Zynq7000環(huán)境測控系統(tǒng)研究

摘 要： 設計了一項高性價比的人參栽培環(huán)境測控系統(tǒng)，提供了有效的人參種植解決方案。系統(tǒng)采用Xilinx公司的Zynq7000可擴展處理平臺作為主控單元，利用ZigBee無線傳感器網絡實現對人參栽培土壤溫濕度、日光照射強度、空氣中CO2濃度等環(huán)境參數的監(jiān)測。系統(tǒng)通過HART協議網絡控制供水管道的智能閥門，實現參地滴灌。現場VGA顯示器可以繪制環(huán)境參數趨勢曲線圖，同時系統(tǒng)可以連接至互聯網，實現遠程控制。系統(tǒng)在智慧農業(yè)工程研究中心運行和調試，性能優(yōu)良、工作穩(wěn)定。

關鍵詞： 人參栽培； Zynq7000； ZigBee； HART

中圖分類號： TN911?34； TP39 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0104?03

Study on environment measurement and control system based on Zynq7000

LI Dan

（Jilin Agricultural Science and Technology University， Jilin 132101， China）

Abstract： A high?performance ginseng cultivation environment measurement and control system was designed. The effective ginseng cultivation solution is given. The extensible processing platform Zynq7000 made by Xilinx Company is taken as the main control unit of the system. The ZigBee wireless sensor network is used to monitor the ginseng cultivation soil temperature and humidity， sunlight radiation intensity， CO2 concentration in the air， and other environmental parameters. The intelligent valve of the water supplying pipeline is controlled by the HART protocol network to realize the drip irrigation of ginseng field. The field VGA display can draw the trend graph of the environmental parameters. The system can be connected to the Internet to realize the remote control. The system was run and debugged in the Intelligent Agricultural Engineering Research Center， and has good performance and stable working.

Keywords： ginseng cultivation； Zynq7000； ZigBee； HART

0 引 言

人參是一種名貴的五加科多年生宿根藥用植物，生長情況與土壤水分含量、空氣濕度、光照強度、環(huán)境溫度密切相關。首先，人參各個生長期對溫度的需求不同，日平均氣溫在出苗時期需要10 ℃，展葉時期需要12 ℃，開花時期需要16 ℃以上，結果時期[1]在20～25 ℃。其次，在人參整個生長周期需要多次調光。春季出苗時，光照強度可強些。隨著生長發(fā)育的進行，光強需要逐漸減弱，中后期又逐漸加強。再次，種植人參的土壤相對含水量需要保持在60%～80%范圍內。人參整個生長周期內最大需水量在展葉到開花這一階段。目前多數采用林下種植和單透棚種植，人參生長不耐高溫，耐嚴寒，不耐積水和干旱。因此，本文設計了一種人參栽培環(huán)境測控系統(tǒng)，對人參各個生長期環(huán)境條件精準測控，提高人參的產量與質量，實現提高經濟效益的目的。

1 測控系統(tǒng)總體設計

人參栽培環(huán)境測控系統(tǒng)由環(huán)境參數信息采集子系統(tǒng)、數據處理主控子系統(tǒng)和環(huán)境因子控制子系統(tǒng)三部分構成。測控系統(tǒng)總體設計原理圖如圖1所示，環(huán)境參數信息采集子系統(tǒng)采用無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN），WSN是由多個ZigBee終端節(jié)點和一個ZigBee協調器組成的星型無線局域網。ZigBee終端節(jié)點連接了溫濕度傳感器、光照強度傳感器和CO2濃度傳感器等，實現環(huán)境參數智能感知的功能。ZigBee協調器與數據處理主控子系統(tǒng)相連，是WSN星型網絡的中心節(jié)點。數據處理主控子系統(tǒng)采用Xilinx公司的Zynq7000（Z7）可擴展處理平臺解決方案，實時處理來自各個WSN終端節(jié)點的環(huán)境參數信息，同時在本地的VGA顯示器繪制環(huán)境參數曲線圖，并且通過路由器將數據上傳至服務器。環(huán)境因子控制子系統(tǒng)包括溫濕度調控子系統(tǒng)和光照強度調控子系統(tǒng)，溫濕度調控子系統(tǒng)利用HART協議網絡控制供水管道的智能閥門，實現參地滴灌[2]。

2 數據處理主控子系統(tǒng)設計

人參種植環(huán)境測控系統(tǒng)的主控核心采用Xilinx公司生產的Z7可擴展處理芯片，芯片處理性能優(yōu)越。芯片結構包括可編程系統(tǒng)Processing System部分和可編程邏輯Processing Logic部分[3]。Z7芯片的可編程邏輯PL部分是由FPGA構成。可編程系統(tǒng)PS部分包含雙核的CortexTM?A9處理器，具有完整的ARM指令系統(tǒng)。人參栽培環(huán)境測控系統(tǒng)可以在參地現場通過VGA顯示器繪制環(huán)境參數歷史數據、當前狀態(tài)、未來趨勢曲線圖。同時也可以將數據通過網絡傳遞至環(huán)境監(jiān)測服務器，進行數據處理和分析。主控子系統(tǒng)設計過程中充分利用了Z7可編程邏輯FPGA結構的優(yōu)勢。自定義FPGA結構的IP核實現了VGA顯示屏和互聯網的硬件接口邏輯[4]。

Zynq7000顯示器接口原理圖如圖2所示，主控模塊VGA接口的有效數據線路包括3條模擬信號線（R，G，B）和2條數字信號線（vga_hsync，vga_vsync）。其中R，G，B分別為VGA顯示電路紅、綠、藍三基色模擬電壓信號，模擬電壓范圍是0～0.714 V，最低電壓代表無色，最高電壓代表滿色。在可編程邏輯部分輸出引腳驅動電壓為3.3 V時，為了達到0～0.714 V的模擬電壓范圍，采用R?2R電阻網絡實現VGA數字信號向模擬量信號的轉換。依據“戴維南定理”需要將R?2R電阻網絡的等效電阻設計為270 Ω。Z7可擴展處理芯片可編程邏輯PL輸出引腳vga_red[3]～vga_red[0]四個數字信號引腳，通過數字量/模擬量轉換R?2R電阻網絡產生0～0.714 V范圍的紅基色模擬信號，引腳vga_green[3]～vga_green[0]四個數字信號轉換成綠基色模擬信號，藍基色模擬信號也是采用同樣的原理實現RGB565數字信號到VGA模擬信號的線性轉換。行同步信號vga_hsync和場同步信號vga_vsync是數字信號，采用LVCMOS33的I/O標準，可以滿足VGA 信號的電氣特性[5]。

Z7可編程邏輯PL部分的紅基色數字引腳約束.ucf的文件代碼如下：

NET vga_red [3] LOC=H17 | IOSTANDARD=LVCMOS33；

NET vga_red [2] LOC=H16 | IOSTANDARD=LVCMOS33；

NET vga_red [1] LOC=K18 | IOSTANDARD=LVCMOS33；

NET vga_red [0] LOC=K17 | IOSTANDARD= LVCMOS33；

VGA顯示屏接口自定義IP核通過AXI4總線與Z7的可編程系統(tǒng)部分通信。利用Xilinx嵌入式開發(fā)套件XPS平臺下提供的IP創(chuàng)建向導工具完成自定義VGA IP核，自動產生該IP的ISE工程。工程包括頂層文件vga.vhd，其主要功能是實例化AXI IPIF和用戶IP。其中AXI IPIF將AXI總線轉換為更加簡潔的IPIC接口，以供用戶IP使用。用戶IP是IP的功能定義文件，用戶IP文件user_logic.vhd的核心代碼如下：

vga_red ：out std_logic_vector（3 downto 0）；

vga_green ：out std_logic_vector（3 downto 0）；

vga_blue ：out std_logic_vector（3 downto 0）；

vga_hsync ：out std_logic；

vga_vsync ：out std_logic；

3 環(huán)境參數信息采集子系統(tǒng)設計

3.1 無線傳感器網絡設計

信息采集子系統(tǒng)是由多個ZigBee節(jié)點組成的無線傳感器網絡WSN，每個ZigBee終端節(jié)點連接多種環(huán)境參數傳感器模塊。信息采集子系統(tǒng)的各個ZigBee終端節(jié)點與Z7主控單元ZigBee協調器組成了星型無線局域網絡。每個ZigBee節(jié)點的控制核心采用Texas Instruments公司2.4 GHz的CC2530片上系統(tǒng)解決方案[6]。

ZigBee協調器是星型無線局域網絡的中心節(jié)點，ZigBee終端節(jié)點相當于星型網絡的其他節(jié)點。ZigBee終端節(jié)點位于不同的人參栽培環(huán)境監(jiān)測區(qū)域，并把傳感器采集到的數據經無線網絡傳輸到主控單元的協調器節(jié)點。終端節(jié)點由天線模塊、電源模塊、紅綠指示燈、傳感器模塊、CC2530模塊組成。天線模塊用來擴大無線信號的有效范圍。指示燈用來說明節(jié)點的工作狀態(tài)，綠燈說明節(jié)點加入無線網絡的成功狀態(tài)和數據發(fā)送成功狀態(tài)，紅燈表示操作失敗。

3.2 溫度測量系統(tǒng)設計

單透棚里人參在不同的生長階段對環(huán)境溫度有不同的需求。人參出苗時期要求日均溫度在10 ℃左右，而人參生長最旺盛時期要求日均溫度在20～25 ℃之間。即使在同一天單透棚內的空氣溫度與土壤溫度也有差異，白天時空氣溫度高于土壤溫度，夜間時土壤溫度高于空氣溫度。因此準確測量、及時控制單透棚內的空氣溫度和土壤溫度也是測控系統(tǒng)的設計目標之一[7]。

為實現溫度監(jiān)測精度高，應該選取具有8位以上分辨率的數字溫度傳感器；為實現單透棚內空氣溫度和土壤溫度多地點采集，在設計時選用向串行總線上加入多個溫度傳感器的通信方法。兼顧上述兩點，系統(tǒng)選擇單片數字溫度傳感器AD7416，由美國模擬器件公司ADI生產，可以通過I2C接口對AD7416的內部寄存器進行讀操作和寫操作。8片AD7416加入到同一個串行總線上，具體連接電路如圖3所示。

在接口電路中，AD7416的I2C串行總線數據引腳SDA、時鐘引腳SCL通過上拉電阻實現I2C總線協議的物理特性。AD7416芯片的片選地址輸入線包括A0，A1，A2三條引線，每個引線可以設置高低電平兩種狀態(tài)，通過組合可得到8種不同的狀態(tài)，每種狀態(tài)對應一種芯片的地址，因此可以使用同一個處理器在同一I2C串行總線上控制8個AD7416芯片。

AD7416的串行總線接口電路圖中的SDA，SCL兩條引線分別與CC2530微處理器芯片的P2.0引腳和P0.7引腳對應連接。AD7416的漏級開路引腳OTI可以輸出超溫報警信號，8個OTI引腳通過上拉電阻形成“線與”邏輯的中斷線路，并輸入CC2530微處理器芯片外中斷引腳P0.1，即8個AD7416芯片只要任意一個發(fā)出低電平報警信號都會對CC2530微處理器芯片傳遞有效的外中斷信號。

3.3 光照度測量系統(tǒng)設計

使用單透棚種植人參，人參生長的光照強度適宜范圍是3 000～4 000 lux。在動態(tài)調控栽培環(huán)境光照強度時，系統(tǒng)采用數字傳感器BH1750FVI模塊完成光照強度準確采集。BH1750FVI模塊帶有I2C接口能夠與ZigBee控制核心CC2530模塊交互信息。BH1750FVI模塊的數據引腳SDA與CC2530模塊的P1.3相連，BH1750FVI模塊的時鐘引腳SCL與CC2530模塊的P1.2相連。數字傳感器是16位精度的光照度傳感器模塊，可以通過計算BH1750FVI模塊測量值除以1.2 再除以透光率得到光照亮度實際值。

4 環(huán)境因子控制子系統(tǒng)設計

人參正常生長需要土壤相對含水量穩(wěn)定在60%～80%范圍內。在單透棚內通過滴灌方式調節(jié)參地土壤水分含量，每個區(qū)域用帶有HART協議接口的智能閥門控制滴灌管道流量。在現場控制領域，HART協議現場總線常用遠距離控制的網絡形式，傳輸距離達到1 500 m，具有強抗干擾的特性。HART協議主要實現模擬信號傳輸線上進行數字信號通信。使用Bell202頻移鍵控（FSK）標準，在4～20 mA的模擬信號上疊加FSK數字信號， 使得HART 協議智能設備在不干擾4～20 mA模擬信號的同時允許雙向數字通信。FSK信號是幅值為±0.5 mA的正弦波，邏輯“1”用1 200 Hz表示，邏輯“0”用2 200 Hz表示。由于疊加的正弦信號平均值為0，所以數字通信信號不會干擾4～20 mA的模擬信號[8]。

主控單元與HART調制解調芯片A5191HRT的連接如圖4所示，Z7 可擴展平臺PS側的GPIO通過EMIO布線到PL側與調制解調芯片A5191HRT進行交互，控制調制解調模塊的工作狀態(tài)。Z7 可擴展平臺PS側的UART控制器完成芯片A5191HRT數字數據的發(fā)送和接收[9]。

需要調節(jié)滴灌管道閥門時，Z7 可擴展平臺EMIO發(fā)送引腳將INRTS設置為高電平，此時調制器工作，解調器關閉，同時將圖4中的電子開關閉合，調制后的信號由OTXA發(fā)出，經過負載電阻[RL]耦合到滴灌閥門控制器所在的4～20 mA電流環(huán)路上。

需要查看滴灌管道閥門執(zhí)行狀態(tài)時，將INRTS設置為低電平，此時解調器工作，調制器關閉，準備接收滴灌閥門控制器發(fā)來的應答，4～20 mA電流環(huán)路上疊加的應答音頻電流經過負載電阻[RL]變成電壓信號由IRXA引腳輸入，A5191HRT的載波檢測輸出OCD變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)Z7中斷，解調的數字信號由ORXD輸出到主控平臺Z7的UART接收引腳。通過A5191HRT模塊實現測控系統(tǒng)中央單元Z7與被控滴灌管道閥門的信息交互。

5 結 語

本文設計的人參栽培環(huán)境測控系統(tǒng)以Z7可擴展平臺為主控模塊，系統(tǒng)前端平臺通過無線傳感器網絡實現各個網絡節(jié)點環(huán)境參數的采集，系統(tǒng)后端平臺通過HART協議現場總線控制滴灌閥門執(zhí)行。對人參栽培單透棚內溫濕度環(huán)境參數進行PID閉環(huán)控制。開花、結果時期，溫度范圍控制在20～25 ℃。土壤水分都保持在60%～80%范圍的相對含水量。光照強度控制在3 000～4 000 lux。本文設計的系統(tǒng)在智慧農業(yè)工程研究中心測試通過，工作穩(wěn)定、準確。

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