基于FPGA的智能溫室控制系統(tǒng)的研制

柳愛珍 汪小旵

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210031）

在溫室的測控系統(tǒng)中，涉及核心控制器、測控技術(shù)和決策支持系統(tǒng)的研究，從最初的有線連接發(fā)展到現(xiàn)在普遍使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)連接，無線傳感網(wǎng)絡(luò)又涉及GPRS（劉會忠 等，2010）、WIFI（曾歡和劉毅，2008；馬增煒 等，2011）、藍(lán)牙技術(shù)（LI ＆ LIU，2006）以及 ZigBee（BAO，2008）技術(shù)等；核心控制器囊括了單片機(jī)（戴勇 等，2009），工控機(jī)（金鈺，2000）、PLC（唐立偉和劉理云，2009）、DSP（吳衛(wèi)明 等，2007）、ARM（王石磊 等，2008）等；決策支持系統(tǒng)涵蓋了經(jīng)典控制理論中的 PID控制（李紀(jì)文 等，2009），智能控制理論中的模糊控制（邱小花和王民，2008；倪軍 等，2009）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（彭捍東和張敏，2004）等。

但上面提及的核心控制器都是基于軟件的，諸如基于單片機(jī)的測控系統(tǒng)，單片機(jī)時鐘頻率較低，而且軟件運(yùn)行時間在整個采樣周期中也占很大比例（趙泓揚(yáng)，2009）。因此科技工作者開始將眼光從基于軟件的溫室系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)移到基于硬件的溫室系統(tǒng)研究上來。筆者提出了一種基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的溫室測控系統(tǒng)的研究方法，F(xiàn)PGA即現(xiàn)場可編程門陣列，是一種基于硬件電路的設(shè)計(jì)方法，此種方法開發(fā)周期短，集成度高，功耗低，工作效率高，設(shè)計(jì)費(fèi)用低，編程配置靈活；另外它可以在 FPGA內(nèi)部進(jìn)行采集控制、緩沖、處理、傳輸控制等，這些都是由 FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)，無需添加額外的硬件資源，所以在溫室中進(jìn)行使用、維修或是升級的時候只需更改其硬件資源，簡單方便，減少了成本，故可以廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成

FPGA的一個主要設(shè)計(jì)技巧就是模塊化設(shè)計(jì)，它能夠使一個大型設(shè)計(jì)分工協(xié)作，仿真測試更加容易，使代碼維護(hù)或升級更加便利（吳厚航，2010）。

根據(jù)這一設(shè)計(jì)技巧，將整個系統(tǒng)分為以下模塊：輸入輸出模塊、異步串行通信模塊、人機(jī)交互模塊以及其他模塊，具體測控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

輸入模塊由傳感器和A/D調(diào)理電路組成，輸出模塊即為繼電器接觸控制電路和溫室內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。人機(jī)界面使用LCD液晶實(shí)時顯示溫室內(nèi)環(huán)境信息。FPGA與上位機(jī)使用串口的無線模塊實(shí)現(xiàn)連接，使系統(tǒng)更加簡潔。因?yàn)镕PGA是基于RAM的，掉電信息丟失，所以設(shè)計(jì)添加SDRAM模塊，如此上電以后，信息可以自行配置。另外，數(shù)據(jù)從 FPGA緩存中傳輸給上位機(jī)進(jìn)行存儲的時候，利用FIFO先入先出的特性，有序、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集顯示部分 在前面介紹的測控結(jié)構(gòu)中，輸入模塊即為數(shù)據(jù)的采集模塊，其中包括傳感器模塊、調(diào)理轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊和顯示模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

傳感器中包括溫濕度傳感器和光照度傳感器，溫濕度傳感器為 DHT21。調(diào)理電路可以對采集到的波形進(jìn)行濾波放大。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809芯片，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。FPGA主控芯片采用Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C8Q208C8芯片。此芯片是整個系統(tǒng)的核心，它采用PQFP的封裝形式，有208個引腳。FPGA主控模塊與上位機(jī)使用串口的無線模塊實(shí)現(xiàn)通信。人機(jī)界面即為LCD圖形液晶顯示模塊和蜂鳴器超限報警模塊。FPGA開發(fā)板上有對應(yīng)于LCD的接口，只需將其接入到FPGA開發(fā)板上，LCD顯示模塊采用128×64的圖形液晶。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在此款FPGA芯片上，共預(yù)留了56個I/O口供用戶自己定義，DHT21有3個引腳，一個電源引腳（引腳1），一個為數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳（引腳2），最后一個為接地引腳（引腳3）。引腳2為溫濕度采集信號的輸出腳，通過拉高或拉低此引腳的電平對芯片發(fā)送指令。在程序設(shè)計(jì)中，先是拉高引腳2（此為空閑狀態(tài)），通訊開始時，先將此引腳拉低500 μs，繼而拉高20～40 μs開始檢測DHT21的響應(yīng)信號，這部分操作要求引腳2為輸入引腳。在DHT21的響應(yīng)中，此引腳又變?yōu)檩敵鲆_，因而在程序設(shè)計(jì)中要將此引腳設(shè)計(jì)為inout類型。此部分的接口定義如下。

module acquire_drive

（

input clk，

input rst_n，

inout one_wire， //One-Wire總線

output [15:0] rh_data_out， //輸出濕度值，高四位為零

output [15:0] t_data_out， // 輸出溫度值，其最高四位為其符號位

output [15:0] RH_data，

output [15:0] temp_data， //此兩個輸出，是溫濕度的十倍值

output [1:0] led，

output enout //成功采集到信號的標(biāo)志位

）；

Clk和rst_n為時鐘信號和異步復(fù)位信號，因?yàn)橄到y(tǒng)頻率高達(dá)50 MHz，所以需要使用PLL（Phase-Locked Loop），即鎖相環(huán)對其進(jìn)行分頻；one_wire連接到引腳2的溫室數(shù)據(jù)采集端，為雙向 I/O口，在使用 verilog編程時定義為wire類型，通過ctrl位使能信號，ctrl為高電平時為輸入，低電平時為輸出，Verilog HDL的語言描述為assign one_wire=ctrl?1'd0∶1'dz。此模塊經(jīng)過QuartusⅡ軟件編譯后，生成的RTL（Register-Transfer-Level）圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊的RTL圖

另外，由于傳感器的工作電壓是5 V，而FPGA的引腳的正常工作電壓是3.3 V，所以需要使用升壓芯片將此電壓升至5 V。在本設(shè)計(jì)中使用的升壓芯片是SYS1.2，它可將1.2～5.0 V的電壓升至3.3 V或是5.0 V，由使能端控制其具體輸出。

蜂鳴器報警模塊是為防止溫室內(nèi)溫度過高或是過低，并且執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障中斷運(yùn)行時發(fā)出警報。查閱資料后將溫度的上下限分別設(shè)為40 ℃和5 ℃（王麗艷 等，2008）。其接口定義如下。

module alert_drive

（

Input clk，

Input rst_n，

Input enout，

Input〔15:0〕 temp_data，

output fm

）；

Temp_data為數(shù)據(jù)采集模塊所獲得的溫度值，在頂層模塊中，將其定義為 wire類型，就可以在任意底層模塊中被調(diào)用。Fm為蜂鳴器輸出，它在時鐘復(fù)位后一直保持高電平，當(dāng)上述限制條件滿足時，就被拉低，發(fā)出報警聲。

數(shù)據(jù)采集之后存儲在FPGA芯片的緩存模塊SDRAM中，進(jìn)行到這一步，已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，下一步就是將數(shù)據(jù)送至LCD和上位機(jī)顯示。LCD選用128×64的圖形液晶，同樣，它也是依靠 FPGA實(shí)現(xiàn)其全部邏輯，包括初始化、寫指令和寫數(shù)據(jù)等，使用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 LCD控制邏輯

其步驟如下：使RW=0，始終為寫操作，因?yàn)?LCD的指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器是復(fù)用的，所以令RS為零，為寫指令操作，對液晶屏的片選信號、狀態(tài)信號、數(shù)據(jù)信號和使能信號進(jìn)行初始化；之后將RS置為1，進(jìn)入寫數(shù)據(jù)操作，將要顯示的字符送至 LCD顯示。轉(zhuǎn)換控制即為FPGA主控芯片。時鐘驅(qū)動為FPGA的分頻信號。其接口定義如下。

module lcd12864_drive

（

Input clk，

Input rst_n，

input〔23:0〕 t_val，

input〔23:0〕 rh_val，

output lcd_rw，

output lcd_en，

output reg lcd_rs，

output reg〔7:0〕 lcd_data

）；

128×64 LCD液晶顯示器可以通過選擇設(shè)置頁地址顯示8頁的內(nèi)容，所以，系統(tǒng)上電以后首先顯示的是歡迎界面，開始采集后，就進(jìn)行溫室數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示。設(shè)計(jì)時使用 FPGA自帶的IP核——ROM模塊。使用畫圖軟件設(shè)計(jì)出128×64 bit的黑白圖片，借助字模提取軟件提取字模，通過KEIL軟件生成.HEX文件，再將其添加到此模塊的目錄文件下，程序中調(diào)用此ROM模塊就可以顯示設(shè)計(jì)的界面了。在顯示中不需要變化的部分都是通過此方法實(shí)現(xiàn)的，需要刷新顯示的部分在頂層模塊中給出。

LCD實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，液晶屏上會顯示當(dāng)前的時刻以及采集到的環(huán)境因子信息，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，僅依靠 FPGA的緩存是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以需要不定期地將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行存儲，上位機(jī)也可以編寫監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖5為LCD的溫濕度顯示。

上位機(jī)界面采用VC++編程實(shí)現(xiàn)，使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其RTL級圖如圖6所示。界面上不僅實(shí)時顯示環(huán)境因子的值，還可對往期信息進(jìn)行查詢。另外，監(jiān)控界面上還有對溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制按鈕，最后實(shí)現(xiàn)的效果就是在監(jiān)控室內(nèi)也可以對溫室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1.2.2 溫室控制部分 在溫室控制方面，本系統(tǒng)使用的是分段式控制，即當(dāng)溫室內(nèi)的溫度或是濕度達(dá)到某一設(shè)定范圍時，就控制某一個或是兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作。另外借助于串口繼電器的無線模塊設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)無線控制。

在上位機(jī)監(jiān)控界面上，除了顯示有溫室內(nèi)采集的環(huán)境因子信息，還有當(dāng)前對應(yīng)各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)按鈕以及其當(dāng)下處于的狀態(tài)。對于控制部分最后要實(shí)現(xiàn)的效果就是：（1）自動控制，即系統(tǒng)將采集到的溫室內(nèi)環(huán)境因子的信息，與設(shè)定的分段式控制的溫濕度等信息進(jìn)行對比，達(dá)到其中的任一范圍時就自動控制溫室中的某一個或是幾個執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作。（2）手動控制，即在監(jiān)控室內(nèi)，也可人為地通過監(jiān)控界面上的按鈕，控制溫室內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作。在設(shè)計(jì)中，為溫室安裝 CCD攝像頭，可以在觀察作物長勢的同時觀察執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否運(yùn)行良好。

圖5 LCD顯示溫濕度

圖6 串口傳輸模塊RTL級圖

2 實(shí)證試驗(yàn)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，將此裝置安放在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓樓頂?shù)臏厥依镞M(jìn)行實(shí)證試驗(yàn)，該溫室長16 m，寬8 m。試驗(yàn)分兩個步驟進(jìn)行，首先是采集顯示部分的試驗(yàn)，將設(shè)計(jì)好的采集裝置置于溫室中，可手動設(shè)定其采集周期，查看在上位機(jī)和LCD上是否能按要求進(jìn)行顯示，當(dāng)然這些試驗(yàn)的前提都要在仿真編譯軟件上，將其進(jìn)行仿真編譯通過以后才進(jìn)行的，出現(xiàn)問題以后再逐個解決。第二部分是控制部分的試驗(yàn)，開始使用有線控制，因?yàn)闊o線控制容易受外部信號的干擾，可能會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的狀態(tài)。在確保有線控制能取得預(yù)期控制效果的前提下，將有線控制部分，用串口的無線收發(fā)模塊代替，再進(jìn)行調(diào)試，直到取得預(yù)想的控制效果。圖7為2012年6月25日將此系統(tǒng)應(yīng)用在溫室中控制后的溫濕度曲線圖。

圖7中溫濕度均為實(shí)際值的10倍。由圖7可知，在7：00以后，太陽輻射逐漸增強(qiáng)，溫室中的溫度開始緩慢上升，伴隨著濕度緩慢下降。在12：00的時候，首次達(dá)到控制的設(shè)定值，所以溫室打開噴淋進(jìn)行降溫，同時溫室濕度上升；同理，在14：00、15：00和臨近17：00的時候，分別進(jìn)行了3次噴淋降溫，從圖7上可以看出，降溫效果明顯，達(dá)到了控制的要求。

圖7 溫濕度控制曲線

3 結(jié)語

不同于眾多使用軟件實(shí)現(xiàn)溫室測控的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)使用了基于 FPGA的溫室測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用EP2C8Q208C8芯片作為主控芯片，借助ADC0809實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，同時在LCD圖形液晶上顯示溫室內(nèi)實(shí)時的環(huán)境因子信息。在上位機(jī)上除顯示有環(huán)境因子信息外，還設(shè)計(jì)了主控界面，可以實(shí)現(xiàn)對溫室的手動控制。此種基于硬件電路的設(shè)計(jì)方法時鐘頻率高，響應(yīng)及時，能夠完成對溫室內(nèi)溫濕度的采集、顯示，以及對溫室的控制。此外，這套系統(tǒng)價格并不昂貴，硬件成本在2 000元左右，適用于一般的中小型溫室。

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