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引言
普適計算又稱普存計算、普及計算，它強調的是和環(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(yè)的結合促進了設施農業(yè)生產模式的發(fā)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(yè)生產現場的環(huán)境進行調節(jié)，這在一定程度上擺脫了長久以來農作物生長對自然環(huán)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(fā)達程度體現了一個國家農業(yè)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(fā)了普適農業(yè)中的數據采集、分析、監(jiān)測與預警系統。該系統實現了低功耗、小體積條件下環(huán)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(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前光照強度、溫度、濕度等環(huán)境數據的實時監(jiān)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(jiān)測點獲取的數據，根據農作物生長規(guī)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(tài)。當農作物生長環(huán)境出現異常情況時，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，又具有較快的數據傳輸率和良好的穩(wěn)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。
2 系統硬件設計
整個系統硬件設計包含兩個部分：分支監(jiān)測點硬件設計和主控終端硬件設計。
2.1 分支監(jiān)測點硬件設計
分支監(jiān)測點的主要任務是完成各監(jiān)測點溫度、濕度、亮度數據的采集和傳輸。其工作的環(huán)境比較復雜，對系統的穩(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(fā)、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20 m以上。為了準確地采集當前環(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。對于外部環(huán)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(fā)的具有優(yōu)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(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(chuàng)新XBurst雙核CPU微體系結構，主頻達到360 MHz,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絡控制器，所以本系統采用MarVell公司推出的8686Wi-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(jiān)測點與主控終端通過LSDRF4717M04/433 MHz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(fā)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。
3 系統軟件設計
系統軟件包含兩個部分：分支監(jiān)測點軟件和主控終端軟件。
3.1 分支監(jiān)測點軟件設計
各個分支監(jiān)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(jiān)測點開始對各個外圍模塊進行輪
詢，以獲取實時的環(huán)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(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)境數據發(fā)送給主控終端，否則進行下一次輪詢。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(fā)送查詢信息以取得分支監(jiān)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(jiān)測點發(fā)送查詢命令以獲取當前環(huán)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
隨著現代化水平的不斷提高，傳統的手工農業(yè)將逐漸被智能的設施農業(yè)所取代。農業(yè)生產者可以利用網絡在任何時候、任何地點獲得農業(yè)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(yè)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(fā)，是普適技術在智能農業(yè)應用的一種嘗試，對今后普適技術在農業(yè)中的推廣進行了探索性的研究，具有很好的應用前景。
