基于μC/OS的作物生長環(huán)境信息采集裝置設(shè)計(jì)

關(guān)蓓蓓，田立國，李 猛，劉 剛，武 海，程曉亮，陳高麗

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基本涵義是根據(jù)作物生長的環(huán)境狀況，調(diào)節(jié)對作物的投入，以最少的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境[1]。作物生長環(huán)境是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，包括溫度、濕度、光照、CO2濃度、風(fēng)速等多種環(huán)境因子，動態(tài)、實(shí)時、精確的作物生長微環(huán)境信息對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特別是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展越來越重要。

傳統(tǒng)作物生長環(huán)境信息采集工程中，一般都是利用各種測量儀表人工在現(xiàn)場逐項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所運(yùn)用的采集裝置也是以單片機(jī)為核心的簡易裝置，不僅存儲容量小，而且采集到的數(shù)據(jù)精確度低。本文基于μC/OS-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)、多種傳感器、液晶顯示技術(shù)以及大容量信息管理技術(shù)等，設(shè)計(jì)出新型的作物生長環(huán)境信息采集裝置[2]。該裝置能夠獲取基于植物生長柜環(huán)境下影響作物生長的各種環(huán)境參數(shù)以及多種實(shí)時動態(tài)微環(huán)境信息，繼而進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、存儲、傳輸及顯示，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在植物生長柜內(nèi)，影響作物生長的環(huán)境信息主要包括溫度、濕度、光照、CO2濃度、風(fēng)速等，這些信息對作物的生長起著重要的作用。作物生長環(huán)境信息采集裝置主要完成對作物生長微環(huán)境信息的采集、預(yù)處理采樣以及數(shù)據(jù)傳輸3項(xiàng)基本功能。本文依據(jù)植物生長柜內(nèi)環(huán)境信息獲取過程中高密度、高準(zhǔn)確度、低成本和低功耗等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于μC/OS的作物生長環(huán)境信息采集裝置，該裝置以嵌入式處理器STM32F103VE為核心，配置相應(yīng)的傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示模塊以及電源模塊等，既可以單獨(dú)使用進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示，也可以通過3種通信方式與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊和傳輸。該裝置的總體框圖如圖1所示。

圖1 作物生長環(huán)境信息采集裝置系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

作物生長環(huán)境信息采集裝置的硬件組成部分主要包括微處理器模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示模塊及電源模塊等，完成作物生長微環(huán)境信息的采集、預(yù)處理以及傳輸。

2.1 微處理器模塊

微處理器采用以Cortex-M3為內(nèi)核的32位處理器STM32F103VE，該處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，具有高性能、低功耗、實(shí)時應(yīng)用、成本低等優(yōu)勢，具有12位的16路A/D采樣通道，最高頻率可達(dá)72 MHz，此外該處理器還具有豐富的通信接口，滿足了整個裝置的功能要求[3]。

2.2 傳感器模塊

該作物生長環(huán)境信息采集裝置主要配置了以下幾種傳感器模塊：

（1）冠層溫度傳感器。選用非接觸式的TNR紅外測溫傳感器TN901，通過測量作物自身輻射發(fā)出的紅外能量準(zhǔn)確地測定作物的冠層溫度。其溫度測量范圍為-33～220℃，精度達(dá)到±2%，輸出數(shù)字信號。

（2）葉層溫濕度傳感器。選用濕溫度一體化數(shù)字傳感器DHT11，該傳感器包括一個NTC測溫元件和一個電阻式測濕元件，通過與處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集濕度和溫度，DHT11功耗低，5 V電源電壓下，工作平均最大電流0.5 mA。

（3）光照度傳感器。選用數(shù)字式串行輸出型環(huán)境光傳感器BH1710FVC-TR，該傳感器對環(huán)境光線具有較強(qiáng)的靈敏度，內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換器件，數(shù)字式輸出，量程最大可達(dá)65536 Lux，工作電源電壓為2.4～3.6 V。

（4）CO2傳感器模塊。采用BM1000-CO2二氧化碳傳感器。BM1000-CO2是一款室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測變送器，專用于測量空氣中的二氧化碳?xì)怏w，具有良好的性價比，采用進(jìn)口先進(jìn)紅外技術(shù)傳感器，工作更加穩(wěn)定可靠。

（5）風(fēng)速傳感器。選用TSI風(fēng)速傳感器，采用熱風(fēng)力測定技術(shù)，對低風(fēng)速具有良好的靈敏度，對氣流反映時間僅為0.2 s，量程范圍為0.5～50 m/s，模擬信號輸出。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸有RS-485串行總線傳輸、ZigBee無線傳輸及SD卡存儲傳輸3種傳輸方式，便于農(nóng)作物生長微環(huán)境信息的數(shù)據(jù)上傳及查詢。

（1）RS-485通信。RS-485協(xié)議采用差分信號進(jìn)行傳輸，最大傳輸距離可以達(dá)到1.2 km，是針對遠(yuǎn)距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）ZigBee無線通信。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛[4-5]。本裝置采用ZigBee無線通信芯片CC2530，通過串口與處理器STM32F103VE進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并進(jìn)行無線轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的終端計(jì)算機(jī)，完成對數(shù)據(jù)的處理，電路原理圖如圖2所示。

（3）SD卡數(shù)據(jù)存儲。SD卡是基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。本裝置配置SD卡用于定時存儲采集到的數(shù)據(jù)，以便當(dāng)通信線路發(fā)生故障時，也能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，SD卡與處理器模塊采用SPI通信方式連接，其電路原理圖如圖3所示。

2.4 液晶顯示模塊

為方便工作人員現(xiàn)場查看各種測量參數(shù)，作物生長環(huán)境信息采集裝置配置了一個4.3寸TFT彩屏模塊，帶有觸摸功能，并利用μC/GUI編寫了相關(guān)的人機(jī)界面，可以實(shí)時查看各種傳感器的工作狀態(tài)及測量參數(shù)的實(shí)時設(shè)定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中大都采用單任務(wù)、程序順序執(zhí)行的模式，不帶有操作系統(tǒng)。這樣就容易帶來很多問題，如編程復(fù)雜、可維護(hù)性較差等，最為關(guān)鍵的是系統(tǒng)的實(shí)時性得不到保證。μC/OS嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單片機(jī)的最大區(qū)別就是引入了操作系統(tǒng)，通過前期操作系統(tǒng)的移植工作，后期的應(yīng)用程序的開發(fā)可以直接在操作系統(tǒng)上進(jìn)行，而單片機(jī)則所有程序需要重新編寫。另外，在傳統(tǒng)的單片機(jī)開發(fā)中大多是基于中斷的前后臺技術(shù)，對多任務(wù)的管理有局限性。μC/OS嵌入式系統(tǒng)通過引入進(jìn)程的管理調(diào)度系統(tǒng)，使系統(tǒng)運(yùn)行更加高效。

圖2 ZigBee無線通信模塊電路原理圖

圖3 SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊電路原理圖

公開源碼的μC/OS嵌入式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)提高了軟件開發(fā)的效率并使系統(tǒng)的擴(kuò)展性能和移植性得到提高。在此基礎(chǔ)上，通過移植μC/GUI圖形界面系統(tǒng)，設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，方便用戶對數(shù)據(jù)信息的查詢。軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3.1 μC/OS嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)

μC/OS-Ⅱ是一個嵌入式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)，它的主要特點(diǎn)是源代碼公開，并且具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時性優(yōu)良以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。μC/OS-Ⅱ是一個基于優(yōu)先級的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，最多可以有56個應(yīng)用程序任務(wù)，每個任務(wù)的優(yōu)先級不同，對于實(shí)時性和穩(wěn)定性要求較高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，引入μC/OS-Ⅱ能夠大大改善其性能，極大地方便了系統(tǒng)多功能化設(shè)計(jì)。

基于μC/OS的作物生長環(huán)境信息采集裝置，根據(jù)整個裝置所需要實(shí)現(xiàn)的功能和要求進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)分割，并根據(jù)實(shí)際需要為各個任務(wù)分配優(yōu)先級。系統(tǒng)整體上分為如下幾個任務(wù)：主任務(wù)、各通道的數(shù)據(jù)采集任務(wù)、顯示任務(wù)以及包含在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中的通信任務(wù)。對于每個任務(wù)，編寫相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)程序，最終實(shí)現(xiàn)對影響農(nóng)作物生長的各種環(huán)境參數(shù)以及多種實(shí)時動態(tài)微環(huán)境信息的采集，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 μC/GUI圖形界面系統(tǒng)

μC/GUI是一種用于嵌入式應(yīng)用的圖形支持軟件，它被設(shè)計(jì)用于為任何使用一個圖形LCD的應(yīng)用提供一個有效的不依賴于處理器和LCD處理器的圖形用戶接口[7]。將μC/GUI圖形界面系統(tǒng)移植到本作物生長環(huán)境信息采集裝置中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互也是與傳統(tǒng)方式運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行信息采集的區(qū)別之一。運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行信息采集，只能進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)顯示，無法實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。而μC/GUI完全是以ANSIC編寫的，可以方便地工作于單任務(wù)和多任務(wù)環(huán)境下，具有非常好的移植特性和可裁減性。針對具體應(yīng)用，只要編寫好LCD的驅(qū)動程序，通過對相應(yīng)配置宏的設(shè)置，就能很輕松地將μC/GUI嵌入到具體的應(yīng)用裝置中。該裝置的人機(jī)交互界面采用層次化的結(jié)構(gòu)，根據(jù)各個功能的劃分選擇多級菜單的顯示方式，主要包括開機(jī)界面、“一級界面”和具體的“二級界面”，所設(shè)計(jì)的GUI人機(jī)界面層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 GUI人機(jī)界面層次結(jié)構(gòu)圖

3.3 應(yīng)用程序的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)運(yùn)行主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

用戶應(yīng)用程序是整個軟件系統(tǒng)中的核心部分，負(fù)責(zé)作物生長環(huán)境信息的采集、處理、傳輸以及顯示等功能，通過移植μC/OS操作系統(tǒng)和μC/GUI圖形界面系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。具體包括系統(tǒng)主程序、傳感器數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)傳輸通信子程序和作物生長環(huán)境信息顯示子程序4部分。

圖6 作物生長環(huán)境信息采集主程序設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)上電后先執(zhí)行的是主函數(shù)程序，主函數(shù)首先進(jìn)行硬件平臺的初始化，包括I/O口、串口以及各種傳感器。硬件初始化完成后再初始化μC/OS-II與μC/GUI，主要配置一些μC/OS-II和μC/GUI所需參數(shù)，初始化完成后就可以創(chuàng)建任務(wù)：首先創(chuàng)建主任務(wù)，接著由主任務(wù)創(chuàng)建相應(yīng)的子任務(wù)，如人機(jī)界面子任務(wù)、數(shù)據(jù)采集子任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸子任務(wù)等。任務(wù)創(chuàng)建完成后啟動任務(wù)，到這里主函數(shù)的任務(wù)已經(jīng)完成，最后將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作物生長環(huán)境信息采集裝置的功能要求。

3.4 傳感器數(shù)據(jù)采集子程序

作物生長環(huán)境信息采集裝置配置的傳感器模塊的輸出信號分為數(shù)字和模擬2種。模擬信號為0～5 VDC標(biāo)準(zhǔn)電壓信號（CO2濃度風(fēng)速），可以直接與處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口ADC相連，通過相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)完成信息采集，該裝置的ADC處理任務(wù)函數(shù)如下：

其他輸出數(shù)字信號的傳感器（如溫濕度、溫度、光照等傳感器）由于信號標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，需要按照其相應(yīng)的通信協(xié)議編寫程序，完成數(shù)據(jù)的采集。

3.5 數(shù)據(jù)傳輸通信子程序

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)?種方式中，RS—485與ZigBee無線通信都是采取串口與處理器連接，程序中只需完成相應(yīng)的串口配置就能進(jìn)行串口通信，其串口配置函數(shù)如下：

3.6 作物生長環(huán)境信息顯示子程序

作物生長環(huán)境信息顯示子程序?qū)崟r地在液晶屏上顯示各種作物生長環(huán)境信息。根據(jù)菜單選項(xiàng)，可以選擇顯示相應(yīng)的畫面；選擇系統(tǒng)設(shè)置菜單，可以設(shè)置系統(tǒng)工作方式以及通信方式；選擇信息采集菜單，可以設(shè)置相應(yīng)的傳感器參數(shù)、信息采集參數(shù)等；信息顯示區(qū)域提供了冠層溫度、葉層溫濕度、CO2濃度、光照度、風(fēng)速以及時間等信息的實(shí)時顯示；系統(tǒng)說明菜單，提供了簡要的作物生長環(huán)境信息采集裝置說明。

4 結(jié)束語

基于μC/OS的作物生長環(huán)境信息采集裝置，將低成本、高效率的智能化設(shè)備應(yīng)用于植物生長柜內(nèi)作物生長環(huán)境信息的采集，集成了多種作物生長環(huán)境信息的采集功能，通過移植μC/GUI圖形界面系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能化的人機(jī)交互。不僅為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施提供了實(shí)時數(shù)據(jù)支持，而且用信息技術(shù)來提升改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，推動中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)步持續(xù)快速地發(fā)展。該裝置充分利用了μC/OS操作系統(tǒng)的可操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高、設(shè)備投入和數(shù)據(jù)傳輸成本低、存儲容量大等優(yōu)點(diǎn)，但是該裝置只是采集了單一節(jié)點(diǎn)的作物生長環(huán)境信息，沒用形成網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這將會成為今后研究過程中的新課題。

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