基于NB-IoT的室內光譜可調植物照明系統

阮秀凱， 倪 釧

(溫州大學電氣數字化設計技術國家地方聯合工程實驗室，溫州 325035)

0 引言

植物生長發育其實就是基因的表達過程，除了受到遺傳因素影響外，也受到外在環境因子(溫度、光、濕度、氣體以及病原因子等)的調控。光的照射周期、光照強度以及光質，不斷地影響著植物的生長發育。此外，植物生長的各階段也是需要不同的光質，所需的光質種類是不連續的、有選擇性的。紅光和藍光是植物正常生長和發育的必需光，其他一些可見光和遠紅光是有益的光質。

近年隨著大功率單色光發光二極管(LED)技術的不斷發展，LED具有體積小、壽命長、效率高、光譜可控和可近距離照明等已成為植物照明的首選光源；根據植物的需要，LED可用于合成特定的光照光譜，有針對性地實現可調節的照明環境，與傳統的人造光源相比具有明顯的優勢。然而，市面上常用LED植物照明設備通常只有固定光譜，難以準確地滿足不同植物的生長需求，但若是根據不同植物不同生長階段不斷更換設備，將會極大地增加成本。

另一方面，農業物聯網(IoT)的出現提高了農業生產力和農業裝備精準化水平，是實現農業生產智能化的新興技術。目前農業IoT技術主要有ZigBee、藍牙、WiFi及有線等方式，但這些技術面臨通信距離較短、功耗大、因通信協議限制容易導致終端數量飽和等問題。而基于蜂窩網絡的窄帶物聯網(NB-IoT)技術，在同樣帶寬頻段下，比現有的無線網絡增益超過20dB，相當于將覆蓋區域增加100倍，形成深度覆蓋和大規模連接M2M系統的能力。而且，它具有較長的待機時間、良好的功率控制和數據連接能力，并逐漸成為物聯網開發技術的主流。通過NB-IoT與傳感器的連接，為農業智能化物聯網技術提供良好的保障。

對于植物生長補光燈，智能照明的引入可以根據不同植物的生長周期進行遠程智能監控操作，實現農業工業化、農業自動化、農業智能化，在精確的時間和地點應用補充光線有助于優化能源使用，也有助于研究人員更好地了解光譜波長和其他生長條件之間的相互作用,也能更好地發揮植物生長中光質的作用。鑒此，本文將LED光譜可調植物照明技術和農業物聯網技術相結合，設計了一款基于NB-IoT的分布式LED智慧照明系統，能夠自由調節各種光質比例的。該系統采用中移物聯的M5310模塊進行通信，MBI5030芯片對LED燈進行驅動，并使用各種環境傳感器，把采集的傳感器數據上傳到OneNET云平臺，實現數據轉發和存儲，平臺可以下發命令調節紅藍光質比。NB-IoT技術的使用可直接實現無網關化，結合用戶需求和植物生長所需環境，智能地調節植物生長所需的光照，促進了植物生長。

1 技術介紹

1.1 NB-IoT技術

NB-IoT是3GPP定義的基于窄帶的蜂窩物聯網技術，與物聯網中的其他技術相比，NB-IoT具有很大的優勢。NB-IoT是低功耗廣域物聯網(LPWAN)網絡的重要分支，也是萬物互聯的重要組成部分。除了LPWAN技術中的NB-IoT，主流窄帶物聯網標準包括LoRa和SigFox技術，三者之間的數據比較見表1，可以發現以下幾點。

(1)與LoRa和SigFox技術相比，NB-IoT技術在覆蓋范圍、功耗、連接數和峰值速率方面具有明顯的優勢。

(2)由于LoRa和SigFox處于未許可頻段且規模小，因此會有或多或少的信號干擾問題，降低傳輸過程的可靠性和安全性，且不能實現運營商級的WAN部署操作，更適合企業建立自己的局域網以滿足個性化需求。相比之下，NB-IoT處于許可頻段，具有更高的傳輸可靠性，良好的QoS(服務質量)保證和更強的傳輸安全性。

(3)NB-IoT構建于蜂窩網絡，僅消耗大約180 kHz的帶寬，從而可以在現有的2G、3G和4G網絡基站上進行部署升級。基于傳統物聯網技術所不具備的超低功耗技術，該設備的電池壽命可長達10年，并且可在室內實現蜂窩數據連接的全面覆蓋。此外，NB-IoT還可以在數據收集后無需經過網關，直接上傳到云，簡化了現場部署。

1.2 LED光源

光是植物重要的一個生態因子，影響著植物的生長發育，刺激和支配植物組織和器官的分化。在一定程度上決定著植物器官的外部形態和內部結構，并且具有形態建成的作用。植物光合作用光譜響應函數如圖1所示,在太陽光譜中，參與植物光合作用的主要是400～520nm的藍光和610～720nm的紅光，因此一般的植物燈有做成紅藍組合、全藍、全紅三種形式，用來提供紅、藍兩種波長的光線，覆蓋植物行光合作用所需的波長范圍。為了實現植物生長和其品質的特殊目標，需要在紅藍組合光基礎補外加一些特殊光質成分，包括紅、藍光以外的其他可見光、UV和遠紅光等。

LPWAN技術標準對比 表1

圖1 植物光合作用光譜響應函數

光照的光質包含了引導植物改變其生物特征來適應和生存的環境信息，由于LED燈具有高度可定義的光譜特性，因此LED光源可用于農業生產。相比傳統形式的農業照明，LED燈具體積小、發光效率高、壽命長、散熱溫度低、綠色環保，可以對LED光源進行定量的輸出輻射強度，使LED比許多其他光源更適用于基于植物的應用。

LED光源是傳統植物光源(如高壓鈉燈和熒光燈)的理想替代品，其節能效果非常明顯。在植物照明中，為實現光源光譜的靈活性和適應性，應結合智能照明控制系統，實現不同植物各生長期的光譜配比。LED光源也可以應用于植物正常生長中的補充光照，物理化學測量表明，在不同補充光照條件下生長的果實之間有輕微變化。

因此，結合植物生長所需光照和LED光源的特點，本研究的LED燈組采用大功率紅、藍光燈珠進行組合，并且加入少量綠光、黃光、紅外和紫外燈珠以適應少數需要加入特殊光質生長的植物。

1.3 OneNET平臺

1.3.1 OneNET介紹

本設計的室內植物智能照明系統基于OneNET平臺，對所有硬件終端系統開放，可作為數據轉發和存儲的平臺，減少需要另設服務器的支出。OneNET支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數據服務，并支持各行業應用和智能硬件的開發，有效降低了物聯網應用開發和部署的成本，滿足物聯網平臺級服務需求。OneNET的云存儲服務中心具有高并發、大存儲、擴展性強的優點，專門用來解決數據接入之后的數據存儲問題。因此筆者認為，將植物智慧照明系統接入OneNET平臺是一個較好的選擇。對于OneNET的遠程控制，只要是可以訪問網頁、與云平臺建立網絡聯接的設備，皆可作為遠程控制端。

1.3.2 平臺接入協議

OneNET對使用NB-IoT接入的設備使用LWM2M(Light Weight Machine to Machine)協議接入。LWM2M是OMA(開放移動聯盟)組織制定的輕量化的M2M協議，適用于物聯網設備的輕量級協議，可以有效地節省使用物聯網設備的網絡資源，其利用開放的互聯網標準，已成為基于REST的物聯網管理的有力競爭者。LWM2M協議層次結構如圖2所示,LWM2M是在CoAP(Constrained Application Protocol)協議之上的應用層協議，而CoAP可以進行DTLS(Datagram Transport Layer Security)加密處理，最后通過UDP(User Datagram Protocol)或SMS(Short Messaging Service)方式傳送。

圖2 LWM2M協議層次結構

2 系統設計

2.1 總體架構

依據NB-IoT平臺部署模式，基于NB-IoT的室內植物照明系統主要由終端控制器、通信傳輸系統和遠程監控端組成，其系統架構如圖3所示。

圖3 植物智能照明系統架構圖

終端控制器主要由STM32F103開發板、M5310通信模塊、MBI5030芯片以及低功耗環境信息采集傳感器構成，可通過NB-IoT射頻信號與基站通信，對LED燈組模塊進行監測和控制，能夠從遠程控制臺接收控制命令并實時上傳環境信息，以監視和控制植物照明系統的操作。

通信傳輸系統是構建大區域跨平臺的物聯網通信平臺，由基站、NB-IoT核心網和OneNET平臺組成，實現對NB-IoT信號所覆蓋區域植物照明的遠程監控，通信傳輸系統采用移動部署的基站連接終端控制器及OneNET平臺的遠程監控端相連接。

遠程監控端是整個植物照明智能控制系統的核心，主要負責環境數據的處理、存儲、管理以及遠程控制。根據不同植物在各生長階段所需的光照要求，對燈光進行控制，達到最佳的生長所需光照。

2.2 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括5個部分：主控電路、NB-IoT通信模塊、LED驅動電路、環境傳感器、LED燈組，其設計框圖如圖4所示。其中主控電路由STM32F103開發板構成，負責處理接收和收集到的數據。環境傳感器采用SHT10、BH1750和MH-Z14低功耗環境信息采集傳感器，分別用于獲取溫室環境內的溫濕度、光照強度以及CO2濃度。

圖4 系統設計框圖

NB-IoT通信模塊電路主要用于設備通信，其設計電路圖如圖5所示，通信模塊使用中移動M5310模塊，與專用的移動NB-IoT物聯卡進行交互，將環境數據通過天線直接發送到NB-IoT基站。M5310模組在推出時就是全球尺寸最小的使用eSIM的NB-IOT通信模組，并支持OneNET平臺協議。通信模塊電源采用5V的MCU供電，使用XC6206P33進行電壓轉換，為確保有更好的電源供電性能，在靠近NB-IoT的電源輸入端并聯有兩個1μF的濾波電容；在RF天線的電路設計中，專業阻抗模擬計算工具用于PCB走線，以對天線執行50Ω阻抗控制，并保留π型匹配電路，方便調整射頻性能，保證射頻信號的良好可靠。

圖5 NB-IoT通信模塊電路圖

LED驅動電路中采用了MBI5030芯片，可以對16顆不同的LED燈珠采用PWM調制來控制各個LED燈的亮度。每個LED組燈有16顆LED燈珠，主要采用在可見光中的11個不同波段的LED燈珠組合，而且還搭配了紅外和紫外燈珠，對植物生長中所需的各類光照給予全方面的支持。

2.3 用戶監控端設計

OneNET平臺提供了相應的應用編輯器，用戶可以輕松實現綁定設備數據流的可視化，也可以直接給設備發送數據。利用該編輯器，設計了如圖6所示的用戶監控端界面。該客戶端可以顯示儲存在OneNET服務器上的溫濕度、光強等數據，也可以給照明設備發送命令，來控制LED組燈中每個燈珠的亮度，合成出不同的光譜光照需求。只需要通過網頁打開，用戶就可以在PC和手機端操作，實現遠距離實時監控和調試。

圖6 用戶監控端界面

3 LED光譜擬合

燈板采用11個不同波段的LED燈珠組合，圖7為所用到的不同波段LED光譜功率分布。

圖7 LED光譜功率分布

在合成所需光譜時，利用光譜疊加原理，把不同峰值波長的LED光譜疊加在一起，來合成目標光譜。由光譜疊加原理得到的LED光譜合成的數學模型為:

L(λ)=∑ejSj(λ)

(1)

式中，L(λ)為目標光譜曲線，ej為未知系數，Sj(λ)為單個LED光譜分布曲線，j為LED波段數。

筆者以某廠商公開的植物照明光譜數據作為目標光譜，如圖8所示。把所有數據以10nm間隔采樣，根據式(1)列出超定方程，采用最小二乘法求得每個燈珠的系數ej，再疊加求得圖8中的光譜，最后把求得的系數通過相應編碼處理后，通過客戶端發送到照明系統，其實際測得光譜功率如圖9所示。

圖8 目標光譜和所求光譜相對分布

圖9 照明系統實際測得光譜功率

4 結束語