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、管理以及遠(yuǎn)程控制。根據(jù)不同植物在各生長階段所需的光照要求，對(duì)燈光進(jìn)行控制，達(dá)到最佳的生長所需光照。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括5個(gè)部分：主控電路、NB-IoT通信模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路、環(huán)境傳感器、LED燈組，其設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。其中主控電路由STM32F103開發(fā)板構(gòu)成，負(fù)責(zé)處理接收和收集到的數(shù)據(jù)。環(huán)境傳感器采用SHT10、BH1750和MH-Z14低功耗環(huán)境信息采集傳感器，分別用于獲取溫室環(huán)境內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度以及CO2濃度。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

NB-IoT通信模塊電路主要用于設(shè)備通信，其設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示，通信模塊使用中移動(dòng)M5310模塊，與專用的移動(dòng)NB-IoT物聯(lián)卡進(jìn)行交互，將環(huán)境數(shù)據(jù)通過天線直接發(fā)送到NB-IoT基站。M5310模組在推出時(shí)就是全球尺寸最小的使用eSIM的NB-IOT通信模組，并支持OneNET平臺(tái)協(xié)議。通信模塊電源采用5V的MCU供電，使用XC6206P33進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，為確保有更好的電源供電性能，在靠近NB-IoT的電源輸入端并聯(lián)有兩個(gè)1μF的濾波電容；在RF天線的電路設(shè)計(jì)中，專業(yè)阻抗模擬計(jì)算工具用于PCB走線，以對(duì)天線執(zhí)行50Ω阻抗控制，并保留π型匹配電路，方便調(diào)整射頻性能，保證射頻信號(hào)的良好可靠。

圖5 NB-IoT通信模塊電路圖

LED驅(qū)動(dòng)電路中采用了MBI5030芯片，可以對(duì)16顆不同的LED燈珠采用PWM調(diào)制來控制各個(gè)LED燈的亮度。每個(gè)LED組燈有16顆LED燈珠，主要采用在可見光中的11個(gè)不同波段的LED燈珠組合，而且還搭配了紅外和紫外燈珠，對(duì)植物生長中所需的各類光照給予全方面的支持。

2.3 用戶監(jiān)控端設(shè)計(jì)

OneNET平臺(tái)提供了相應(yīng)的應(yīng)用編輯器，用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)綁定設(shè)備數(shù)據(jù)流的可視化，也可以直接給設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。利用該編輯器，設(shè)計(jì)了如圖6所示的用戶監(jiān)控端界面。該客戶端可以顯示儲(chǔ)存在OneNET服務(wù)器上的溫濕度、光強(qiáng)等數(shù)據(jù)，也可以給照明設(shè)備發(fā)送命令，來控制LED組燈中每個(gè)燈珠的亮度，合成出不同的光譜光照需求。只需要通過網(wǎng)頁打開，用戶就可以在PC和手機(jī)端操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)試。

圖6 用戶監(jiān)控端界面

3 LED光譜擬合

燈板采用11個(gè)不同波段的LED燈珠組合，圖7為所用到的不同波段LED光譜功率分布。

圖7 LED光譜功率分布

在合成所需光譜時(shí)，利用光譜疊加原理，把不同峰值波長的LED光譜疊加在一起，來合成目標(biāo)光譜。由光譜疊加原理得到的LED光譜合成的數(shù)學(xué)模型為:

L(λ)=∑ejSj(λ)

(1)

式中，L(λ)為目標(biāo)光譜曲線，ej為未知系數(shù)，Sj(λ)為單個(gè)LED光譜分布曲線，j為LED波段數(shù)。

筆者以某廠商公開的植物照明光譜數(shù)據(jù)作為目標(biāo)光譜，如圖8所示。把所有數(shù)據(jù)以10nm間隔采樣，根據(jù)式(1)列出超定方程，采用最小二乘法求得每個(gè)燈珠的系數(shù)ej，再疊加求得圖8中的光譜，最后把求得的系數(shù)通過相應(yīng)編碼處理后，通過客戶端發(fā)送到照明系統(tǒng)，其實(shí)際測(cè)得光譜功率如圖9所示。

圖8 目標(biāo)光譜和所求光譜相對(duì)分布

圖9 照明系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得光譜功率

4 結(jié)束語