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利用超低功耗光识别系统,优化智慧农业高产能变革

2019-03-12
关键词: 低功耗 智慧农业 ADI

  不久前,腾讯在荷兰举行的国际人工智能种菜大赛上力压英特尔,捧回大奖,被业界媒体称为“打响国内AI农业的第一枪”。其实,这一用词不免有些片面,毕竟业界已有不少巨头企业布局智能农业领域。如2018年6月7日,阿里正式发布“ET农业大脑”,通过人工智能指导农民播种、施肥和耕作,进行智慧选址,针对不同品种的果树选择最适宜的水土环境。同年9月,ABC SUMMIT百度云智峰会上,百度云宣布携手国内龙头农企中化农业,展示智能化农业生产管理平台,从连接、理解、唤醒三个层面推动智慧农业体系建立。

  众多巨头企业的入局,有效地推动了人工智能与物联网技术在农业领域的垂直化落地,例如对于种植业,需要对培植土壤的光照、温度、盐碱度等信息进行采集、调节与控制。以光照控制为例,虽然植物能在整个可见光谱上发生光合作用,但其对红光和蓝光波长的响应较大,对绿光波光的响应较小。绿光光谱大部分被树叶反射,红光和蓝光光谱则被吸收并用于光合作用。针对这一应用,业界知名企业ADI公司推出了适用于智能农业的超低功耗光识别系统,利用光检测电路来测量能被植物利用的波长上的光强度,并优化光源以实现最快的生长率。

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图1:典型PAR曲线和可见光谱

利用电路功能与优势,优化智能农业光源设计

  据ADI技术专家介绍,这款超低功耗光识别系统电路使用三个光电二极管,它们分别对不同波长(红、绿、蓝)敏感,用以测量对植物光合作用有效的光谱上的光强度水平。测量结果可用来优化光源以满足特定植物的需求,提高生长率,以及最大程度地减少能量损失。

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图2:利用ADI高性能元器件构建超低功耗光识别系统电路

  ADI光识别系统电路采用三个精密电流电压转换级,它们驱动一个具有三路差分输入的单电源、低功耗、低噪声、16位、Σ-Δ型模数转换器(ADC)。该电路不同于传统方法,没有任何机械和光学组件,仅使用电气元件来实现相同的目标。电路典型功耗低于10 mW,非常适合低功耗的物联网应用。

应用虽好,电流电压转换却会挖坑

  在电流电压转换中,选择偏置电流非常低的合适放大器对这一应用很重要,因为光电二极管输出可能只有数百皮安,大输入偏置电流会引入相当大的误差。“ADI公司的AD8500是一款低功耗精密CMOS运算放大器,可用作跨阻放大器,其最大电源电流仅1 μA。AD8500的最大失调电压为1 mV,典型输入偏置电流为1 pA。因此,低功耗和低输入偏置电流特性使AD8500成为最佳选择。”ADI专家补充道。

  电路中,三个ADI公司AD8500电流电压转换器以3.15 V的共模电压工作。3.15 V共模电压使得二极管阴极可以连在一起。二极管电流为0时,3.15 V共模电压在AD8500级的输出端提供0.15 V裕量。因此,当二极管电流随着光强度提高而增大时,AD8500级的输出信号从3.15 V向地摆动。选择适当的增益电阻R1、R2和R3,使得在满量程强度时,AD8500输出信号始终高于+0.15 V。这样,总峰峰值输出摆幅等于3.0 V。0.15 V到3.15 V摆幅在3.3 V基准电压设置的ADI公司AD7798 ADC范围以内。当AD7798工作在缓冲模式时,输入范围两端至少需要100 mV的裕量。

  选择各通道的反馈电阻,使得对于同样水平的光强度,满量程信号摆幅达到最大。电阻值利用光电二极管的最大期望输出电流和3.0 V的满量程值峰峰值信号摆幅计算。选择反馈电容来将带宽限制在大约1 kHz,并提供良好的相位裕量。电路稳定性和带宽可利用ADI公司光电二极管向导设计工具进行详细分析。

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图3:利用这一公式可计算各通道的反馈电阻

  另外,该电路中3.3 V ADC基准电压由ADR3433提供。ADI公司的ADR3433是一款低功耗、高精度(0.1%) CMOS基准电压源,噪声很低(0.1 Hz至10 Hz范围内为25 μV p-p)。该器件的工作电流很低(最大值为100 μA),适合用于低功耗应用。ADI公司提供的AD8502(AD8500的双通道版本)则用于缓冲ADR3433输出和3.15 V共模电压。3.15 V共模电压由电阻分压器产生。AD8502每放大器消耗的最大电源电流为1 μA,最大失调电压为3 mV,非常适合用作缓冲器。

模数转换?噪声测量?光强度转换?缺一不可

  这一部分,则选用ADI公司AD7798作为低功耗、低噪声、完整的16位Σ-Δ型ADC,提供三路差分输出。3.15 V共模电压驱动ADC差分输入的正输入引脚,以免在ADC内部缓冲器开启时发生任何裕量问题。每个ADC输入通道还有一个共模和差分滤波器用来降低噪声。共模滤波器由1 kΩ/470 pF组合构成,截止频率为340 kHz。差模滤波器由2 kΩ/4.7 nF组合构成,截止频率为17 kHz。

  ADI专家称,系统有效分辨率由噪声决定,通常用无噪声码分辨率来表示。下图给出了零电流和满量程电流时板上光电二极管的噪声分布。为实现零电流,光电二极管被覆盖起来。针对每种条件采集总共1000个样本。

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图4:光强度为零和满量程时的噪声(1000样本)

  同时,光强度转换为电流及通道增益选择十分关键。ADI专家补充道:“光电二极管的输出电流与所施加的光强度大致呈线性关系,但红光、绿光和蓝光二极管的相对灵敏度不同。因此,各通道的增益必须单独确定以便选择最佳的反馈电阻值。”

  综合如上优势,ADI专家利用该超低功耗光识别系统电路来测试多种白色光源以确定其对电路中光电二极管的470 nm、550 nm和620 nm窄带滤波器的响应。图5显示对一个30 cm处3.5 W白色LED光源的响应。图6显示对一个30 cm处10 W LED泛光灯光源的响应。图7显示对一个35 cm处50 W LED白炽灯光源的响应。可以看出,在利用10W LED 泛光灯进行实验时,有效降低绿光的强度,并提高红光与蓝光的输出强度,从而最大化植物光合作用的效果。

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图5:30 cm处3.5 W白色LED光源的强度

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图6:30 cm处10 W LED泛光灯光源的强度

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图7:35 cm处50 W LED白炽灯光源的强度

更好的电路板布局应该如何考量?

  由于光电二极管的高阻抗电流路径容易产生漏电流,必须考虑予以屏蔽。为使屏蔽体发挥作用,必须将其连接到正确的基准电位。

  此外,ADI专家还对电路布局给出了以下设计建议的干货观点:应当精心考虑电路板上的电源和接地回路布局;印刷电路板必须将模拟部分与数字部分分离;如果该电路所在系统有多个器件要求模拟地至数字地连接,则只能在一个点上进行连接;所有器件的电源必须通过至少0.1 μF的电容旁路,这些旁路电容必须尽可能靠近器件,电容最好正对着器件;所选0.1 μF电容必须具有低有效串联电阻(ESR)和低有效串联电感(ESL),例如陶瓷型电容,0.1 μF电容为瞬变电流提供低阻抗接地路径;电源走线必须尽可能宽,以提供低阻抗供电路径。事实上,这样的经验对大多数模拟电路设计都是适用的,为实现最佳性能通常都必须采用适当的布局、接地和去耦技术等,ADI高性能产品对此可以为设计提供很大的帮助。