基于MIPS的普適農業監測系統設計

殷華，何火嬌

（江西農業大學 軟件學院，南昌 330045）

殷華（助教），主要研究領域為智能農業、嵌入式系統；何火嬌（教授），主要研究領域為智能農業信息處理技術。

引 言

普適計算又稱普存計算、普及計算，它強調的是和環境融為一體的、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，轉而使用各種嵌入式設備作為計算的核心，通過傳感器和無線網絡，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。普適計算與信息農業的結合促進了設施農業生產模式的發展，在該模式中系統根據獲取的數據進行總結和計算，并對農業生產現場的環境進行調節，這在一定程度上擺脫了長久以來農作物生長對自然環境的過多依賴，使得農作物生長具有高產、高效、高質的特點，其發達程度體現了一個國家農業現代化的水平。本文以MIPS架構的JZ4755和PIC32MX4系列處理器為核心，開發了普適農業中的數據采集、分析、監測與預警系統。該系統實現了低功耗、小體積條件下環境數據的采集、計算，并能根據所獲取的數據進行分析和處理。

1 系統總體結構

整個系統包含兩個主要部分：分支監測點和主控終端。分支監測點以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前光照強度、溫度、濕度等環境數據的實時監測和記錄。主控終端以國產JZ4755處理器為核心，外圍器件包括網絡通信模塊、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測點獲取的數據，根據農作物生長規律給出決策意見，同時把各個階段記錄的數據存儲到SD卡模塊中；主控終端中還內置有Web服務器，當連接上了網絡時，用戶在任何地方都能查詢到系統當前的狀態。當農作物生長環境出現異常情況時，主控終端還能通過GPRS通信模塊發送警告短信給用戶，以避免造成更大的損失。主控終端與分支監測點之間的信息交互通過433MHz無線通信完成，既避免了有線通信方式所帶來的布線繁瑣，又具有較快的數據傳輸率和良好的穩定性。系統總體結構框圖如圖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。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

整個系統硬件設計包含兩個部分：分支監測點硬件設計和主控終端硬件設計。

2.1 分支監測點硬件設計

分支監測點的主要任務是完成各監測點溫度、濕度、亮度數據的采集和傳輸。其工作的環境比較復雜，對系統的穩定性要求也較高。因此，采用PIC32MX460系列芯片作為主芯片。PIC32MX460是Microchip公司生產的基于MIPS內核的低功耗、高性能處理器，內部集成有硬件看門狗，保證了系統出錯時能夠及時復位。該芯片資源豐富，具有完整的文檔，方便開發、設計和應用。

DHT11是一款使用非常廣泛的數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%，完全符合本系統的需求。DHT11采用了單總線數據傳輸結構，便于與各種MCU進行連接，并且信號傳輸距離可達20m以上。為了準確地采集當前環境的溫度，每一個分支監測點使用了3個DHT11同時采集，然后求取其平均數。對于外部環境光照強度的感知，系統采用的是新型單片測光傳感器BH1750，該傳感器是ROHM公司為適應便攜式機器的要求而開發的具有優良光譜靈敏度特性的單片數字光照度傳感器，它采用簡單的I2C總線接口與MCU進行連接。分支監測點硬件原理圖如圖2所示。

圖2 分支監測點硬件原理圖

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總線協議電氣特性規定開漏極，在這里需要接10kΩ的上拉電阻，否則該總線上將無法輸出高電平。DHT11采用的單總線結構比較簡單，使用PIC32MX460芯片GPIO來模擬單總線的協議與其連接，連接時也需要上拉10kΩ的電阻以避免外界對信號的干擾。

2.2 主控終端硬件設計

主控終端以JZ4755為核心處理單元，外部電路包括網絡接口電路、SD卡存儲電路、4.3"LCD以及2.4G無線傳感器。JZ4755是一款基于君正公司出品的創新XBurst雙核CPU微體系結構，主頻達到360MHz，支持多媒體指令集的MIPS架構處理器。其所支持的外設類型豐富，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SDIO1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絡控制器，所以本系統采用Marvell公司推出的8686 Wi－Fi模塊為其擴展無線網絡連接，模塊與JZ4755通過SDIO2接口連接。各個分支監測點與主控終端通過LSDRF4717M04／433MHz無線模塊進行連接，該模塊是基于TI公司射頻集成芯片CC1100E的高性能射頻收發器，可廣泛應用于各種場合的短距離無線通信領域，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。

圖3 LCD與JZ4755接口電路

3 系統軟件設計

系統軟件包含兩個部分：分支監測點軟件和主控終端軟件。

3.1 分支監測點軟件設計

圖4 SD卡模塊與JZ4755接口電路

各個分支監測點主要完成數據采集和傳輸，系統在完成對自身的初始化后，將對所有外圍設備進行初始化，包括對DHT11溫濕度模塊的初始化、BH1750光照感應模塊的初始化以及LSDRF4717M04的初始化。在所有外設均初始化正常后，分支監測點開始對各個外圍模塊進行輪詢，以獲取實時的環境信息，并且根據這些信息進行一些簡單的計算，判斷所取得的數據是否合理，如果合理則記錄到存儲器中。分支監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境數據發送給主控終端，否則進行下一次輪詢。分支監測點的軟件流程如圖5所示。

圖5 分支監測點軟件流程

3.2 主控終端軟件設計

與分支監測點相比，主控終端的功能更加豐富，軟件的流程也相對比較復雜。系統上電啟動后，首先將對外設進行初始化，初始化成功后通過LSDRF4717M04模塊發送查詢信息以取得分支監測點的數目并進行編號。以后每隔一定的時間依次對各個分支監測點發送查詢命令以獲取當前環境數據并存儲于SD卡中，同時屏幕上繪制出農作物生長曲線供用戶參考。主控終端包含有一個Web服務器端程序，當用戶身處異地想要查看當前情況時，可以選擇從網絡登錄到主控終端進行查看。主控端軟件流程如圖6所示。

結 語

圖6 主控端軟件流程

隨著現代化水平的不斷提高，傳統的手工農業將逐漸被智能的設施農業所取代。農業生產者可以利用網絡在任何時候、任何地點獲得農業生產現場的數據，并加以控制。同時，系統還會根據以往的經驗數據給農業生產者一定的意見和建議，避免了因為經驗不足而造成的損失。本系統基于先進的MIPS架構所開發，是普適技術在智能農業應用的一種嘗試，對今后普適技術在農業中的推廣進行了探索性的研究，具有很好的應用前景。

［1］陳鋒，黃劍.支持普適計算的多嵌入式系統［J］.計算機科學，2007（11）：308－311.

［2］樊建明，陳淵睿.基于SHT11的溫室多點測量系統設計［J］.國外電子測量術，2006（25）：3－8.

［3］鄧福軍.美國現代農業智能化與自動化管理［J］.新疆農墾科技，2007（2）：76－77.

［4］俞海紅，何勇.數字農業及其發展現狀［J］.農機化研究，2006（2）：56－58.

［5］王建，毛騰飛.基于BH1750芯片的測光系統設計與實現［J］.常熟理工學院學報，2011（2）：117－120.

［6］王萍，昂志敏.基于PIC的低速率無線語音通信系統［J］.微型機與應用，2011（8）：55－57.