基于μC／OS-Ⅱ農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：以高性能的S3CA4BOX芯片為處理器核心，結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)；構(gòu)建了嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，詳細(xì)闡述了應(yīng)用軟件的任務(wù)設(shè)計(jì)、優(yōu)先級(jí)安排和各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)過理論和實(shí)驗(yàn)證明，該農(nóng)田信息采集系統(tǒng)性能優(yōu)良，可靠性高。
關(guān)鍵詞：μC／OS-Ⅱ；農(nóng)田信息采集；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；任務(wù)

0 引言
精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心問題可敘述為信息獲取、農(nóng)田信息管理和分析、決策分析、決策的農(nóng)田實(shí)施四大部分。其中農(nóng)田基礎(chǔ)信息(土壤養(yǎng)分、濕度、理化性狀、苗情、病蟲草害)的獲取和處理是精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的起點(diǎn)。如果這個(gè)問題解決不好就很難真正地實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。農(nóng)田信息主要包括地理環(huán)境、土壤環(huán)境、小氣候、水環(huán)境、與作物生長(zhǎng)狀況相關(guān)的信息以及管理信息等，具有量大、多維(信息多種多樣)、動(dòng)態(tài)、不確定(系統(tǒng)的噪聲或隨機(jī)噪聲)、不完整、時(shí)空變異性強(qiáng)等特點(diǎn)。在精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中，目前優(yōu)先需要考慮的是土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤壓實(shí)、耕作層深度和作物病蟲草害及作物苗情分布信息等，要求能夠定位、快速、精確、連續(xù)地測(cè)量。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析方法已很難滿足這一要求，為此，需要開發(fā)適用于精細(xì)農(nóng)業(yè)的農(nóng)田信息快速采集技術(shù)。本設(shè)計(jì)以S3CA4B0X為主體，構(gòu)建農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并在S3CA4B0X內(nèi)部嵌入μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性、可移植性。

1 μC／OS-Ⅱ簡(jiǎn)介
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的全名是Micro-Controller Operating System Version2，是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。
μC／OS-Ⅱ采用微內(nèi)核設(shè)計(jì)，使用C語(yǔ)言編寫，追求編程的靈活性，可配置、可裁剪、可擴(kuò)充、可移植。μC／OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)先級(jí)算法采用查表法，切換速度快。μC／OS-Ⅱ可以處理和調(diào)度多達(dá)64個(gè)任務(wù)，目前有8個(gè)留給系統(tǒng)使用，應(yīng)用程序可使用多達(dá)56個(gè)任務(wù)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主要由通訊模塊、農(nóng)田數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)模塊幾部分組成。主要完成以下幾個(gè)方面功能：
(1)在農(nóng)田信息采樣時(shí)，通訊模塊接收全球定位系統(tǒng)GPS經(jīng)緯度位置信息，數(shù)據(jù)采集模塊完成田間土壤參數(shù)信息的采集，系統(tǒng)的多個(gè)模擬信號(hào)輸入通道與田間土壤水分、溫度、養(yǎng)分等傳感器探針相連，測(cè)量田間土壤的水分、養(yǎng)分、溫度等參數(shù)值，然后與上位計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行處理。
(2)在工作室進(jìn)行農(nóng)田數(shù)據(jù)處理時(shí)，通訊模塊將采集的農(nóng)田數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上的軟件進(jìn)行一系列處理，最終生成田間土壤水分分布圖、養(yǎng)分分布圖和溫度變化圖等并保存。
(3)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)擴(kuò)展CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)接口后，可與農(nóng)機(jī)機(jī)械的(拖拉機(jī)、收割機(jī)等)CAN控制總線相連接，幫助駕駛員駕駛農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間實(shí)施農(nóng)業(yè)操作。在需要進(jìn)行自動(dòng)變量施肥、變量噴灑農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)作業(yè)中，要求農(nóng)機(jī)機(jī)械在特定的農(nóng)田中采取特定的行進(jìn)速度，以達(dá)到噴撒物的劑量與農(nóng)田作業(yè)的要求相適應(yīng)。并依據(jù)農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)和專家系統(tǒng)提供的農(nóng)機(jī)機(jī)械作業(yè)路線，使駕駛員操作農(nóng)機(jī)機(jī)械按照電子地圖上設(shè)計(jì)的行走路線行走，從而完成播種、施肥、滅蟲、灌溉、收割等工作，包括完成耕地深度、施肥量、灌溉量的控制任務(wù)等。
2．2 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的硬件方案
本系統(tǒng)以嵌入式微處理器ARM S3C44B0X芯片為核心，包括傳感器信息采集電路、串口通訊電路、GPS通訊電路、擴(kuò)展的CAN總線、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、液晶屏顯示電路、鍵盤接口電路以及功能鍵盤等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。