基于MIPS的普適農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    普適計(jì)算又稱(chēng)普存計(jì)算、普及計(jì)算，它強(qiáng)調(diào)的是和環(huán)境融為一體的、無(wú)處不在的計(jì)算。在普適計(jì)算中，計(jì)算機(jī)從人們的視線(xiàn)里消失，轉(zhuǎn)而使用各種嵌入式設(shè)備作為計(jì)算的核心，通過(guò)傳感器和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)，以任意方式進(jìn)行信息的獲取和處理。普適計(jì)算與信息農(nóng)業(yè)的結(jié)合促進(jìn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的發(fā)展，在該模式中系統(tǒng)根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和計(jì)算，并對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，這在一定程度上擺脫了長(zhǎng)久以來(lái)農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)自然環(huán)境的過(guò)多依賴(lài)，使得農(nóng)作物生長(zhǎng)具有高產(chǎn)、高效、高質(zhì)的特點(diǎn)，其發(fā)達(dá)程度體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的水平。本文以MIPS架構(gòu)的JZ4755和PIC32MX4系列處理器為核心，開(kāi)發(fā)了普適農(nóng)業(yè)中的數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低功耗、小體積條件下環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算，并能根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    整個(gè)系統(tǒng)包含兩個(gè)主要部分：分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)和主控終端。分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)以PIC32MX460作為處理單元，外圍器件有光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等，其完成的功能包括對(duì)當(dāng)前光照強(qiáng)度、溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。主控終端以國(guó)產(chǎn)JZ4755處理器為核心，外圍器件包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、GPRS通信模塊等，其完成的功能是整合各個(gè)分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)規(guī)律給出決策意見(jiàn)，同時(shí)把各個(gè)階段記錄的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡模塊中；主控終端中還內(nèi)置有Web服務(wù)器，當(dāng)連接上了網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶(hù)在任何地方都能查詢(xún)到系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境出現(xiàn)異常情況時(shí)，主控終端還能通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送警告短信給用戶(hù)，以避免造成更大的損失。主控終端與分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的信息交互通過(guò)433 MHz無(wú)線(xiàn)通信完成，既避免了有線(xiàn)通信方式所帶來(lái)的布線(xiàn)繁瑣，又具有較快的數(shù)據(jù)傳輸率和良好的穩(wěn)定性。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    相比于目前流行的嵌入式處理器，MIPS處理器具有低功耗、高性能的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包含兩個(gè)部分：分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和主控終端硬件設(shè)計(jì)。
2．1 分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主要任務(wù)是完成各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度、濕度、亮度數(shù)據(jù)的采集和傳輸。其工作的環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也較高。因此，采用PIC32MX460系列芯片作為主芯片。PIC32MX460是Microchip公司生產(chǎn)的基于MIPS內(nèi)核的低功耗、高性能處理器，內(nèi)部集成有硬件看門(mén)狗，保證了系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)能夠及時(shí)復(fù)位。該芯片資源豐富，具有完整的文檔，方便開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
    DHT11是一款使用非常廣泛的數(shù)字接口溫濕度一體的傳感器，其濕度測(cè)量范圍為20％～90％，溫度測(cè)量范圍為0～50℃，測(cè)量精度為5％，完全符合本系統(tǒng)的需求。DHT11采用了單總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，便于與各種MCU進(jìn)行連接，并且信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上。為了準(zhǔn)確地采集當(dāng)前環(huán)境的溫度，每一個(gè)分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)使用了3個(gè)DHT11同時(shí)采集，然后求取其平均數(shù)。對(duì)于外部環(huán)境光照強(qiáng)度的感知，系統(tǒng)采用的是新型單片測(cè)光傳感器BH1750，該傳感器是ROHM公司為適應(yīng)便攜式機(jī)器的要求而開(kāi)發(fā)的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性的單片數(shù)字光照度傳感器，它采用簡(jiǎn)單的I2C總線(xiàn)接口與MCU進(jìn)行連接。分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)硬件原理圖如圖2所示。

    需要注意的是，PIC32MX460芯片帶有I2C總線(xiàn)接口(分別為芯片的36、37引腳)，與其他電路接口直接連接即可。由于I2C總線(xiàn)協(xié)議電氣特性規(guī)定開(kāi)漏極，在這里需要接10 kΩ的上拉電阻，否則該總線(xiàn)上將無(wú)法輸出高電平。DHT11采用的單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用PIC32MX460芯片GPIO來(lái)模擬單總線(xiàn)的協(xié)議與其連接，連接時(shí)也需要上拉10 kΩ的電阻以避免外界對(duì)信號(hào)的干擾。
2．2 主控終端硬件設(shè)計(jì)
    主控終端以JZ4755為核心處理單元，外部電路包括網(wǎng)絡(luò)接口電路、SD卡存儲(chǔ)電路、4．3"LCD以及2．4G無(wú)線(xiàn)傳感器。JZ4755是一款基于君正公司出品的創(chuàng)新XBurst雙核CPU微體系結(jié)構(gòu)，主頻達(dá)到360 MHz，支持多媒體指令集的MIPS架構(gòu)處理器。其所支持的外設(shè)類(lèi)型豐富，片上集成有2個(gè)I2C總線(xiàn)控制器、1個(gè)SPI控制器、1個(gè)I2S控制器、1個(gè)RS232串口、2個(gè)SD／MMC接口等。該芯片具有完整的文檔、BSP以及技術(shù)支持，在獲取高性能的同時(shí)，該款芯片的價(jià)格卻非常低廉，每百片的價(jià)格僅20元，有效地降低了系統(tǒng)的成本。JZ4755與LCD屏幕通過(guò)RGB接口連接，LCD與JZ4755接口電路如圖3所示。

    JZ4755與SD卡通過(guò)JZ4755上的SD[O]引腳連接，SD卡模塊與JZ4755接口電路如圖4所示。

    由于JZ4755芯片上并沒(méi)有集成網(wǎng)絡(luò)控制器，所以本系統(tǒng)采用MarVell公司推出的8686Wi-Fi模塊為其擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，模塊與JZ4755通過(guò)SDIO2接口連接。各個(gè)分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)與主控終端通過(guò)LSDRF4717M04／433 MHz無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行連接，該模塊是基于TI公司射頻集成芯片CC1100E的高性能射頻收發(fā)器，可廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合的短距離無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件包含兩個(gè)部分：分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)軟件和主控終端軟件。
3．1 分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    各個(gè)分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)采集和傳輸，系統(tǒng)在完成對(duì)自身的初始化后，將對(duì)所有外圍設(shè)備進(jìn)行初始化，包括對(duì)DHT11溫濕度模塊的初始化、BH1750光照感應(yīng)模塊的初始化以及LSDRF4717M04的初始化。在所有外設(shè)均初始化正常后，分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始對(duì)各個(gè)外圍模塊進(jìn)行輪
詢(xún)，以獲取實(shí)時(shí)的環(huán)境信息，并且根據(jù)這些信息進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的計(jì)算，判斷所取得的數(shù)據(jù)是否合理，如果合理則記錄到存儲(chǔ)器中。分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)每次輪詢(xún)完成將查看是否通過(guò)LSDRF4717M04模塊接收到了主控終端的“傳送”命令，如果接收了則把存儲(chǔ)的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給主控終端，否則進(jìn)行下一次輪詢(xún)。分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。

3．2 主控終端軟件設(shè)計(jì)
    與分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比，主控終端的功能更加豐富，軟件的流程也相對(duì)比較復(fù)雜。系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先將對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化，初始化成功后通過(guò)LSDRF4717M04模塊發(fā)送查詢(xún)信息以取得分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)目并進(jìn)行編號(hào)。以后每隔一定的時(shí)間依次對(duì)各個(gè)分支監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送查詢(xún)命令以獲取當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于SD卡中，同時(shí)屏幕上繪制出農(nóng)作物生長(zhǎng)曲線(xiàn)供用戶(hù)參考。主控終端包含有一個(gè)Web服務(wù)器端程序，當(dāng)用戶(hù)身處異地想要查看當(dāng)前情況時(shí)，可以選擇從網(wǎng)絡(luò)登錄到主控終端進(jìn)行查看。主控端軟件流程如圖6所示。

結(jié)語(yǔ)
    隨著現(xiàn)代化水平的不斷提高，傳統(tǒng)的手工農(nóng)業(yè)將逐漸被智能的設(shè)施農(nóng)業(yè)所取代。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以利用網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，并加以控制。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者一定的意見(jiàn)和建議，避免了因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足而造成的損失。本系統(tǒng)基于先進(jìn)的MIPS架構(gòu)所開(kāi)發(fā)，是普適技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用的一種嘗試，對(duì)今后普適技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的推廣進(jìn)行了探索性的研究，具有很好的應(yīng)用前景。