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，被業界媒體稱為“打響國內AI農業的第一槍”。其實，這一用詞不免有些片面，畢竟業界已有不少巨頭企業布局智能農業領域。如2018年6月7日，阿里正式發布“ET農業大腦”，通過人工智能指導農民播種、施肥和耕作，進行智慧選址，針對不同品種的果樹選擇最適宜的水土環境。同年9月，ABC SUMMIT百度云智峰會上，百度云宣布攜手國內龍頭農企中化農業，展示智能化農業生產管理平臺，從連接、理解、喚醒三個層面推動智慧農業體系建立。
眾多巨頭企業的入局，有效地推動了人工智能與物聯網技術在農業領域的垂直化落地，例如對于種植業，需要對培植土壤的光照、溫度、鹽堿度等信息進行采集、調節與控制。以光照控制為例，雖然植物能在整個可見光譜上發生光合作用，但其對紅光和藍光波長的響應較大，對綠光波光的響應較小。綠光光譜大部分被樹葉反射，紅光和藍光光譜則被吸收并用于光合作用。針對這一應用，業界知名企業ADI公司推出了適用于智能農業的超低功耗光識別系統，利用光檢測電路來測量能被植物利用的波長上的光強度，并優化光源以實現最快的生長率。
圖1：典型PAR曲線和可見光譜
利用電路功能與優勢，優化智能農業光源設計
據ADI技術專家介紹，這款超低功耗光識別系統電路使用三個光電二極管，它們分別對不同波長(紅、綠、藍)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。測量結果可用來優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高性能元器件構建超低功耗光識別系統電路
ADI光識別系統電路采用三個精密電流電壓轉換級，它們驅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型模數轉換器(ADC)。該電路不同于傳統方法，沒有任何機械和光學組件，僅使用電氣元件來實現相同的目標。電路典型功耗低于10 mW，非常適合低功耗的物聯網應用。
應用雖好，電流電壓轉換卻會挖坑
在電流電壓轉換中，選擇偏置電流非常低的合適放大器對這一應用很重要，因為光電二極管輸出可能只有數百皮安，大輸入偏置電流會引入相當大的誤差。“ADI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。選擇適當的增益電阻R1、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基準電壓設置的ADI公司AD7798 ADC范圍以內。當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。電路穩定性和帶寬可利用ADI公司光電二極管向導設計工具進行詳細分析。
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基準電壓源，噪聲很低（0.1 Hz至10 Hz范圍內為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生。AD8502每放大器消耗的最大電源電流為1 μA，最大失調電壓為3 mV，非常適合用作緩沖器。
模數轉換？噪聲測量？光強度轉換？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共模電壓驅動ADC差分輸入的正輸入引腳，以免在ADC內部緩沖器開啟時發生任何裕量問題。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組合構成，截止頻率為340 kHz。差模濾波器由2 kΩ/4.7 nF組合構成，截止頻率為17 kHz。
ADI專家稱，系統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，光強度轉換為電流及通道增益選擇十分關鍵。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系，但紅光、綠光和藍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>
綜合如上優勢，ADI專家利用該超低功耗光識別系統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。圖5顯示對一個30 cm處3.5 W白色LED光源的響應。圖6顯示對一個30 cm處10 W LED泛光燈光源的響應。圖7顯示對一個35 cm處50 W LED白熾燈光源的響應?？梢钥闯?，在利用10W LED 泛光燈進行實驗時，有效降低綠光的強度，并提高紅光與藍光的輸出強度，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該如何考量？
由于光電二極管的高阻抗電流路徑容易產生漏電流，必須考慮予以屏蔽。為使屏蔽體發揮作用，必須將其連接到正確的基準電位。
此外，ADI專家還對電路布局給出了以下設計建議的干貨觀點：應當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字部分分離；如果該電路所在系統有多個器件要求模擬地至數字地連接，則只能在一個點上進行連接；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電阻(ESR)和低有效串聯電感(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，這樣的經驗對大多數模擬電路設計都是適用的，為實現最佳性能通常都必須采用適當的布局、接地和去耦技術等，ADI高性能產品對此可以為設計提供很大的幫助。