Aby bylo možné zrychlit vývoj takového systému, můžeme použít kombinaci hotových modulů a zařízení od společností  Cypress Semiconductor, SparkFun Electronics, a Wurth Electronics. Lze je použít pro jednoduchý systém i pro sofistikovaný systém řízení celého skleníku. Tento článek nejdříve popíše vztah mezi LED osvětlením a rostlinami a pak představí některé hotové řešení a jejich vzájemné použití.

LED osvětlení a zdraví rostlin

Zdraví rostlin závisí na širokém spektru vnějších faktorů, včetně světla, teploty, vlhkosti a úrovní pH půdy. Rostlina je závislá na světle v oblasti fotosyntetického aktivního záření (PAR) ležící mezi 400 nm a 700 nm. 0světlení nesmí mít jen jednu vlnovou délku, nýbrž je nutné pokrýt celou oblast. Celá oblast je důležitá pro správné provedení fotosyntézy. Například chlorofyl A má největší absorpční schopnost při přibližně 435 nm a 675 nm (obr. 1).

Obrázek 1: Zdravý růst rostlin závisí na dostatečném osvětlení při vlnových délkách odpovídajících absorpčnímu spektru různých fotopigmentů. Graf znázorňuje oblast fotosyntetického aktivního záření (PAR). (Zdroj obrázku: Wurth Electronics)

Jiné fotopigmenty, včetně chlorofylu B, beta-karotenu a dalších fotochromů hrají důležitou roli při fotosyntéze. Proto je nutné dodat optimální osvětlení ve více vlnových délkách v oblasti PAR. Rostliny vyžadují různé úrovně intenzity světla, různé cykly světla/tmy a dokonce i různé kombinace vlnových délek. Na zdraví rostlin nemá vliv jen osvětlení. Teplota a vlhkost půdy má vliv na délku a vitalitu kořenů.

Optimální kombinace všech těchto vnějších faktorů se liší pro různé druhy rostlin nebo dokonce v různých stádiích růstu v rámci jednoho druhu. Například mnoho kvetoucích rostlin vyžadují denní délku kratší než 12 hodin, proto se nazývají rostliny "krátkého dne". Rostliny "dlouhého dne", jako je řepa a brambory, kvetou až po vystavení více než 12 hodinám světla.

Prostředí ve sklenících umožňuje zemědělcům a zahradníkům ovládat většinu zmíněných faktorů.  Vybudování systému, který je schopen sledovat a ovládat tyto různé faktory, vyžaduje komplexní systémy podobné složitým průmyslově programovatelným logickým kontrolérům.

Dostupnost jednoduchých elektronických desek a specializovaných LED pro zahradnictví nabízí řešení. Vývojáři mohou snadno vytvořit sofistikovaný skleníkový automatický systém založený na mikroprocesoru PSoC společnosti Cypress Semiconductor. Specializované LED pro zahradnictví dodává společnost Wurth Electronics a doplňkové desky jsou od firmy SparkFun Electronics. Systém obsahuje řadu senzorů a pohonů nutné pro automatizaci.

Vysoce výkonná platforma

Mikroprocesory Cypress z rodiny  PSoC, navržené pro vestavěné aplikace, mají integrováno jádro Arm Cortex-M0 nebo Cortex-M3 a kompletní programovatelné analogové a digitální bloky, které se nazývají univerzální digitální bloky (UDB). Pomocí knihovny ovladačů pro periferie od Cypress (PDL) mohou vývojáři použít UDB k implementaci široké škály funkcí, včetně standardních sériových rozhraní a generátorů různých řídících signálů. Programovatelné I / O bloky podporují logické operace přímo na pinech, Takže dochází k vyhodnocení a řízení i během doby, kdy je procesor v úsporném či hlubokém režimu spánku.

Nejnovější PSoC modul PSoC 6, rozšiřuje rodinu o dvou-jádrové procesory, které kombinují výkon Cortex-M4 jádra s nízkou spotřebou energie jádra Cortex-M0+. Jeden Mbyte Flash paměť, 288 Kbytes SRAM a 128 kilobajtů paměti ROM naleznete v PSoC 62. Další funkce jako je například podpora Bluetooth 5.0 naleznete v PSoC 63.

Moduly PSoC 63 plně podporují standard Bluetooth 5.0, včetně fyzické a linkové vrstvy přímo v hardwaru a stacku s možností přístupu pomocí API (Access Programming Interface) a generic attribute profile (GATT) a generic access profile (GAP) - srdce Bluetooth protokolu.  V rámci každé série existuje modul jako je CY8C6347FMI-BLD53, které v sobě skrývá hardwarové kryptografické akcelerátory.

Mikrokontroléry PSoC 6 jsou schopny splnit všechny požadavky pro komplexní embedded aplikace. Zároveň jejich energetická účinnost jim umožňuje pracovat v aplikacích, kde jsou náročné požadavky na spotřebu. S volitelným provozním napětím 0,9 nebo 1,1 V pro jádro Cortex-M4 potřebuje modul PSoC 6 pro svou činnost jen 22μA / MHz a 15 μA / MHz pro jádro Cortex M0 +.

Pro zjednodušení vývoje aplikací, Cypress poskytuje vývojové kity, které se nazývají Pioneer kit, jak pro PSoC 63, tak i pro PSoC 62. PSoC 6 BLE Pioneer Kit obsahuje 512 Mbit NOR Flash paměť, programátor/debugger Cypress's KitProg2. Napájení je řešeno přes konektor USB Typ-C. Sada PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer Kit s modulem PSoC 62 a s modulem Murata Electronics LBEE5KL1DX, který je založen na čipu Cypress CYW4343WWi-Fi / Bluetooth.

Rozšíření hardwaru

Vývoj aplikace pro řízení procesů v zahradnictví lze použít desku Cypress Pioneer s použitím doplňkové desky vyvinuté ve spolupráci se společností SparkFun Electronics a Digi-Key Electronics.  PSoC Pioneer IoT add-on shield je kompatibilní s Arduino R3 a s konektory pro připojení modulů Qwiic a XBee (obrázek 2). Zapojen do desky PSoC Pioneer umožňuje vývojářům snadno rozšířit sadu desek o senzory pro sledování kvality vzduchu a půdy ve skleníku.

Obrázek 2: PSoC Pioneer IoT (červená deska) rozšiřuje možnosti Cypress Pioneer desky, jako je PSoC 6 BLE Pioneer Kit (modrý) s konektory pro připojení Qwiic a XBee kompatibilních desek. (Zdroj obrázku: SparkFun Electronics)

Pro sledování podmínek ve skleníku se používají desky Qwiic, jako je deska SparkFun SEN-14348 Environmental Combo Breakout, která obsahuje senzory Bosch Sensortec BME280 a ams CCS811. (viz Přidání snímačů kvality vzduchu do Internetu věcí - “Add Compensated Air Quality Sensors to the Internet of Things”).

Bosch BME280 kombinuje digitální senzory, které dokáží poskytovat přesné údaje o teplotě, tlaku a vlhkosti. Jejich spotřeba dosahuje pouhých 3,6 μA při aktualizaci s frekvencí 1Hz. Ams CCS811 poskytuje měření CO2 a celkového obsahu těkavých organických sloučenin (VOC).

Plynové čidlo CCS811, potřebují ke své činnosti zahřívat interní vlákno. Tím se odpovídajícím způsobem zvýší spotřeba energie, které dosáhne až 26 milliwattů (mW) při napájecím napětí 1,8 V v provozním režimu 1. Tento režim poskytuje nejrychlejší dostupnou frekvenci aktualizace 1 Hz. Lze si vybrat i další rychlosti aktualizace, jako je režim 3, který provádí měření jednou za minutu a snižuje spotřebu energie na 1,2 mW.

Pomocí kabelu Qwiic cable pro připojení desky Combo lze naprogramovat snímače Bosch BME280 a CCS811B senzory. Je pro ně připraven ukázkový software, který je k dispozici ve SparkFun github repo.

Kvalita půdy

Kromě okolních podmínek ve skleníku je pro zdraví rostlin zásadní pH půdy a obsah vody. Většina rostlin vyžaduje pH půdy, které je neutrální nebo jen mírně kyselé. Optimální rozsah pH se ale může výrazně lišit. Například brambory rostou nejlépe v kyselých půdách s pH kolem 5,5. Tato úroveň může poškodit rostliny jako je špenát, které preferují mírně alkalické půdy. Současně malé změny v hodnotě pH, dokonce i v optimálním rozsahu, mohou přímo ovlivnit dostupnost živin potřebných k udržení správného růstu (obrázek 3).

Obrázek 3: Malé změny hodnoty pH ovlivňují přímo fyziologii rostlin nebo nepřímo prostřednictvím vlivu na dostupnost živin v půdě. (Zdroj obrázku: Wikimedia Commons)

Snadno lze přidat snímače pH do skleníkových systémů pomocí senzorové sady SparkFun Electronics SEN-10972. Sada obsahuje pH sondu, desku s rozhraním a roztoky pro kalibraci. Pro komunikaci s mikrokontrolérem PSoC se používá standardní výstup UART z pH senzoru.

Alternativně může být pH senzor použit v režimu I2C a připojen přes adaptér SparkFun  DEV-14495 I2C Qwiic. Adaptér SparkFun Qwiic umožňuje snadno používat zařízení komunikující po I2C pomocí konektorového systému Qwiic, jelikož I2C signály jsou přivedeny z Qwicc na pajecí body.

Měření obsahu vody v půdě je stejně snadné. Senzor vlhkosti půdy SparkFun SEN-13322 obsahuje dvě sondy určené k instalaci přímo do půdy a slouží jako proměnný odpor mezi zdrojem napájecího napětí a zemí. Vyšší obsah vlhkosti zvyšuje vodivost mezi sondami, což vede k nižšímu odporu.

Pro tento senzor lze jako zdroj napětí použít integrovaný převodník digitálního převodníku (DAC) v PSoC a jeho analogový digitální převodník (ADC) a jeho registr SAR může být použit k digitalizaci napětí odpovídajícího vlhkosti půdy. Vnitřní operační zesilovače mikrokontroléru mohou být také použity k vyrovnávání výstupu DAC i vstupu ADC.

Mikrokontrolér PSoC 6 obsahuje mnoho DAC výstupů a ADC vstupů, takže je možné přidat více snímačů pH. Některé aplikace mohou navíc vyžadovat vyšší rozlišení. To vyžaduje větší napětí, než je napětí mikrokontroléru VDDA - 3,6 V (max). V těchto případech je nutné přidat externí zesilovače a regulátory napětí.

Spolu s měřením obsahu vody v půdě lze využít funkce GPIO mikrokontroléru PsoC a pomocí PWM ovládat vodní čerpadlo DFRobot FIT0563 s řídící jednotkou DFRobot DRI0044-A. Pro připojení podobných komponent lze použít adaptér  DEV-14352, kde jsou k dispozici Qwiic konektory a velký pájecí plocha pro realizaci svého zapojení (obr. 4).

Obrázek 4: S adaptérem SparkFun Qwiic lze snadno realizovat vlastní obvody a prostřednictvím připojení Qwiic propojit více senzorů. Adaptér se snadno připojí k desce Pioneer.. (Zdroj obrázku: SparkFun)

Osvětlení s LED diodami

Zdravotní stav rostlin závisí na světelném osvětlení ve specifických vlnových délkách. Standartní LED osvětlení nemají spektrální charakteristiky potřebné pro fotosyntézu. Série jednobarevných keramických LED diod řady WL-SMDC od Wurth Electronics splňují požadavky na definované spektrum od tmavě modrého až po hyper červenou (obr. 5).

Obrázek 5: Jednotlivé diody sady WL-SMDC poskytují osvětlení v potřebném spektru potřebném pro růst a vývoj rostlin. (Zdroj obrázku: Wurth Electronics)

Jednotlivé LED diody řady SL-SMDC se musí správně nakombinovat, aby splňovali potřebnou dávku daného spektra v různých fázích vývoje rostlin:

• Tmavě modrá LED 150353DS74500 (vlnová délka 450 nm) a 150353BS74500  modrá LED (dominantní 460 nm) poskytují osvětlení v rozsahu vlnových délek spojených s regulací koncentrace chlorofylu, růstem bočních pupenů a tloušťkou listu.
• Zelená LED 150353GS74500 (vlnová délka 520 nm) a žlutá LED 150353YS74500 (590 nm dominantní) poskytují osvětlení v rozsahu vlnových délek, které byly považovány za nedůležité, ale nyní je známo, že hrají roli v reakcích na vyhýbání se stínu.
• Červená LED 150353RS74500 (dominantní 625 nm) a 150353HS74500 hyper červená (660 nm špička) poskytují osvětlení na vlnových délkách, které se nejvíce podílejí na fotosyntéze, ale také se podílejí na kvetení, dormanci a klíčení semen.
• Velmi červená LED 150353FS74500 (vlnová délka 730 nm) poskytuje osvětlení při vlnových délkách spojených s klíčením rostlin, kvetením, délkou stonku a vyhýbáním se stínu.
• Konečně bílé denní světlo 158353040 nejen zvyšuje pokrytí modrou vlnovou délkou, ale také přispívá k celkovým denním hodnotám celistvého světla (DLI) potřebným pro celkový růst rostlin.

K LED světlům je potřeba najít příslušné LED ovladače, jako je Wurth MagI3C 171032401 nebo Allegro MicroSystems ALT80800, které jsou schopny řídit celé řetězce LED diod. Mnohé z těchto zařízení podporují regulaci stmívání pomocí PWM nebo analogového napětí, což vyžaduje při implementaci jen několik dalších komponent (obrázek 6).

Obrázek 6: Pokročilé ovladače LED, jako je Allegro MicroSystems ALT80800, vyžadují jen několik dalších komponent pro ovládání LED celýchřetězců. Řízení stmívání pomocí PWM nebo analogového vstupu. (Zdroj obrázku: Allegro MicroSystems)

Při navrhování funkce stmívání bychom měli být opatrní při velmi rychlých změnách okamžité úrovně osvětlení. Při vysokých rychlostech PWM může lidská zornice reagovat pouze na průměrnou světelnou intenzitu, což může mít za následek, že se na sítnici mohou dostat impulsy světla se škodlivou úrovní intenzity. Tento efekt se dá zmírnit tím, že se použijí ovladače s konstantním proudem jako je Allegro ALT80800.

Návrh softwaru

Systém pro řízení a získávání dat z jednotlivých senzorů lze sestavit pomocí desky PSoC Pioneer a dalších přídavných desek. To bychom měli hardware a teď se podíváme na software. Vývoj softwaru pro správu senzorů nebo LED diod je téměř stejně jednoduchý jako sestavení hardwaru. Existuje totiž knihovna ovladačů Cypress peripheral drive library(PDL).

Pomocí knihovny můžete rychle implementovat funkci, která způsobí, že se mikrokontrolér probudí, když hodnoty ze senzoru dosáhnou určité úrovně. Například když napětí z čidla vlhkosti půdy indikuje suchou půdu lze pomocí Cypress PSoC Creator nakonfigurovat jeden z integrovaných komparátorů uvnitř mikrokontroléru PSoC, aby generoval přerušení, když úroveň na příslušném analogovém pinu klesne pod nebo se zvýší nad referenční úroveň napětí.

Tuto funkcionalitu nalezneme v ukázkovém kódu, kde se nachází také vzor pro používání komparátoru LPComp (výpis 1). Když přerušení probouzí procesor z režimu hibernace, kód kontroluje hodnotu LPComp. Každých 500 ms tento ukázkový kód používá GPIO pro přepnutí LED diody, pokud hodnota překročí definovaný limit. Když hodnota klesne zpět pod definovanou úroveň, kód vrátí procesor do režimu hibernace.

Výpis 1: Ukázkový kód Cypress pro použití komparátoru v PSoC 6, který při překročení určité úrovně zbudí mikrokontrolér a při poklesu pod definovanou úroveň signálu vrátí mikrokontrolér zpět do stavu hibernace (Zdroj kódu: Cypress Semiconductor)

U skleníkových řídicích systémů může být stejný vzor použit pro zapnutí vodního čerpadla v reakci na nízkou vlhkost půdy, zapnutí ventilátorů v reakci na vysokou okolní teplotu, upozornění vlastníka skleníku, pokud hodnota pH klesne mimo požadovaný rozsah, nebo reagovat s mnoha dalšími akcemi, které se obvykle vyžadují pro obnovení skleníkového prostředí do optimálních podmínek pro růst rostlin.

Vývojáři mohou podobně využívat jiné součásti knihovny PDL s minimálním úsilím na vývoj kódu. Chcete-li například použít PWM pro řízení intenzity LED, jednoduše přetáhnete komponentu PWM na plochu designu PSoC Creatoru a použijte příslušný konfigurační popup pro nastavení konkrétních parametrů PWM jako je režim, perioda, rozlišení, střída atd. (obrázek 7).

Obrázek 7: PSoC Creator může schematicky vytvářet funkčnost pomocí knihovny ovladačů Cypress (PDL) nebo rozhraní aplikace PDL může být použito výhradně pro práci na úrovni kódu. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)

Po konfiguraci komponenty a dokončení návrhu se PSoC Creator používá k vytvoření základního kódového rámce a podle potřeby se přidá vlastní kód. Pomocí tohoto kódového rámce získáme hlubší znalosti o funkcích ještě před tím, než začneme naplno využívat knihovnu PDL jako API pro přímí přístup k základním funkcím.

Tímto postupem lze rychle implementovat kód nezbytný pro podporu všech funkcí popsaných v tomto článku. Řídící systém v malém skleníku se může skládat jen z jedné desky Pioneer a rozšiřující destičky PSoC Pioneer IoT pro podporu potřebných senzorů, akčních členů a LED. Pro nasazení ve velkém skleníku je efektivní rozdělit funkce jako měření pH půdy, měření teploty okolí či ovládání LED osvětlení pomocí přídavných desek PSoC 4 BLE Pioneer.

Vzhledem k tomu, že PSoC Pioneer IoT Shield je kompatibilní s touto deskou, je snadné nakonfigurovat každou sadu desek s příslušnými senzory zvlášť. Následně desky založené na  PSoC 4 můžeme propojit přes Bluetooth s jednou nebo více PSoC 6 deskami nebo využít Wi-Fi připojení PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer Kit pro připojení ke cloudovým službám jako je například ThingSpeak pro analýzu a zobrazení dat (obrázek 8).

Obrázek 8: Vývojáři mohou kombinovat více systémů založených na PSoC, včetně sady PSoC 4 BLE Pioneer a PSoC 6 Pioneer kitu pro podporu složitých aplikací spojených s cloudovými službami, jako je ThingSpeak. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)

V tomto případě mohou vývojáři využívat podporu Cypress Bluetooth pro doplnění bezpečnostních prvků k ochraně připojení ke cloudu. (viz "Vytvoření bezpečného, ​​bezdrátového Bluetooth Hubu a Senzorových sítí -  Build a Secure, Low-Power Bluetooth Hub and Sensor Network").

Závěr

Automatizované řídicí systémy pro skleníky lze sestavit z průmyslových kontrolérů spojených s komplexními osvětlovacími systémy, čidly a pohony. Můžeme využít levnější mikropočítačové desky a přídavné desky k vytvoření efektivních platforem, které dokáží využít široké spektrum dostupných senzorů a pohonů. S dostupností specializovaných LED pro zahradnictví mají vývojáři k dispozici mnoho nástrojů a potřebných komponent pro implementaci sofistikovaných aplikací, které jsou schopny vzdáleně monitorovat a kontrolovat mnoho faktorů spojených se zdravým růstem a vývojem rostlin. Pro podrobné informace o LED osvětlení určené přímo pro zahradnické účely si můžete přečíst „ LED diody - budoucnost zahradnického osvětlení - EDs – The Future of Horticultural Lighting“

Článek vyšel v originále "Use Add-On Boards to Quickly Build a Powerful IoT-Based Greenhouse LED Lighting and Sensor System)"  na webu DigiKey.com, autorem je Stephen Evanczuk