不久前，騰訊在荷蘭舉行的國際人工智能種菜大賽上力壓英特爾，捧回大獎，被業(yè)界媒體稱為“打響國內(nèi)AI農(nóng)業(yè)的第一槍”。其實，這一用詞不免有些片面，畢竟業(yè)界已有不少巨頭企業(yè)布局智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。如2018年6月7日，阿里正式發(fā)布“ET農(nóng)業(yè)大腦”，通過人工智能指導(dǎo)農(nóng)民播種、施肥和耕作，進(jìn)行智慧選址，針對不同品種的果樹選擇最適宜的水土環(huán)境。同年9月，ABC SUMMIT百度云智峰會上，百度云宣布攜手國內(nèi)龍頭農(nóng)企中化農(nóng)業(yè)，展示智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理平臺，從連接、理解、喚醒三個層面推動智慧農(nóng)業(yè)體系建立。
眾多巨頭企業(yè)的入局，有效地推動了人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的垂直化落地，例如對于種植業(yè)，需要對培植土壤的光照、溫度、鹽堿度等信息進(jìn)行采集、調(diào)節(jié)與控制。以光照控制為例，雖然植物能在整個可見光譜上發(fā)生光合作用，但其對紅光和藍(lán)光波長的響應(yīng)較大，對綠光波光的響應(yīng)較小。綠光光譜大部分被樹葉反射，紅光和藍(lán)光光譜則被吸收并用于光合作用。針對這一應(yīng)用，業(yè)界知名企業(yè)ADI公司推出了適用于智能農(nóng)業(yè)的超低功耗光識別系統(tǒng)，利用光檢測電路來測量能被植物利用的波長上的光強度，并優(yōu)化光源以實現(xiàn)最快的生長率。
圖1：典型PAR曲線和可見光譜
利用電路功能與優(yōu)勢，優(yōu)化智能農(nóng)業(yè)光源設(shè)計
據(jù)ADI技術(shù)專家介紹，這款超低功耗光識別系統(tǒng)電路使用三個光電二極管，它們分別對不同波長(紅、綠、藍(lán))敏感，用以測量對植物光合作用有效的光譜上的光強度水平。測量結(jié)果可用來優(yōu)化光源以滿足特定植物的需求，提高生長率，以及最大程度地減少能量損失。
圖2：利用ADI高性能元器件構(gòu)建超低功耗光識別系統(tǒng)電路
ADI光識別系統(tǒng)電路采用三個精密電流電壓轉(zhuǎn)換級，它們驅(qū)動一個具有三路差分輸入的單電源、低功耗、低噪聲、16位、Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該電路不同于傳統(tǒng)方法，沒有任何機械和光學(xué)組件，僅使用電氣元件來實現(xiàn)相同的目標(biāo)。電路典型功耗低于10 mW，非常適合低功耗的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
應(yīng)用雖好，電流電壓轉(zhuǎn)換卻會挖坑
在電流電壓轉(zhuǎn)換中，選擇偏置電流非常低的合適放大器對這一應(yīng)用很重要，因為光電二極管輸出可能只有數(shù)百皮安，大輸入偏置電流會引入相當(dāng)大的誤差?！癆DI公司的AD8500是一款低功耗精密CMOS運算放大器，可用作跨阻放大器，其最大電源電流僅1 μA。AD8500的最大失調(diào)電壓為1 mV，典型輸入偏置電流為1 pA。因此，低功耗和低輸入偏置電流特性使AD8500成為最佳選擇。”ADI專家補充道。
電路中，三個ADI公司AD8500電流電壓轉(zhuǎn)換器以3.15 V的共模電壓工作。3.15 V共模電壓使得二極管陰極可以連在一起。二極管電流為0時，3.15 V共模電壓在AD8500級的輸出端提供0.15 V裕量。因此，當(dāng)二極管電流隨著光強度提高而增大時，AD8500級的輸出信號從3.15 V向地擺動。選擇適當(dāng)?shù)脑鲆骐娮鑂1、R2和R3，使得在滿量程強度時，AD8500輸出信號始終高于+0.15 V。這樣，總峰峰值輸出擺幅等于3.0 V。0.15 V到3.15 V擺幅在3.3 V基準(zhǔn)電壓設(shè)置的ADI公司AD7798 ADC范圍以內(nèi)。當(dāng)AD7798工作在緩沖模式時，輸入范圍兩端至少需要100 mV的裕量。
選擇各通道的反饋電阻，使得對于同樣水平的光強度，滿量程信號擺幅達(dá)到最大。電阻值利用光電二極管的最大期望輸出電流和3.0 V的滿量程值峰峰值信號擺幅計算。選擇反饋電容來將帶寬限制在大約1 kHz，并提供良好的相位裕量。電路穩(wěn)定性和帶寬可利用ADI公司光電二極管向?qū)гO(shè)計工具進(jìn)行詳細(xì)分析。
圖3：利用這一公式可計算各通道的反饋電阻
另外，該電路中3.3 V ADC基準(zhǔn)電壓由ADR3433提供。ADI公司的ADR3433是一款低功耗、高精度(0.1%) CMOS基準(zhǔn)電壓源，噪聲很低（0.1 Hz至10 Hz范圍內(nèi)為25 μV p-p）。該器件的工作電流很低（最大值為100 μA），適合用于低功耗應(yīng)用。ADI公司提供的AD8502（AD8500的雙通道版本）則用于緩沖ADR3433輸出和3.15 V共模電壓。3.15 V共模電壓由電阻分壓器產(chǎn)生。AD8502每放大器消耗的最大電源電流為1 μA，最大失調(diào)電壓為3 mV，非常適合用作緩沖器。
模數(shù)轉(zhuǎn)換？噪聲測量？光強度轉(zhuǎn)換？缺一不可
這一部分，則選用ADI公司AD7798作為低功耗、低噪聲、完整的16位Σ-Δ型ADC，提供三路差分輸出。3.15 V共模電壓驅(qū)動ADC差分輸入的正輸入引腳，以免在ADC內(nèi)部緩沖器開啟時發(fā)生任何裕量問題。每個ADC輸入通道還有一個共模和差分濾波器用來降低噪聲。共模濾波器由1 kΩ/470 pF組合構(gòu)成，截止頻率為340 kHz。差模濾波器由2 kΩ/4.7 nF組合構(gòu)成，截止頻率為17 kHz。
ADI專家稱，系統(tǒng)有效分辨率由噪聲決定，通常用無噪聲碼分辨率來表示。下圖給出了零電流和滿量程電流時板上光電二極管的噪聲分布。為實現(xiàn)零電流，光電二極管被覆蓋起來。針對每種條件采集總共1000個樣本。
圖4：光強度為零和滿量程時的噪聲（1000樣本）
同時，光強度轉(zhuǎn)換為電流及通道增益選擇十分關(guān)鍵。ADI專家補充道：“光電二極管的輸出電流與所施加的光強度大致呈線性關(guān)系，但紅光、綠光和藍(lán)光二極管的相對靈敏度不同。因此，各通道的增益必須單獨確定以便選擇最佳的反饋電阻值?！?/p>
綜合如上優(yōu)勢，ADI專家利用該超低功耗光識別系統(tǒng)電路來測試多種白色光源以確定其對電路中光電二極管的470 nm、550 nm和620 nm窄帶濾波器的響應(yīng)。圖5顯示對一個30 cm處3.5 W白色LED光源的響應(yīng)。圖6顯示對一個30 cm處10 W LED泛光燈光源的響應(yīng)。圖7顯示對一個35 cm處50 W LED白熾燈光源的響應(yīng)?？梢钥闯觯诶?0W LED 泛光燈進(jìn)行實驗時，有效降低綠光的強度，并提高紅光與藍(lán)光的輸出強度，從而最大化植物光合作用的效果。
圖5：30 cm處3.5 W白色LED光源的強度
圖6：30 cm處10 W LED泛光燈光源的強度
圖7：35 cm處50 W LED白熾燈光源的強度
更好的電路板布局應(yīng)該如何考量？
由于光電二極管的高阻抗電流路徑容易產(chǎn)生漏電流，必須考慮予以屏蔽。為使屏蔽體發(fā)揮作用，必須將其連接到正確的基準(zhǔn)電位。
此外，ADI專家還對電路布局給出了以下設(shè)計建議的干貨觀點：應(yīng)當(dāng)精心考慮電路板上的電源和接地回路布局；印刷電路板必須將模擬部分與數(shù)字部分分離；如果該電路所在系統(tǒng)有多個器件要求模擬地至數(shù)字地連接，則只能在一個點上進(jìn)行連接；所有器件的電源必須通過至少0.1 μF的電容旁路，這些旁路電容必須盡可能靠近器件，電容最好正對著器件；所選0.1 μF電容必須具有低有效串聯(lián)電阻(ESR)和低有效串聯(lián)電感(ESL)，例如陶瓷型電容，0.1 μF電容為瞬變電流提供低阻抗接地路徑；電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗供電路徑。事實上，這樣的經(jīng)驗對大多數(shù)模擬電路設(shè)計都是適用的，為實現(xiàn)最佳性能通常都必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)等，ADI高性能產(chǎn)品對此可以為設(shè)計提供很大的幫助。