物聯網技術的智慧生態照明系統設計

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摘要：為了提高生產效率,減少人力、物力的投入，發展智慧農業已成為解決問題的最佳方式。藍牙憑借傳輸快、功耗低、自組網等特點，可實現快速有效的數據傳輸，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，達到自主應對環境變化的目的。也可以通過手機APP實現對光源的控制及管理，方便遠近程監控及調節。通過實驗驗證，該系統可以實現自主管理以及遠近程監控。

關鍵詞：照明設計；光譜；照度；物聯網

人們可通過物聯網技術將處理器、傳感器和無線通信技術應用到環境的監測中，實現采集并感知所處環境的信息，同時人們可直觀地觀察數據，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據，且讀取數據時存在的精度差也會造成讀取的數據不準確或錯誤。將藍牙與智能傳感設備組合在一起，構成藍牙無線傳感器節點，能夠實現對農業溫室大棚種植環境數據進行實時采集，同時，通過將采集到的數據與農作物最佳生長環境參數進行對比，如果存在差異，控制中心將通過無線網絡發送控制命令到相應功能的控制節點執行相應操作，控制節點用于控制溫室大棚內如遮陽布、風機、水泵等設備的打開或關閉，實現實時調整農作物生長環境，為農作物提供生長所需的最佳溫度、水分、光照等，有效的提高產量和質量。

1智慧生態照明系統模塊

智慧生態通過現代化信息技術實現對農作物生長環境的檢測，并自動調節農作物環境調節設備，從而使農作物在最佳環境中生長。

1.1系統整體設計

從感知到管控的物聯網體系可分感知層、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據進行傳輸并向終端設備發送指令；應用層是面向客戶而提供的可視化管控平臺[3]?；谖锫摼W技術發展起來的智慧農業也同樣包含以上三個層。傳輸層以藍牙mesh技術作為近距離數據傳輸方式，也可以利用WIFI技術將數據傳輸到云平臺實現超遠距離數據傳輸。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，可自動控調節燈光的亮度或管理者參與調控。對于系統中的光照、溫濕度等參數，可以通過在路由器或終端設備中添加傳感器進行采集，實現對大棚環境的監控[4]；在設備中添加PWM調光模塊，能夠實現對光的亮度的調節。

1.2系統硬件部分設計與實現

系統硬件部分包括主控模塊、數據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數據采集模塊數據采集模塊目前主要采用溫濕度傳感器和照度傳感器來監測周圍環境。Si7021是一種帶I2C接口的溫濕度傳感器，它在內部集成濕度感應電容、溫度感應二極管，采集到的數據通過I2C總線傳輸到MCU后，再將采集的二進制數據轉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境，光源采用紅色、綠色和藍色光源作為植物照明系統的主要光源，通過PWM調節紅、綠、藍三色LED燈的亮度實現不同顏色的光源。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，據此就可以實現任意顏色的光源。由RGB全光譜照明LED電路原理圖可知通過藍牙mesh模塊實現三路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，首先對數據通信及照明進行驗證，確保數據能夠快速有效的傳輸，觀察照明光源是否按照指令執行相應變化。數據采集功能的驗證是通過采集一段時間數據并與標準數據進行對比。

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個設備構建一個總藍牙mesh網絡。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絡節點。測試100次并進行統計，確保正常工作。多次實驗結果表明，本次測試搭建的藍牙mesh網絡具有較高的穩定性，通過手機端app發送的指令都能夠被終端節點正確接收。Led燈亮度調節效果如下所示，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

傳感器網絡將采集到的濕度、濕度和光照信息通過藍牙mesh節點傳輸到智能終端APP，管理者可實時監測和管理當前植物生長環境。智能終端APP對傳感器采集到的數據,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境的溫濕度。

3結語

本次研究根據當前智慧農業的發展狀況，給出了基于藍牙mesh無線通信技術的智慧農業植物照明系統。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，對此本系統的核心為照明功能的實現，即通過移動端app能夠實現近遠程控制燈的亮度和光譜。同時在系統中增加了智能傳感模塊，用于對植物生長的環境，包括溫度、濕度等數據進行實時監測和調節。根據系統所需功能，設計出pwm調光模塊、照明模塊以及智能傳感模塊，最后驗證了該系統的可行性。

參考文獻：

[1]蘭峰，鐘志宏，楊眉，等.物聯網技術在智慧農業中的應用與推廣[J].農業工程技術，2016，36（15）：76-77.

[2]吳瑋瑋.電子產品開發系統Altium的研究及應用[J].電子制作，2015，22（3）：80.

[3]郭福洲.基于物聯網技術的智慧農業實施方案研究[J].通訊世界，2017，24（19）：42-43.

[4]韓子鑫，齊瑞鋒，楊文挺.智慧農業發展中物聯網技術在設施農業中的應用[J].中國農業文摘-農業工程，2017，29（6）：21-23.

作者：張華 丁攀峰 單位：東莞廣達智能科技有限公司