基于MIPS的普適計算在農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

普適計算又稱普存計算、普及計算，它強(qiáng)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(jī)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(jìn)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(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)和計算，并對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行連接，并且信號傳輸距離可達(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(qiáng)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(jī)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(jìn)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。

2．2 主控終端硬件設(shè)計

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卡存儲電路、4．3LCD以及2．4G無線傳感器。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)類型豐富，片上集成有2個I2C總線控制器、1個SPI控制器、1個I2S控制器、1個RS232串口、2個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，該款芯片的價格卻非常低廉，每百片的價格僅20元，有效地降低了系統(tǒng)的成本。JZ4755與LCD屏幕通過RGB接口連接，LCD與JZ4755接口電路如圖3所示。

JZ4755與SD卡通過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)展無線網(wǎng)絡(luò)連接，模塊與JZ4755通過SDIO2接口連接。各個分支監(jiān)測點與主控終端通過LSDRF4717M04／433 MHz無線模塊進(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)用于各種場合的短距離無線通信領(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。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包含兩個部分：分支監(jiān)測點軟件和主控終端軟件。

3．1 分支監(jiān)測點軟件設(shè)計

各個分支監(jiān)測點主要完成數(shù)據(jù)采集和傳輸，系統(tǒng)在完成對自身的初始化后，將對所有外圍設(shè)備進(jìn)行初始化，包括對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)測點開始對各個外圍模塊進(jìn)行輪詢，以獲取實時的環(huán)境信息，并且根據(jù)這些信息進(jìn)行一些簡單的計算，判斷所取得的數(shù)據(jù)是否合理，如果合理則記錄到存儲器中。分支監(jiān)測點每次輪詢完成將查看是否通過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。分支監(jiān)測點的軟件流程如圖5所示。


3．2 主控終端軟件設(shè)計

與分支監(jiān)測點相比，主控終端的功能更加豐富，軟件的流程也相對比較復(fù)雜。系統(tǒng)上電啟動后，首先將對外設(shè)進(jìn)行初始化，初始化成功后通過LSDRF4717M04模塊發(fā)送查詢信息以取得分支監(jiān)測點的數(shù)目并進(jìn)行編號。以后每隔一定的時間依次對各個分支監(jiān)測點發(fā)送查詢命令以獲取當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)并存儲于SD卡中，同時屏幕上繪制出農(nóng)作物生長曲線供用戶參考。主控終端包含有一個Web服務(wù)器端程序，當(dāng)用戶身處異地想要查看當(dāng)前情況時，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

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)在任何時候、任何地點獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并加以控制。同時，系統(tǒng)還會根據(jù)以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者一定的意見和建議，避免了因為經(jīng)驗不足而造成的損失。本系統(tǒng)基于先進(jìn)的MIPS架構(gòu)所開發(fā)，是普適技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用的一種嘗試，對今后普適技術(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。