物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧生態(tài)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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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(wèn)題的最佳方式。藍(lán)牙憑借傳輸快、功耗低、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速有效的數(shù)據(jù)傳輸，將其應(yīng)用到植物照明中會(huì)更有利于植物生長(zhǎng)。文章基于溫室大棚的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)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(dá)到自主應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的目的。也可以通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的控制及管理，方便遠(yuǎn)近程監(jiān)控及調(diào)節(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自主管理以及遠(yuǎn)近程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：照明設(shè)計(jì)；光譜；照度；物聯(lián)網(wǎng)

人們可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將處理器、傳感器和無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境的監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)采集并感知所處環(huán)境的信息，同時(shí)人們可直觀地觀察數(shù)據(jù)，然后再作出相應(yīng)的判斷，這在很大程度上提升了人們對(duì)信息的感知能力。目前管理人員需要將不同功能的測(cè)量?jī)x器事先放到大棚中的各個(gè)位置，測(cè)量時(shí)不能實(shí)時(shí)的讀取大棚中各個(gè)位置的數(shù)據(jù)，且讀取數(shù)據(jù)時(shí)存在的精度差也會(huì)造成讀取的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或錯(cuò)誤。將藍(lán)牙與智能傳感設(shè)備組合在一起，構(gòu)成藍(lán)牙無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚種植環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)，通過(guò)將采集到的數(shù)據(jù)與農(nóng)作物最佳生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如果存在差異，控制中心將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令到相應(yīng)功能的控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)操作，控制節(jié)點(diǎn)用于控制溫室大棚內(nèi)如遮陽(yáng)布、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的打開(kāi)或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，為農(nóng)作物提供生長(zhǎng)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(guò)現(xiàn)代化信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的檢測(cè)，并自動(dòng)調(diào)節(jié)農(nóng)作物環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，從而使農(nóng)作物在最佳環(huán)境中生長(zhǎng)。

1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

從感知到管控的物聯(lián)網(wǎng)體系可分感知層、傳輸層和應(yīng)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(jìn)行傳輸并向終端設(shè)備發(fā)送指令；應(yīng)用層是面向客戶而提供的可視化管控平臺(tái)[3]?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的智慧農(nóng)業(yè)也同樣包含以上三個(gè)層。傳輸層以藍(lán)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_(tái)實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)大棚中濕度不在正常范圍時(shí)，可自動(dòng)控制水閥的開(kāi)關(guān)或管理者通過(guò)移動(dòng)端app控制；當(dāng)大棚中光照度不足或過(guò)高時(shí)，可自動(dòng)控調(diào)節(jié)燈光的亮度或管理者參與調(diào)控。對(duì)于系統(tǒng)中的光照、溫濕度等參數(shù)，可以通過(guò)在路由器或終端設(shè)備中添加傳感器進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚環(huán)境的監(jiān)控[4]；在設(shè)備中添加PWM調(diào)光模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光的亮度的調(diào)節(jié)。

1.2系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)與實(shí)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(duì)設(shè)備進(jìn)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(lái)監(jiān)測(cè)周?chē)h(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(yīng)電容、溫度感應(yīng)二極管，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線傳輸?shù)組CU后，再將采集的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)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(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，植物對(duì)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(lán)色光源作為植物照明系統(tǒng)的主要光源，通過(guò)PWM調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)三色LED燈的亮度實(shí)現(xiàn)不同顏色的光源。通過(guò)控制紅色LED燈（R-LED）、綠色LED燈（G-LED）以及藍(lán)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(shí)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(guò)藍(lán)牙m(xù)esh模塊實(shí)現(xiàn)三路PWM輸出，分別控制紅色LED、綠色LED以及藍(lán)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(lán)、紫、白光等各色光。

2功能驗(yàn)證及測(cè)試

本次功能驗(yàn)證主要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，首先對(duì)數(shù)據(jù)通信及照明進(jìn)行驗(yàn)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(yīng)變化。數(shù)據(jù)采集功能的驗(yàn)證是通過(guò)采集一段時(shí)間數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

2.1照明功能驗(yàn)證

照明驗(yàn)證分為兩組，每組各5個(gè)終端設(shè)備，這10個(gè)設(shè)備構(gòu)建一個(gè)總藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)。將這兩組設(shè)備分別置于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)手機(jī)端app對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行配置，使設(shè)備成為具有相應(yīng)功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。測(cè)試100次并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確保正常工作。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本次測(cè)試搭建的藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)具有較高的穩(wěn)定性，通過(guò)手機(jī)端app發(fā)送的指令都能夠被終端節(jié)點(diǎn)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(duì)RGB三色燈組合形成的多彩測(cè)試，具體效果如下所示。

2.2傳感器測(cè)試驗(yàn)證

傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的濕度、濕度和光照信息通過(guò)藍(lán)牙m(xù)esh節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街悄芙K端APP，管理者可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理當(dāng)前植物生長(zhǎng)環(huán)境。智能終端APP對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù),通過(guò)將溫濕度傳感器采集到的溫度值與當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室溫度進(jìn)行對(duì)比即可驗(yàn)證溫濕度采集功能的可靠性。溫濕度傳感器能夠較為準(zhǔn)確的采集到當(dāng)前環(huán)境的溫濕度。

3結(jié)語(yǔ)

本次研究根據(jù)當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，給出了基于藍(lán)牙m(xù)esh無(wú)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(qiáng)度、不同的光譜對(duì)于植物的生長(zhǎng)都有著顯著的影響，對(duì)此本系統(tǒng)的核心為照明功能的實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)移動(dòng)端app能夠?qū)崿F(xiàn)近遠(yuǎn)程控制燈的亮度和光譜。同時(shí)在系統(tǒng)中增加了智能傳感模塊，用于對(duì)植物生長(zhǎng)的環(huán)境，包括溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)所需功能，設(shè)計(jì)出pwm調(diào)光模塊、照明模塊以及智能傳感模塊，最后驗(yàn)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(dá)智能科技有限公司