Verwenden Sie Add-On-Boards, um schnell ein leistungsstarkes IoT-basiertes LED-Beleuchtungs- und Sensorsystem für Gewächshäuser aufzubauen

Von Stephen Evanczuk

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Das Internet der Dinge (Internet of things, IoT) kann im Gartenbau bei der Überwachung und Pflege der Pflanzen mit einer Kombination von Sensoren und speziellen Gartenbau-LEDs eine Schlüsselrolle spielen. Allerdings kann die Anpassung und Implementierung der richtigen Computerplattform für das IoT mit den erforderlichen Peripheriebausteinen, Sensoren, LEDs und Vernetzungsmöglichkeiten zeitraubend werden und sowohl das Budget als auch den Zeitplan gefährden.

Dieses Risiko kann mit einer Kombination aus Board- und Bausteinlösungen von Cypress Semiconductor, SparkFun Electronics und Würth Elektronik und weiteren Komponenten reduziert werden. Diese vereinfachen den Entwicklungsprozess erheblich und erlauben gleichzeitig die schnelle Entwicklung von ausgeklügelten Steuerungssystemen für Treibhäuser.

In diesem Artikel wird die Beziehung zwischen LEDs und der Pflanzengesundheit erörtert, und danach werden die obigen Lösungen vorgestellt und ihr Zusammenwirken beschrieben.

LEDs und Pflanzengesundheit

Die Pflanzengesundheit hängt von einer Vielzahl von äußeren Faktoren ab. Dazu gehören Licht, Temperatur, Feuchtigkeit des Bodens und pH-Werte. Pflanzen reagieren sowohl auf die Gesamtheit dieser verschiedenen Faktoren als auch auf bestimmte Kennwerte jedes einzelnen dieser Faktoren. Eine Pflanze hängt z. B. von dem innerhalb des Bereichs der für die Photosynthese aktiven Strahlung (Photosynthetic Active Radiation, PAR) empfangenen Lichts ab. Dieser Bereich liegt zwischen 400 und 700 nm (Nanometer). Allerdings benötigen Pflanzen keineswegs eine gleichmäßige Beleuchtung über den gesamten Bereich. Sie benötigen Licht bestimmter Wellenlängen, die dem Absorptionsspektrum der verschiedenen an der Photosynthese beteiligten Photopigmente entsprechen.

Die Absorptionsspitzen von Chlorophyll A liegen bei etwa 435 und 675 nm (Abbildung 1).

Diagramm: Beleuchtung mit Wellenlängen, die dem Absorptionsspektrum verschiedener Photopigmente entsprechen

Abbildung 1: Das Pflanzenwachstum hängt von einer ausreichenden Beleuchtung ab, deren Wellenlängen dem Absorptionsspektrum der in verschiedenen Abschnitten des gesamten PAR-Bereichs aktiven Photopigmente entsprechen. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Auch andere Photopigmente wie Chlorophyll B, Beta-Carotin und weitere photochrome Verbindungen spielen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese. So ist es für eine optimale Beleuchtung von Pflanzen erforderlich, Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen innerhalb des PAR-Bereichs zu liefern.

Wie bei jedem lebenden Organismus sind die Faktoren, die die Gesundheit von Pflanzen beeinflussen, nicht auf eine einfache Gruppe von Wellenlängen oder statischen Beleuchtungsstufen beschränkt. Pflanzen benötigen verschiedene Intensitätsstufen bei der Beleuchtung, verschiedene Hell-Dunkel-Zyklen und sogar verschiedene Kombinationen von Wellenlängen je nach der Stufe innerhalb des Wachstumszyklus. Ebenso können Temperatur und Feuchtigkeit des Bodens die Länge der Wurzeln beeinflussen.

Die optionale Kombination von Kennwerten für jeden der Faktoren kann für verschiedene Pflanzenarten und sogar für dieselbe Art in verschiedenen Wachstumsstadien unterschiedlich sein. Manche Blühpflanzen erwarten z. B., dass ihr Tag kürzer als 12 Stunden ist. Im Gegensatz zu diesen Pflanzen mit „kurzen Tagen“ blühen Pflanzen mit „langen Tagen“ wie Rüben oder Kartoffeln nur bei mehr als 12 Stunden Tageslicht.

In Gewächshäusern können die Landwirte oder Hobbygärtner die meisten dieser Faktoren steuern. Allerdings stellte der Mangel an kosteneffizienten Systemplattformen, Peripheriebausteinen und auch an geeigneten Lichtquellen ein Hindernis für die Entwicklung von Steuerungssystemen für Gewächshäuser dar. Für den Aufbau eines Systems, das in der Lage war, diese verschiedenen Faktoren zu überwachen und zu verwalten, waren Systeme erforderlich, die einer komplexen industriellen speicherprogrammierbaren Steuerung ähneln.

Heutzutage sind die im Handel verfügbaren Boards und spezielle Gartenbau-LEDs eine einfache Alternative. Mit Boards auf Grundlage des PSoC-Mikrocontrollers von Cypress Semiconductor, speziellen Gartenbau-LEDs von Würth Elektronik und einer Erweiterungskarte von SparkFun Electronics lässt sich recht einfach ein ausgeklügeltes Automatisierungssystem für Gewächshäuser zusammenstellen. Die Erweiterungskarte bindet die für diese Systeme benötigten Sensoren und Aktoren ein.

Hochleistungsplattform

In die für eingebettete Anwendungen bestimmte PSoC-Produktfamilie von Mikrocontrollern von Cypress sind ein Arm®-Cortex®-M0- oder -Cortex-M3-Core sowie programmierbare Analogblöcke und als Universelle Digitalblöcke (UDBs) bezeichnete programmierbare Digitalblöcke integriert. Mithilfe der Peripherietreiber-Bibliothek (Peripheral Driver Library, PDL) kann mit den UDBs eine Vielzahl von Funktionen implementiert werden, u. a. serielle Standard-Schnittstellen und Waveform-Generatoren. Ebenso ist es möglich, mit den als „Smart I/O“ bezeichneten programmierbaren I/O-Blöcken logische Operationen mit Signalen auszuführen, die über die GPIO-Pins laufen – selbst dann, wenn sich die Cores in einem stromsparenden Tiefschlaf befinden.

Der neueste PSoC-Baustein, der PSoC 6, erweitert die Produktfamilie um Dual-Core-Bausteine, die die Rechenleistung eines Cortex-M4-Core mit den Energiespareigenschaften eines Cortex-M0+-Core vereinigen. Neben dem 1 MB Flash-Speicher, den 288 kB SRAM und den 128 kB ROM der PSoC 62-Bausteine verfügen die PSoC 63-Bausteine über zusätzliche Fähigkeiten, z. B. über Bluetooth 5.0.

In den PSoC 63-Bausteinen ist ein komplettes Bluetooth 5.0-Subsystem einschließlich Hardware- und Verbindungs-Layern, Protokoll-Stack mit Zugriff über eine API auf den GATT- (General Attribute Profile) und den GAP-Dienst (Generic Access Profile) im Zentrum des Bluetooth-Protokolls integriert. Innerhalb jeder der Serien umfassen Bausteine wie der CY8C6347FMI-BLD53 dedizierte Hardware-Kryptobeschleuniger.

Zu den umfangreichen Fähigkeiten der PSoC 6-Mikrocontroller gehört die Unterstützung der Leistungsanforderungen einer neuen Klasse von komplexen Embedded-Anwendungen. Gleichzeitig sind die Bausteine aufgrund ihrer Energieeffizienz in der Lage, die für diese Anwendungsklasse typischen knappen Energiebudgets zu erfüllen. Mit seiner vom Benutzer einstellbaren Versorgungsspannung für den Core von 0,9 oder 1,1 V ist der Stromverbrauch des Mikrocontrollers PSoC 6 minimal. Er liegt bei 22 μA pro MHz für den Cortex-M4-Core und bei 15 μA/MHz für den Cortex M0+-Core.

Cypress bietet zur Vereinfachung der Entwicklung von Anwendungen Versionen seiner Pioneer Kit-Produktlinie sowohl für den PSoC 63 als auch für den PSoC 62 an. Das auf dem PSoC 63 basierende PSoC 6 BLE Pioneer Kit verfügt über 512 Mbit NOR-Flash, den Onboard-Programmer/Debugger KitProg2 von Cypress, ein USB Type-C™-Stromversorgungssystem und verschiedene Benutzeroberflächen. Das PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer Kit enthält einen PSoC 62-Mikrocontroller zusammen mit einem LBEE5KL1DX-Modul von Murata Electronics, das auf dem Wi-Fi/Bluetooth-Kombi-Chip CYW4343W von Cypress basiert.

Hardwareerweiterungen

Die Verwendung der Pioneer-Boards von Cypress zur Entwicklung von Prozesssteuerungsanwendungen wird durch Erweiterungskarten erleichtert, die von SparkFun Electronics zusammen mit Digi-Key Electronics entwickelt wurden. Das PSoC Pioneer IoT-Add-on-Shield ist ein Arduino R3-kompatibles Shield mit Qwiic- und XBee-kompatiblen Steckverbindungen (Abbildung 2). Die Erweiterungskarte (Add-on-Shield) wird in ein PSoC-Pioneer-Board eingesteckt und ermöglicht dann eine einfache Erweiterung des Boards durch Bausteine wie Sensoren zur Überwachung der Luft- und Bodenqualität in einem Gewächshaus.

Bild: Eine PSoC-Pioneer-IoT-Erweiterungskarte (rote Platine) erweitert die Fähigkeiten der Pioneer-Boards von Cypress

Abbildung 2: Die PSoC-Pioneer-IoT-Erweiterungskarte (rote Platine) erweitert die Fähigkeiten der Pioneer-Boards von Cypress, wie dem PSoC 6 BLE Pioneer Kit (blau), durch verschiedene Anschlussmöglichkeiten für handelsübliche Qwiic- und XBee-kompatible Boards. (Bildquelle: SparkFun Electronics)

Zur Überwachung der Umgebungsbedingungen in einem Gewächshaus werden für ein Qwiic-kompatibles Board, wie dem Environmental Combo Breakout-Board SEN-14348 von SparkFun, Sensoren wie der BME280 von Bosch Sensortec und der CCS811 von ams zum Sammeln von Daten für verschiedene Umgebungsvariablen eingesetzt (siehe „Fügen Sie dem Internet der Dinge kompensierte Luftqualitätssensoren hinzu“).

Der BME280 von Bosch enthält einen Satz von digitalen Sensoren, die genaue Messungen von Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit liefern und bei einer Aktualisierungsfrequenz von 1 Hz nur 3,6 μA verbrauchen. Der CCS811 von ams liefert Messungen von CO2-Äquivalenten und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC).

Gas-Sensoren wie der CCS811 müssen zur Durchführung von Messungen eine interne Heizplatte erwärmen, wodurch die Leistungsaufnahme entsprechend ansteigt und im Betriebsmodus 1 bei einer Versorgungsspannung von 1,8 V einen Wert von 26 mW erreicht. In diesem Modus ist die Aktualisierungsfrequenz mit 1 Hz am höchsten. Es können andere Aktualisierungsfrequenzen eingestellt werden, z. B. Modus 3, der eine Messung pro Minute durchführt und damit die Leistungsaufnahme auf 1,2 mW reduziert.

Das Combo-Board wird einfach mit einem Qwiic-Kabel mit der Erweiterungskarte verbunden, damit die Sensoren BME280 von Bosch und CCS811B von ams mithilfe der Softwarebeispiele aus der SparkFun github repo programmiert werden können.

Bodenqualität

Neben den Umgebungsbedingungen sind in einem Gewächshaus der pH-Wert und die Feuchtigkeit des Bodens für das Wachstum der Pflanzen entscheidend. Die Pflanzen benötigen einen Boden mit einem neutralen oder leicht sauren pH-Wert, aber der optimale pH-Bereich kann stark schwanken. Kartoffeln gedeihen beispielsweise in leicht sauren Böden mit einem pH-Wert von etwa 5,5 am besten, wogegen dieser Wert für Pflanzen wie Spinat, die leicht alkalische Böden bevorzugen, schädlich sein kann.

Auch können kleine Änderungen des pH-Werts, selbst innerhalb des optimalen Bereichs, die Verfügbarkeit von Nährstoffen zur Erhaltung des Wachstums unmittelbar beeinflussen (Abbildung 3).

Bild: Kleine Änderungen des pH-Werts beeinflussen unmittelbar die Physiologie von Pflanzen

Abbildung 3: Kleine Änderungen des pH-Werts beeinflussen die Physiologie von Pflanzen unmittelbar sowie mittelbar durch die Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Nährstoffen im Boden. (Bildquelle: Wikimedia Commons)

Mit dem pH-Sensor-Kit SEN-10972 von SparkFun Electronics können im Gewächshaussystem zusätzlich pH-Werte gemessen werden. Zum Kit gehören eine pH-Sonde, eine Schnittstellenkarte und Pufferlösungen zur Kalibrierung. Zur Kommunikation mit dem PSoC-Mikrocontroller kann der Standard-UART-Ausgang auf dem pH-Board verwendet werden.

Das pH-Sensorboard kann auch im I2C-Modus verwendet werden. Dazu wird sie über den I2C-Qwiic-Adapter DEV-14495 von SparkFun angeschlossen. Der Qwiic-Adapter von SparkFun führt die I2C-Pins aus den Qwiic-Steckverbindern heraus und stellt Lötpunkte zur Verfügung, sodass vorhandene I2C-Bausteine einfach mit dem Qwiic-Steckverbindersystem genutzt werden können.

Die Messung der Feuchtigkeit des Bodens ist genauso einfach. Der Bodenfeuchtigkeits-Sensor SEN-13322 von SparkFun führt zwei Pads heraus, die direkt im Boden als variabler Widerstand zwischen angelegter Spannung und Masse fungieren. Je höher die Feuchtigkeit ist, desto höher ist die Leitfähigkeit zwischen den Pads. Dies führt zu einem geringeren Widerstand und einer höheren Ausgangsspannung.

Für diesen Sensor kann der im PSoC-Mikrocontroller integrierte Digital-Analog-Wandler (DAC) als Spannungsquelle dienen, und der der Bodenfeuchtigkeit entsprechende Spannungspegel kann vom Analog-Digital-Wandler (ADC) mit SAR (Successive Approximation Register) digitalisiert werden. Außerdem können die internen Operationsverstärker des Mikrocontrollers zum Puffern des DAC-Ausgangs und des ADC-Eingangs verwendet werden.

Mithilfe desselben Ansatzes kann das Boden-Management des Systems ausgeweitet werden. Der PSoC 6-Mikrocontroller unterstützt z. B. mehrere Kanäle für den DAC-Eingang und für den ADC-Eingang, sodass mehrere pH-Sensoren betrieben werden können. Außerdem benötigen manche Anwendungen möglicherweise Messungen mit höherer Auflösung, für die eine Spannung jenseits der analogen Versorgungsspannung VDDA von maximal 3,6 V erforderlich ist. Für derartige Fälle besteht die Lösung darin, zusätzliche Operationsverstärker als Puffer und einen Spannungsregler einzusetzen.

Außer für die Messung der Feuchtigkeit des Bodens könnten ehrgeizige Entwickler diesen Ansatz zur automatischen Bewässerung mithilfe der GPIOs des PSoC und seiner Fähigkeit zur Pulsweitenmodulation (PWM) einsetzen und eine Wasserpumpe FIT0563 von DFRobot mit einer Treiberkarte DRI0044-A von DFRobot steuern.

Für zusätzliche Komponenten wie diese könnte der Qwiic-Adapter DEV-14352 von SparkFun verwendet werden. Dieser stellt Qwiic-Steckverbinder und einen großen Prototyping-Bereich zur Verfügung (Abbildung 4).

Bild: Qwiic-Adapter von SparkFun

Abbildung 4: Mit dem Qwiic-Adapter von SparkFun kann benutzerdefinierte Elektronik über Qwiic-Verbindungen mit der Pioneer-Erweiterungskarte einfach integriert werden, oder der Adapter könnte über die vorhandenen Anschlussklemmen mit der Erweiterungskarte auf Pioneer-Boards gestapelt werden. (Bildquelle: SparkFun)

Da der Qwiic-Adapter mit dem Layout des Arduino-R3-Shields kompatibel ist, können eigene Erweiterungen über die zusammen mit dem Qwiic-Adapter gelieferten Anschlussklemmen zwischen dem Pioneer-Kit-Board und der IoT-Pioneer-Erweiterungskarte von SparkFun eingesteckt werden.

Beleuchtung von Gewächshäusern mit LEDs

Wie bereits erwähnt, hängt das gesunde Wachstum von Pflanzen von einer Beleuchtung mit bestimmten Welllängen ab. Die Fortschritte bei der LED-Beleuchtung haben zwar zu Lösungen für industrielle Beleuchtung, Fahrzeugscheinwerfer und mehr geführt, aber herkömmlichen LEDs fehlt das für die Photosynthese erforderliche spezifische Spektrum. Die Serie WL-SMDC von einfarbigen Keramik-LEDs von Würth Elektronik erfüllt den Bedarf für Beleuchtung mit bestimmten Wellenlängen von dunkelblau bis hellrot (Abbildung 5).

Diagramm: Serie WL-SMDC von Würth Elektronik

Abbildung 5: Bestimmte Modelle aus der Serie WL-SMDC von einfarbigen Keramik-LEDs von Würtz Elektronik liefern Beleuchtung mit bestimmten für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen benötigten Wellenlängen. (Bildquelle: Würth Elektronik)

In Kombination liefert die Serie SL-SMDC Wellenlängen, die verschiedene Aspekte des Pflanzenwachstums abdecken:

  • Die tiefblaue LED 150353DS74500 (maximale Wellenlänge 450 nm) und die blaue LED 150353BS74500 (460 nm dominant) liefern eine Beleuchtung in dem Wellenlängenbereich, der für die Regulierung der Chlorophyllkonzentration, das Wachstum von Achselknospen und die Blattdicke zuständig ist.
  • Die grüne LED 150353GS74500 (maximal 520 nm) und die gelbe LED 150353YS74500 (590 nm dominant) liefern eine Beleuchtung in einem Wellenlängenbereich, der früher als unwichtig betrachtet wurde, aber nach heutigen Erkenntnissen eine Rolle bei Schattenvermeidungsreaktionen von Pflanzen spielt.
  • Die rote LED 150353RS74500 (625 nm dominant) und die tiefrote (hyper red) LED 150353HS74500 (maximal 660 nm) liefern eine Beleuchtung in einem der für die Photosynthese wichtigsten Wellenlängenbereiche, der aber auch für verschiedene Stadien des Pflanzenwachstums wie Blühen, Ruhe und Keimen zuständig ist.
  • Die dunkelrote (far red) LED 150353FS74500 (maximal 730 nm) liefert Beleuchtung in einem Wellenlängenbereich, der für das Keimen, die Blühzeit, die Stammlänge und die Schattenvermeidung zuständig ist.
  • Schließlich deckt die weiße Tageslicht-LED 158353040 nicht nur einen größeren Blauanteil ab, sondern trägt auch zur benötigten gesamten Lichtsumme (Daily Light Integral, DLI) für das allgemeine Pflanzenwachstum bei.

Zur Ansteuerung von LED-Strings werden zahlreiche LED-Treiber angeboten, z. B. der MagI3C 171032401 von Würth oder der ALT80800 von Allegro MicroSystems. Viele dieser Bausteine unterstützen eine Dimm-Funktion per PWM und/oder analoge Spannung, sodass für die Implementierung des LED-Treibers nur wenige zusätzliche Komponenten erforderlich sind (Abbildung 6).

Diagramm: Moderne LED-Treiber, z. B. ALT80800 von Allegro MicroSystems

Abbildung 6: Für einen modernen LED-Treiber wie den ALT80800 Allegro MicroSystems werden zum Ansteuern von LED-Strings mit Dimmfunktion per PWM oder Analogeingang nur wenige zusätzliche Komponenten benötigt. (Bildquelle: Allegro MicroSystems)

Bei der Planung der Dimmfunktion sollten sehr plötzliche Änderungen der Beleuchtungsstärke vermieden werden. Bei hohen PWM-Frequenzen reagiert die menschliche Pupille möglicherweise nur auf eine mittlere Lichtintensität, sodass schädliche Lichtimpulse auf die Netzhaut gelangen können. Durch den Einsatz von LED-Treibern mit konstanter Stromstärke wie dem ALT80800 Allegro kann dieser Effekt abgemildert werden.

Softwaredesign

Mit einer Kombination von PSoC-Pioneer-Board, Erweiterungskarte und den oben erwähnten Zusatzkarten ist der physische Aufbau eines Steuerungssystems für ein Gewächshaus durch einfaches Zusammenstecken von Hardwareplatinen möglich. Mithilfe der Peripherietreiber-Bibliothek (Peripheral Driver Library, PDL) von Cypress gestaltet sich die Entwicklung von Software zur Verwaltung der Sensoren oder zur Ansteuerung der LEDs fast genauso einfach.

Die Komponenten der PDL abstrahieren die Funktionalität der PSoC wie programmierbare Analogfunktionen, UDBs und Smart I/O-Peripherie. Eine Softwarefunktion, die den Mikrocontroller aufwachen lässt, wenn am Ausgang des Sensors ein bestimmter Wert anliegt, ist schnell implementiert. Wenn die Ausgangsspannung des Sensors, der die Feuchtigkeit des Bodens misst, z. B. einen zu trockenen Boden anzeigt, kann einer der im PSoC-Mikrocontroller integrierten stromsparenden Komparatoren mithilfe von Cypress PSoC Creator so konfiguriert werden, dass ein Interrupt geniert wird, wenn die Spannung an einem bestimmten Analog-Pin einen bestimmten Referenzwert unter- oder überschreitet.

Cypress führt diese Funktion in einem Codebeispiel vor, das die grundlegenden Entwurfsmuster für die Verwendung des stromsparenden Komparator-Blocks (LPComp) veranschaulicht (Listing 1). Hier wird im Code der LPComp-Wert überprüft, sobald der Prozessor von einem Interrupt aus dem Ruhemodus aufgeweckt wird. In diesem Codebeispiel wird eine LED mithilfe einer GPIO alle 500 ms umgeschaltet, wenn das Vergleichsergebnis „High“ ist. Wenn das Ergebnis schließlich „Low“ ist, wird der Prozessor wieder in den Ruhezustand versetzt.

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int main(void)
{
    #if PDL_CONFIGURATION
        /* Enable the whole LPComp block */
        Cy_LPComp_GlobalEnable(LPCOMP);
        
        /* Configure LPComp output mode and hysteresis for channel 0 */
        Cy_LPComp_Init(LPCOMP, CY_LPCOMP_CHANNEL_0, &myLPCompConfig);
        
        /* Enable the local reference voltage */
        Cy_LPComp_UlpReferenceEnable(LPCOMP);
        /* Set the local reference voltage to the negative terminal and set a GPIO input on the 
           positive terminal for the wake up signal */
        Cy_LPComp_SetInputs(LPCOMP, CY_LPCOMP_CHANNEL_0, CY_LPCOMP_SW_GPIO, CY_LPCOMP_SW_LOCAL_VREF);
 
        /* Set channel 0 power mode - Ultra Low Power mode */
        Cy_LPComp_SetPower(LPCOMP, CY_LPCOMP_CHANNEL_0, CY_LPCOMP_MODE_ULP);
        
        /* It needs 50us start-up time to settle in ULP mode after the block is enabled */
        Cy_SysLib_DelayUs(MY_LPCOMP_ULP_SETTLE);
    #else
        /* Start the LPComp Component */ 
        LPComp_1_Start();
    #endif
   
    /* Check the IO status. If current status is frozen, unfreeze the system. */
    if(Cy_SysPm_GetIoFreezeStatus())
    {   /* Unfreeze the system */
        Cy_SysPm_IoUnfreeze();
    }
    else
    {
        /* Do nothing */    
    }
    
    for(;;)
    {
        /* If the comparison result is high, toggles LED every 500ms */
        if(Cy_LPComp_GetCompare(LPCOMP, CY_LPCOMP_CHANNEL_0) == MY_LPCOMP_OUTPUT_HIGH)
        {
            /* Toggle LED every 500ms */
            Cy_GPIO_Inv(LED_0_PORT, LED_0_NUM);
            Cy_SysLib_Delay(TOGGLE_LED_PERIOD); 
        }
        /* If the comparison result is low, goes to the hibernate mode */
        else    
        {   
            /* System wakes up when LPComp channel 0 output is high */
            MyLPComp_SetHibernateMode(CY_SYSPM_LPCOMP0_HIGH);         
        }
    }
}

Listing 1: In diesem Codebeispiel von Cypress werden wichtige Entwurfsmuster vorgeführt, z. B. das Aufwecken des Mikrocontrollers aus dem Stromsparmodus mithilfe des stromsparenden Komparators des PSoC 6. (Code-Quelle: Cypress Semiconductor)

Für ein Steuerungssystem für ein Gewächshaus könnte dasselbe Entwurfsmuster in folgenden Fällen verwendet werden: zum Einschalten der Wasserpumpe als Reaktion auf eine zu geringe Feuchtigkeit des Bodens, zum Einschalten der Lüfter als Reaktion auf eine zu hohe Umgebungstemperatur, zum Alarmieren des Gewächshausbetreibers, wenn sich der pH-Wert außerhalb eines bestimmten Bereichs befindet oder zur Reaktion mit einer der vielen zur Wiederherstellung der Umgebungsbedingungen des Gewächshauses erforderlichen Aktionen.

Mithilfe anderer PDL-Komponenten können mit minimalem Programmieraufwand weitere Übertragungs- und Steuerungsmöglichkeiten genutzt werden. Beispielsweise wird zur Steuerung der LED-Helligkeit mit der PWM-Komponente einfach die PWM-Komponente auf die Konstruktionsfläche von PSoC Creator gezogen und in dem dazugehörigen Konfigurations-Popup werden spezifische PWM-Parameter wie Ausführungsmodus, Dauer und Auflösung festgelegt (Abbildung 7).

Bild: PSoC Creator von Cypress Semiconductor

Abbildung 7: In PSoC Creator können mithilfe der Cypress-PDL Funktionen per Schaltplan konstruiert werden oder es kann über die Schnittstelle der PDL zur Anwendungsprogrammierung direkt auf Programmierebene gearbeitet werden. (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

Nach Konfiguration der Komponente und Fertigstellung des Designs wird mit PSoC Creator das grundlegende Code-Framework generiert und bei Bedarf benutzerdefinierter Code hinzugefügt. Entwickler, die die Startphase mit Schaltplan überspringen möchten, können über die PLD-API von Cypress direkt auf die zugrunde liegenden Funktionen zugreifen. Es können auch beide Herangehensweisen gemischt werden, indem von PSoC Creator generierter Code zum Erwerb von tieferen Kenntnissen über die PDL genutzt und danach der Produktionscode mithilfe der PDL API entwickelt wird.

Mit diesem Ansatz ist es möglich, den Code zur Unterstützung jeder der in diesem Artikel beschriebenen Funktionen schnell zu implementieren. Zur praktischen Bereitstellung des entwickelten Steuerungssystems in einem kleinen Gewächshaus wäre nur ein einziges Pioneer-Board und eine PSoC-Pioneer-IoT-Erweiterungskarte zur Unterstützung der erforderlichen Sensoren, Aktoren und LEDs erforderlich.

Bei einer Bereitstellung in einem größeren Gewächshaus würde ein kosteneffizienter Ansatz darin bestehen, dass Funktionen wie die Messung des pH-Werts des Bodens und der Umgebungstemperatur von am Boden eingesetzten Boards übernommen werden und die Steuerung der Gartenbau-LED-Strings von einer weiteren Gruppe von Boards durchgeführt wird. Die Kosten könnten weiter durch Einsatz des PSoC 4 BLE Pioneer zur Unterstützung der Sensorperipherie und der Steuerungsfunktionen gesenkt werden.

Da die PSoC-Pioneer-IoT-Erweiterungskarte auch mit diesem Board kompatibel ist, kann jedes Board-Set einfach mit den entsprechenden Bausteinen neu konfiguriert werden. In dieser Situation würden die Boards auf PSoC-4-Basis per Bluetooth mit einem oder mehreren PSoC-6-Boards verbunden werden oder könnten sich dank der Wi-Fi-Option des PSoC-6-WiFi-BT-Pioneer-Kits zur Analyse und zur Darstellung mit Cloud-Diensten wie ThingSpeak verbinden (Abbildung 8).

Diagramm: PSoC-basierte Systeme PSoC 4 BLE Pioneer Kit und PSoC 6 Pioneer Kit

Abbildung 8: Mehrere PSoC-basierte Systeme wie das PSoC 4 BLE Pioneer Kit und das PSoC 6 Pioneer Kit können zur Unterstützung von komplexen, mit Cloud-Diensten wie ThingSpeak verknüpften Anwendungen kombiniert werden. (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

In diesem Fall können Entwickler von der vollständigen Bluetooth-Unterstützung von Cypress für sämtliche sicheren Kommunikationsmöglichkeiten profitieren (siehe Aufbau eines sicheren, stromsparenden Bluetooth-Hubs und Sensornetzwerks).

Fazit

Für automatische Steuerungssysteme für Gewächshäuser waren früher industrielle Controller erforderlich, an die komplexe Beleuchtungssysteme, Sensoren und Aktoren angeschlossen waren. Wie oben ausgeführt, können Entwickler heute mithilfe von kostengünstigen Mikrocontroller-Boards und Erweiterungskarten kosteneffiziente Plattformen aufbauen, mit denen ein breites Spektrum von lieferbaren Sensoren und Aktoren betrieben werden kann.

Zusammen mit dem IoT und der Verfügbarkeit von speziellen Gartenbau-LEDs stehen sämtliche Komponenten für die Umsetzung von ausgeklügelten Anwendungen zur Verfügung, mit denen viele der mit dem gesunden Wachstum und der Entwicklung von Pflanzen zusammenhängenden Faktoren per Fernbedienung überwacht und gesteuert werden können.

Literatur

  1. LEDs – die Zukunft der Beleuchtung in der Hortikultur

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Über den Autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk hat mehr als 20 Jahre Erfahrung im Schreiben für und über die Elektronikindustrie zu einem breiten Spektrum von Themen wie Hardware, Software, Systeme und Anwendungen einschließlich des IoT. Er promoviertein Neurowissenschaften über neuronale Netzwerke und arbeitete in der Luft- und Raumfahrtindustrie an massiv verteilten sicheren Systemen und Methoden zur Beschleunigung von Algorithmen. Derzeit, wenn er nicht gerade Artikel über Technologie und Ingenieurwesen schreibt, arbeitet er an Anwendungen des tiefen Lernens (Deep Learning) zu Erkennungs- und Empfehlungssystemen.

Über den Verlag

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