引言

普适计算又称普存计算、普及计算,它强调的是和环境融为一体的、无处不在的计算。在普适计算中,计算机从人们的视线里消失,转而使用各种嵌入式设备作为计算的核心,通过传感器和无线网络,用户可以在任何时刻、任何地点,以任意方式进行信息的获取和处理。普适计算与信息农业的结合促进了设施农业生产模式的发展,在该模式中系统根据获取的数据进行总结和计算,并对农业生产现场的环境进行调节,这在一定程度上摆脱了长久以来农作物生长对自然环境的过多依赖,使得农作物生长具有高产、高效、高质的特点,其发达程度体现了一个国家农业现代化的水平。本文以MIPS架构的JZ4755和PIC32MX4系列处理器为核心,开发了普适农业中的数据采集、分析、监测与预警系统。该系统实现了低功耗、小体积条件下环境数据的采集、计算,并能根据所获取的数据进行分析和处理。

1 系统总体结构

整个系统包含两个主要部分:分支监测点和主控终端。分支监测点以PIC32MX460作为处理单元,外围器件有光照传感器、温度传感器、湿度传感器等,其完成的功能包括对当前光照强度、温度、湿度等环境数据的实时监测和记录。主控终端以国产JZ4755处理器为核心,外围器件包括网络通信模块、SD卡存储模块、GPRS通信模块等,其完成的功能是整合各个分支监测点获取的数据,根据农作物生长规律给出决策意见,同时把各个阶段记录的数据存储到SD卡模块中;主控终端中还内置有Web服务器,当连接上了网络时,用户在任何地方都能查询到系统当前的状态。当农作物生长环境出现异常情况时,主控终端还能通过GPRS通信模块发送警告短信给用户,以避免造成更大的损失。主控终端与分支监测点之间的信息交互通过433 MHz无线通信完成,既避免了有线通信方式所带来的布线繁琐,又具有较快的数据传输率和良好的稳定性。系统总体结构框图如图1所示。

相比于目前流行的嵌入式处理器,MIPS处理器具有低功耗、高性能的特点。

2 系统硬件设计

整个系统硬件设计包含两个部分:分支监测点硬件设计和主控终端硬件设计。

2.1 分支监测点硬件设计

分支监测点的主要任务是完成各监测点温度、湿度、亮度数据的采集和传输。其工作的环境比较复杂,对系统的稳定性要求也较高。因此,采用PIC32MX460系列芯片作为主芯片。PIC32MX460是Microchip公司生产的基于MIPS内核的低功耗、高性能处理器,内部集成有硬件看门狗,保证了系统出错时能够及时复位。该芯片资源丰富,具有完整的文档,方便开发、设计和应用。

DHT11是一款使用非常广泛的数字接口温湿度一体的传感器,其湿度测量范围为20%~90%,温度测量范围为0~50℃,测量精度为5%,完全符合本系统的需求。DHT11采用了单总线数据传输结构,便于与各种MCU进行连接,并且信号传输距离可达20 m以上。为了准确地采集当前环境的温度,每一个分支监测点使用了3个DHT11同时采集,然后求取其平均数。对于外部环境光照强度的感知,系统采用的是新型单片测光传感器BH1750,该传感器是ROHM公司为适应便携式机器的要求而开发的具有优良光谱灵敏度特性的单片数字光照度传感器,它采用简单的I2C总线接口与MCU进行连接。分支监测点硬件原理图如图2所示。

需要注意的是,PIC32MX460芯片带有I2C总线接口(分别为芯片的36、37引脚),与其他电路接口直接连接即可。由于I2C总线协议电气特性规定开漏极,在这里需要接10 kΩ的上拉电阻,否则该总线上将无法输出高电平。DHT11采用的单总线结构比较简单,使用PIC32MX460芯片GPIO来模拟单总线的协议与其连接,连接时也需要上拉10 kΩ的电阻以避免外界对信号的干扰。

2.2 主控终端硬件设计

主控终端以JZ4755为核心处理单元,外部电路包括网络接口电路、SD卡存储电路、4.3"LCD以及2.4G无线传感器。JZ4755是一款基于君正公司出品的创新XBurst双核CPU微体系结构,主频达到360 MHz,支持多媒体指令集的MIPS架构处理器。其所支持的外设类型丰富,片上集成有2个I2C总线控制器、1个SPI控制器、1个I2S控制器、1个RS232串口、2个SD/MMC接口等。该芯片具有完整的文档、BSP以及技术支持,在获取高性能的同时,该款芯片的价格却非常低廉,每百片的价格仅20元,有效地降低了系统的成本。JZ4755与LCD屏幕通过RGB接口连接,LCD与JZ4755接口电路如图3所示。

JZ4755与SD卡通过JZ4755上的SD[O]引脚连接,SD卡模块与JZ4755接口电路如图4所示。

由于JZ4755芯片上并没有集成网络控制器,所以本系统采用MarVell公司推出的8686Wi-Fi模块为其扩展无线网络连接,模块与JZ4755通过SDIO2接口连接。各个分支监测点与主控终端通过LSDRF4717M04/433 MHz无线模块进行连接,该模块是基于TI公司射频集成芯片CC1100E的高性能射频收发器,可广泛应用于各种场合的短距离无线通信领域,具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。

3 系统软件设计

系统软件包含两个部分:分支监测点软件和主控终端软件。

3.1 分支监测点软件设计

各个分支监测点主要完成数据采集和传输,系统在完成对自身的初始化后,将对所有外围设备进行初始化,包括对DHT11温湿度模块的初始化、BH1750光照感应模块的初始化以及LSDRF4717M04的初始化。在所有外设均初始化正常后,分支监测点开始对各个外围模块进行轮询,以获取实时的环境信息,并且根据这些信息进行一些简单的计算,判断所取得的数据是否合理,如果合理则记录到存储器中。分支监测点每次轮询完成将查看是否通过LSDRF4717M04模块接收到了主控终端的“传送”命令,如果接收了则把存储的环境数据发送给主控终端,否则进行下一次轮询。分支监测点的软件流程如图5所示。


3.2 主控终端软件设计

与分支监测点相比,主控终端的功能更加丰富,软件的流程也相对比较复杂。系统上电启动后,首先将对外设进行初始化,初始化成功后通过LSDRF4717M04模块发送查询信息以取得分支监测点的数目并进行编号。以后每隔一定的时间依次对各个分支监测点发送查询命令以获取当前环境数据并存储于SD卡中,同时屏幕上绘制出农作物生长曲线供用户参考。主控终端包含有一个Web服务器端程序,当用户身处异地想要查看当前情况时,可以选择从网络登录到主控终端进行查看。主控端软件流程如图6所示。


结语

随着现代化水平的不断提高,传统的手工农业将逐渐被智能的设施农业所取代。农业生产者可以利用网络在任何时候、任何地点获得农业生产现场的数据,并加以控制。同时,系统还会根据以往的经验数据给农业生产者一定的意见和建议,避免了因为经验不足而造成的损失。本系统基于先进的MIPS架构所开发,是普适技术在智能农业应用的一种尝试,对今后普适技术在农业中的推广进行了探索性的研究,具有很好的应用前景。