阮秀凯， 倪 钏

(温州大学电气数字化设计技术国家地方联合工程实验室，温州 325035)

0 引言

植物生长发育其实就是基因的表达过程，除了受到遗传因素影响外，也受到外在环境因子(温度、光、湿度、气体以及病原因子等)的调控。光的照射周期、光照强度以及光质，不断地影响着植物的生长发育。此外，植物生长的各阶段也是需要不同的光质，所需的光质种类是不连续的、有选择性的。红光和蓝光是植物正常生长和发育的必需光，其他一些可见光和远红光是有益的光质。

近年随着大功率单色光发光二极管(LED)技术的不断发展，LED具有体积小、寿命长、效率高、光谱可控和可近距离照明等已成为植物照明的首选光源；根据植物的需要，LED可用于合成特定的光照光谱，有针对性地实现可调节的照明环境，与传统的人造光源相比具有明显的优势。然而，市面上常用LED植物照明设备通常只有固定光谱，难以准确地满足不同植物的生长需求，但若是根据不同植物不同生长阶段不断更换设备，将会极大地增加成本。

另一方面，农业物联网(IoT)的出现提高了农业生产力和农业装备精准化水平，是实现农业生产智能化的新兴技术。目前农业IoT技术主要有ZigBee、蓝牙、WiFi及有线等方式，但这些技术面临通信距离较短、功耗大、因通信协议限制容易导致终端数量饱和等问题。而基于蜂窝网络的窄带物联网(NB-IoT)技术，在同样带宽频段下，比现有的无线网络增益超过20dB，相当于将覆盖区域增加100倍，形成深度覆盖和大规模连接M2M系统的能力。而且，它具有较长的待机时间、良好的功率控制和数据连接能力，并逐渐成为物联网开发技术的主流。通过NB-IoT与传感器的连接，为农业智能化物联网技术提供良好的保障。

对于植物生长补光灯，智能照明的引入可以根据不同植物的生长周期进行远程智能监控操作，实现农业工业化、农业自动化、农业智能化，在精确的时间和地点应用补充光线有助于优化能源使用，也有助于研究人员更好地了解光谱波长和其他生长条件之间的相互作用,也能更好地发挥植物生长中光质的作用。鉴此，本文将LED光谱可调植物照明技术和农业物联网技术相结合，设计了一款基于NB-IoT的分布式LED智慧照明系统，能够自由调节各种光质比例的。该系统采用中移物联的M5310模块进行通信，MBI5030芯片对LED灯进行驱动，并使用各种环境传感器，把采集的传感器数据上传到OneNET云平台，实现数据转发和存储，平台可以下发命令调节红蓝光质比。NB-IoT技术的使用可直接实现无网关化，结合用户需求和植物生长所需环境，智能地调节植物生长所需的光照，促进了植物生长。

1 技术介绍

1.1 NB-IoT技术

NB-IoT是3GPP定义的基于窄带的蜂窝物联网技术，与物联网中的其他技术相比，NB-IoT具有很大的优势。NB-IoT是低功耗广域物联网(LPWAN)网络的重要分支，也是万物互联的重要组成部分。除了LPWAN技术中的NB-IoT，主流窄带物联网标准包括LoRa和SigFox技术，三者之间的数据比较见表1，可以发现以下几点。

(1)与LoRa和SigFox技术相比，NB-IoT技术在覆盖范围、功耗、连接数和峰值速率方面具有明显的优势。

(2)由于LoRa和SigFox处于未许可频段且规模小，因此会有或多或少的信号干扰问题，降低传输过程的可靠性和安全性，且不能实现运营商级的WAN部署操作，更适合企业建立自己的局域网以满足个性化需求。相比之下，NB-IoT处于许可频段，具有更高的传输可靠性，良好的QoS(服务质量)保证和更强的传输安全性。

(3)NB-IoT构建于蜂窝网络，仅消耗大约180 kHz的带宽，从而可以在现有的2G、3G和4G网络基站上进行部署升级。基于传统物联网技术所不具备的超低功耗技术，该设备的电池寿命可长达10年，并且可在室内实现蜂窝数据连接的全面覆盖。此外，NB-IoT还可以在数据收集后无需经过网关，直接上传到云，简化了现场部署。

1.2 LED光源

光是植物重要的一个生态因子，影响着植物的生长发育，刺激和支配植物组织和器官的分化。在一定程度上决定着植物器官的外部形态和内部结构，并且具有形态建成的作用。植物光合作用光谱响应函数如图1所示,在太阳光谱中，参与植物光合作用的主要是400～520nm的蓝光和610～720nm的红光，因此一般的植物灯有做成红蓝组合、全蓝、全红三种形式，用来提供红、蓝两种波长的光线，覆盖植物行光合作用所需的波长范围。为了实现植物生长和其品质的特殊目标，需要在红蓝组合光基础补外加一些特殊光质成分，包括红、蓝光以外的其他可见光、UV和远红光等。

LPWAN技术标准对比 表1

图1 植物光合作用光谱响应函数

光照的光质包含了引导植物改变其生物特征来适应和生存的环境信息，由于LED灯具有高度可定义的光谱特性，因此LED光源可用于农业生产。相比传统形式的农业照明，LED灯具体积小、发光效率高、寿命长、散热温度低、绿色环保，可以对LED光源进行定量的输出辐射强度，使LED比许多其他光源更适用于基于植物的应用。

LED光源是传统植物光源(如高压钠灯和荧光灯)的理想替代品，其节能效果非常明显。在植物照明中，为实现光源光谱的灵活性和适应性，应结合智能照明控制系统，实现不同植物各生长期的光谱配比。LED光源也可以应用于植物正常生长中的补充光照，物理化学测量表明，在不同补充光照条件下生长的果实之间有轻微变化。

因此，结合植物生长所需光照和LED光源的特点，本研究的LED灯组采用大功率红、蓝光灯珠进行组合，并且加入少量绿光、黄光、红外和紫外灯珠以适应少数需要加入特殊光质生长的植物。

1.3 OneNET平台

1.3.1 OneNET介绍

本设计的室内植物智能照明系统基于OneNET平台，对所有硬件终端系统开放，可作为数据转发和存储的平台，减少需要另设服务器的支出。OneNET支持各类传感器和智能硬件的快速接入和大数据服务，并支持各行业应用和智能硬件的开发，有效降低了物联网应用开发和部署的成本，满足物联网平台级服务需求。OneNET的云存储服务中心具有高并发、大存储、扩展性强的优点，专门用来解决数据接入之后的数据存储问题。因此笔者认为，将植物智慧照明系统接入OneNET平台是一个较好的选择。对于OneNET的远程控制，只要是可以访问网页、与云平台建立网络联接的设备，皆可作为远程控制端。

1.3.2 平台接入协议

OneNET对使用NB-IoT接入的设备使用LWM2M(Light Weight Machine to Machine)协议接入。LWM2M是OMA(开放移动联盟)组织制定的轻量化的M2M协议，适用于物联网设备的轻量级协议，可以有效地节省使用物联网设备的网络资源，其利用开放的互联网标准，已成为基于REST的物联网管理的有力竞争者。LWM2M协议层次结构如图2所示,LWM2M是在CoAP(Constrained Application Protocol)协议之上的应用层协议，而CoAP可以进行DTLS(Datagram Transport Layer Security)加密处理，最后通过UDP(User Datagram Protocol)或SMS(Short Messaging Service)方式传送。

图2 LWM2M协议层次结构

2 系统设计

2.1 总体架构

依据NB-IoT平台部署模式，基于NB-IoT的室内植物照明系统主要由终端控制器、通信传输系统和远程监控端组成，其系统架构如图3所示。

图3 植物智能照明系统架构图

终端控制器主要由STM32F103开发板、M5310通信模块、MBI5030芯片以及低功耗环境信息采集传感器构成，可通过NB-IoT射频信号与基站通信，对LED灯组模块进行监测和控制，能够从远程控制台接收控制命令并实时上传环境信息，以监视和控制植物照明系统的操作。

通信传输系统是构建大区域跨平台的物联网通信平台，由基站、NB-IoT核心网和OneNET平台组成，实现对NB-IoT信号所覆盖区域植物照明的远程监控，通信传输系统采用移动部署的基站连接终端控制器及OneNET平台的远程监控端相连接。

远程监控端是整个植物照明智能控制系统的核心，主要负责环境数据的处理、存储、管理以及远程控制。根据不同植物在各生长阶段所需的光照要求，对灯光进行控制，达到最佳的生长所需光照。

2.2 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括5个部分：主控电路、NB-IoT通信模块、LED驱动电路、环境传感器、LED灯组，其设计框图如图4所示。其中主控电路由STM32F103开发板构成，负责处理接收和收集到的数据。环境传感器采用SHT10、BH1750和MH-Z14低功耗环境信息采集传感器，分别用于获取温室环境内的温湿度、光照强度以及CO2浓度。

图4 系统设计框图

NB-IoT通信模块电路主要用于设备通信，其设计电路图如图5所示，通信模块使用中移动M5310模块，与专用的移动NB-IoT物联卡进行交互，将环境数据通过天线直接发送到NB-IoT基站。M5310模组在推出时就是全球尺寸最小的使用eSIM的NB-IOT通信模组，并支持OneNET平台协议。通信模块电源采用5V的MCU供电，使用XC6206P33进行电压转换，为确保有更好的电源供电性能，在靠近NB-IoT的电源输入端并联有两个1μF的滤波电容；在RF天线的电路设计中，专业阻抗模拟计算工具用于PCB走线，以对天线执行50Ω阻抗控制，并保留π型匹配电路，方便调整射频性能，保证射频信号的良好可靠。

图5 NB-IoT通信模块电路图

LED驱动电路中采用了MBI5030芯片，可以对16颗不同的LED灯珠采用PWM调制来控制各个LED灯的亮度。每个LED组灯有16颗LED灯珠，主要采用在可见光中的11个不同波段的LED灯珠组合，而且还搭配了红外和紫外灯珠，对植物生长中所需的各类光照给予全方面的支持。

2.3 用户监控端设计

OneNET平台提供了相应的应用编辑器，用户可以轻松实现绑定设备数据流的可视化，也可以直接给设备发送数据。利用该编辑器，设计了如图6所示的用户监控端界面。该客户端可以显示储存在OneNET服务器上的温湿度、光强等数据，也可以给照明设备发送命令，来控制LED组灯中每个灯珠的亮度，合成出不同的光谱光照需求。只需要通过网页打开，用户就可以在PC和手机端操作，实现远距离实时监控和调试。

图6 用户监控端界面

3 LED光谱拟合

灯板采用11个不同波段的LED灯珠组合，图7为所用到的不同波段LED光谱功率分布。

图7 LED光谱功率分布

在合成所需光谱时，利用光谱叠加原理，把不同峰值波长的LED光谱叠加在一起，来合成目标光谱。由光谱叠加原理得到的LED光谱合成的数学模型为:

L(λ)=∑ejSj(λ)

(1)

式中，L(λ)为目标光谱曲线，ej为未知系数，Sj(λ)为单个LED光谱分布曲线，j为LED波段数。

笔者以某厂商公开的植物照明光谱数据作为目标光谱，如图8所示。把所有数据以10nm间隔采样，根据式(1)列出超定方程，采用最小二乘法求得每个灯珠的系数ej，再叠加求得图8中的光谱，最后把求得的系数通过相应编码处理后，通过客户端发送到照明系统，其实际测得光谱功率如图9所示。

图8 目标光谱和所求光谱相对分布

图9 照明系统实际测得光谱功率

4 结束语