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

引言
普適計算又稱普存計算、普及計算，它強調(diào)的是和環(huán)境融為一體的、無處不在的計算。在普適計算中，計算機從人們的視線里消失，轉(zhuǎn)而使用各種嵌入式設(shè)備作為計算的核心，通過傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)，用戶可以在任何時刻、任何地點，以任意方式進行信息的獲取和處理。普適計算與信息農(nóng)業(yè)的結(jié)合促進了設(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)進行總結(jié)和計算，并對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境進行調(diào)節(jié)，這在一定程度上擺脫了長久以來農(nóng)作物生長對自然環(huán)境的過多依賴，使得農(nóng)作物生長具有高產(chǎn)、高效、高質(zhì)的特點，其發(fā)達程度體現(xiàn)了一個國家農(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，開發(fā)了普適農(nóng)業(yè)中的數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了低功耗、小體積條件下環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、計算，并能根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)進行分析和處理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)包含兩個主要部分：分支監(jiān)測點和主控終端。分支監(jiān)測點以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當(dāng)前光照強度、溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和記錄。主控終端以國產(chǎn)JZ4755處理器為核心，外圍器件包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、SD卡存儲模塊、GPRS通信模塊等，其完成的功能是整合各個分支監(jiān)測點獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)農(nóng)作物生長規(guī)律給出決策意見，同時把各個階段記錄的數(shù)據(jù)存儲到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，用戶在任何地方都能查詢到系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)農(nóng)作物生長環(huán)境出現(xiàn)異常情況時，主控終端還能通過GPRS通信模塊發(fā)送警告短信給用戶，以避免造成更大的損失。主控終端與分支監(jiān)測點之間的信息交互通過433 MHz無線通信完成，既避免了有線通信方式所帶來的布線繁瑣，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。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
整個系統(tǒng)硬件設(shè)計包含兩個部分：分支監(jiān)測點硬件設(shè)計和主控終端硬件設(shè)計。
2．1 分支監(jiān)測點硬件設(shè)計
分支監(jiān)測點的主要任務(wù)是完成各監(jiān)測點溫度、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)部集成有硬件看門狗，保證了系統(tǒng)出錯時能夠及時復(fù)位。該芯片資源豐富，具有完整的文檔，方便開發(fā)、設(shè)計和應(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，其濕度測量范圍為20％～90％，溫度測量范圍為0～50℃，測量精度為5％，完全符合本系統(tǒng)的需求。DHT11采用了單總線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，便于與各種MCU進行連接，并且信號傳輸距離可達20 m以上。為了準(zhǔn)確地采集當(dāng)前環(huán)境的溫度，每一個分支監(jiān)測點使用了3個DHT11同時采集，然后求取其平均數(shù)。對于外部環(huán)境光照強度的感知，系統(tǒng)采用的是新型單片測光傳感器BH1750，該傳感器是ROHM公司為適應(yīng)便攜式機器的要求而開發(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，它采用簡單的I2C總線接口與MCU進行連接。分支監(jiān)測點硬件原理圖如圖2所示。

需要注意的是，PIC32MX460芯片帶有I2C總線接口(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總線協(xié)議電氣特性規(guī)定開漏極，在這里需要接10 kΩ的上拉電阻，否則該總線上將無法輸出高電平。DHT11采用的單總線結(jié)構(gòu)比較簡單，使用PIC32MX460芯片GPIO來模擬單總線的協(xié)議與其連接，連接時也需要上拉10 kΩ的電阻以避免外界對信號的干擾。