基于ZigBee的絞股藍(lán)種植環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

徐義軍 王平

摘要：基于ZigBee的絞股藍(lán)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括土壤濕度、空氣溫度、CO2濃度、土壤酸堿度、光照強(qiáng)度等傳感器獲取絞股藍(lán)生長環(huán)境的參數(shù)，終端節(jié)點(diǎn)通過CC2530單片機(jī)獲取各個傳感器的參數(shù)值，協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將傳感器的數(shù)據(jù)整理打包通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA主控制器，F(xiàn)PGA通過CCD攝像頭獲取絞股藍(lán)的葉片信息以及ZigBee獲取的不同遠(yuǎn)近的RSSI的值進(jìn)行算法分析，得到不同位置的絞股藍(lán)葉片真實(shí)的大小 ，然后將所有數(shù)據(jù)整理通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給遠(yuǎn)程的服務(wù)器存儲，用戶通過Web訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)測與管理。

1、引言：

絞股藍(lán)的種植基地多在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，以散戶農(nóng)民種植為主，對生長環(huán)境的數(shù)據(jù)的收集較為困難，種植的管理效率較低，種植人力成本較高。且農(nóng)戶的種植管理技術(shù)不夠成熟，因此采用信息化手段監(jiān)測農(nóng)作的生長可提高農(nóng)戶的收成和公司絞股藍(lán)產(chǎn)量，降低管理成本，提升管理的效率。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）通過實(shí)時采集溫室內(nèi)溫度、土壤溫度、CO2 濃度、濕度信號以及光照、葉面濕度、露點(diǎn)溫度等一系列環(huán)境參數(shù)，合理安排絞股藍(lán)的種植方式，提升作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。可以根據(jù)用戶的需求，隨時進(jìn)行處理，為絞股藍(lán)綜合生態(tài)信息的自動監(jiān)測、對環(huán)境進(jìn)行自動控制和智能化的管理提供了科學(xué)依據(jù)。

2、系統(tǒng)方案

為了監(jiān)測一片區(qū)域內(nèi)的絞股藍(lán)的生長環(huán)境數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，需要布置大量的傳感器實(shí)時監(jiān)測，為了減少布線的不便以及大量數(shù)據(jù)管理上面的繁瑣，本發(fā)明通過建立ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來對傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送和匯總，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括有土壤濕度、空氣溫度、CO2濃度、土壤酸堿度、光照強(qiáng)度等，每個終端節(jié)點(diǎn)通過CC2530單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后通過ZigBee發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，為了防止由于意外導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能實(shí)時傳輸給協(xié)調(diào)器，系統(tǒng)采用的是一種網(wǎng)狀架構(gòu)的組網(wǎng)方式，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時，信息可以自動的沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。協(xié)調(diào)器將所有傳感器的數(shù)據(jù)匯總，通過串口與FPGA主控制器交互。本發(fā)明采用的是DE1-SoC產(chǎn)品，充分利用FPGA的高速并行處理能力與ARM Linux靈活的運(yùn)算和系統(tǒng)控制優(yōu)勢，使用SoC器件上的FPGA資源，設(shè)計圖像采集和格式轉(zhuǎn)換邏輯，實(shí)現(xiàn)絞股藍(lán)葉片圖像數(shù)據(jù)的采集，并通過SoC器件獨(dú)有的FPGA2HPS高速橋，將圖像數(shù)據(jù)實(shí)時存入HPS側(cè)DDR3存儲器中。HPS端運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，實(shí)時讀取圖像數(shù)據(jù)。 SDRAM控制器被配置為一個64MB的ip核，控制SDRAM數(shù)據(jù)的存儲和讀取。片上RAM的工作頻率為100MHz，通過鎖相環(huán)保證了SDRAM與FPGA時鐘的同步。Nios II項目在整個SDRAM中先調(diào)用Nios II系統(tǒng)功能，通過I2C協(xié)議確保所有的數(shù)據(jù)更快的傳輸。Qsys掛載PIO控制器以此來驅(qū)動GPIO的數(shù)碼管等外設(shè);UART串口與協(xié)調(diào)器通信，獲取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，同時得到每個節(jié)點(diǎn)的RSSI值;同時里面移植了一個HPS的ip核，保證了FPGA和ARM之間的通信。

系統(tǒng)中FPGA模塊主要完成圖像采集、圖像編碼、圖像緩存、圖像顯示、FPGA和HPS之間的圖像交互傳輸與控制信號交互、HPS側(cè)圖像分析、圖像編碼。整個圖像采集、顯示、寫入HPS側(cè)DDR3的數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。系統(tǒng)使用了PAL制式輸出的CCD攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，由專用的PAL圖像編碼芯片ADV7180編碼得到ITUR656格式的圖像數(shù)據(jù)，然后在FPGA內(nèi)部進(jìn)行ITUR656圖像格式解碼得到Y(jié)UV4：2：2格式圖像，然后將解碼得到的圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM中進(jìn)行緩存。另一方面，使用FPGA從SDRAM中取出緩存的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，最終得到24bit的RGB圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)絞股藍(lán)葉片顏色的灰度值范圍，濾除葉片以外的灰度值，統(tǒng)計葉片灰度值的點(diǎn)的個數(shù)，與原始圖片像素點(diǎn)的比值k，就可以得到該葉片在整個圖像中的大小。然后根據(jù)ZigBee傳輸?shù)拇巳~片位置的RSSI的值，計算出此葉片的相對攝像頭的距離值，如公式（2）（3）所示。

結(jié)論：

本系統(tǒng)利用線性CCD攝像頭對絞股藍(lán)的葉片的圖像進(jìn)行采集，移植FPGA2HPS高速橋，F(xiàn)PGA直接高速傳入數(shù)據(jù)到ARM的DDR3中，通過網(wǎng)絡(luò)將可執(zhí)行文件傳送到 Linux，利用C語言算法的有效判別和分析，提取對應(yīng)的RGB值提取對應(yīng)的RGB值，通過中值濾波算法去除光照和陰影的影響，然后將RGB的值轉(zhuǎn)換為灰度值，提取出葉片顏色的范圍內(nèi)的灰度值的像素點(diǎn)，求得葉片像素點(diǎn)與原始圖片像素點(diǎn)個數(shù)的比值。同時ZigBee通過傳輸?shù)男盘枏?qiáng)度RSSI的值，通過算法計算得到每個節(jié)點(diǎn)到主控制器的距離值，就可以求得拍攝的每個葉片位置到攝像頭的距離，結(jié)合計算出的像素點(diǎn)比值與距離比值的函數(shù)，分析求得葉片的大小，為絞股藍(lán)生產(chǎn)狀態(tài)判定提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。