趙 勇，劉 偉

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

0引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展和果蔬大棚的大批量種植，開發(fā)一種針對果蔬大棚的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，以提高果蔬產(chǎn)量和質(zhì)量是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢.本設(shè)計以渭北溫室大棚大面積種植特點(diǎn)，采用Cortex M3微處理器來監(jiān)測大棚溫度、濕度及CO2濃度等參數(shù)，并及時將所監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息傳送到計算機(jī)終端.該設(shè)計具有操作便捷、能連續(xù)測定、實(shí)時等優(yōu)點(diǎn)，方便可靠.［1］同時，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)自動通風(fēng)、自動噴淋灌溉、自動光照調(diào)節(jié)等智能控制或報警功能.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)以ST公司的微處理器STM32F103為控制核心，實(shí)時采集大棚內(nèi)的溫、濕度及CO2濃度的變化，并將得到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到計算機(jī)終端，供農(nóng)業(yè)專家研究.同時，可通過采集溫度、濕度變化數(shù)據(jù)來控制大棚內(nèi)的噴淋裝置和通風(fēng)裝置，調(diào)節(jié)大棚的環(huán)境.通過按鍵預(yù)設(shè)定系統(tǒng)的各個參數(shù)上下限值，使管理人員實(shí)時了解大棚內(nèi)的環(huán)境信息.系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 Cortex M3 STM32F103微處理器

STM32F103是ST公司推出的基于ARMv7體系架構(gòu)的處理器核，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn).STM32系列芯片使用高性能的ARM Cortex M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為70 MHz.內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)512 K字節(jié)的閃存和64 K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè).本設(shè)計中，采用該處理器主要實(shí)現(xiàn)采集外部傳感器的數(shù)據(jù)并完成上位機(jī)發(fā)出的指令，［2］以及人機(jī)交互功能中的觸摸屏控制.

2.2 土壤濕度傳感器模塊

該傳感器采用FC-28型土壤濕度傳感器，其濕度上下限可通過鍵盤設(shè)定，當(dāng)濕度高于設(shè)定濕度時，啟動抽濕機(jī)、通風(fēng)等設(shè)備;濕度達(dá)到設(shè)定濕度時自動停止;濕度低于設(shè)定濕度時，啟動噴淋裝置.濕度傳感器模塊與STM32F103的連接電路如圖2所示.在判斷濕度的時候，由于大棚面積較大，為了防止誤判情況發(fā)生，可在大棚內(nèi)多處設(shè)置實(shí)時采集各點(diǎn)的濕度信息，在微處理內(nèi)通過軟件做中值濾波處理，即將各點(diǎn)采集的值做算術(shù)平均，將平均的結(jié)果作為判斷依據(jù)，這樣的處理能減少誤判發(fā)生.系統(tǒng)下階段設(shè)計將采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位功能，可通過埋在土壤下各節(jié)點(diǎn)的濕度傳感器傳來的信息，直接定位大棚內(nèi)某處的濕度情況，進(jìn)行局部控制.

圖2 STM32F103與FC-28濕度模塊硬件連接圖

2.3 CO2濃度傳感器模塊

CO2濃度傳感器模塊采用MD62型氣敏元件，其內(nèi)部可通過混合氣體的總導(dǎo)熱系數(shù)，隨待分析氣體含量的不同而改變，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻變小，遇非可燃性氣體時檢測元件電阻變大(空氣背景)，橋路輸出電壓變量，輸出電壓呈線性響應(yīng)，其具有速度快、良好的重復(fù)性、工作穩(wěn)定、不存在催化劑中毒、可無氧、缺氧檢測.［3］該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫度補(bǔ)償作用，檢測范圍寬(0% ～100%VOL).

2.4 溫度檢模塊

溫度的檢測采用美國DALLAS公司的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其測量范圍為-55℃ ～125℃，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，多個DS18B20可以并聯(lián)到1根總線上，CPU只需一個端口線就能與諸多DS18B20通信，以上特點(diǎn)非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng).

2.5 觸摸屏模塊

觸摸屏模塊實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的人機(jī)對話.當(dāng)點(diǎn)擊屏幕設(shè)計中的圖形按鈕時，屏幕內(nèi)的傳感反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)計的程序驅(qū)動各種連結(jié)功能，其可取代機(jī)械式的按鍵，并能產(chǎn)生生動的影音效果.它具有顯示內(nèi)容豐富、直觀、易操作等優(yōu)點(diǎn).

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 μC/OS-II操作系統(tǒng)移植

μC/OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步(信號量、郵箱、消息隊列)和內(nèi)存管理等功能.［4］它可以使各個任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，并使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大大減化.下面介紹本系統(tǒng)對μC/OS-II的移植及其使用.

硬件需求:

CPU(8/16/32/64位);

有最少的RAM和ROM(注:內(nèi)存需的變化取決于軟件的哪些部分被使用以及目標(biāo)編譯程序的效率有多高);

完全的圖形LCD(任何類型和任何分辯率).

μC/OS-II的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼，具體有如下內(nèi)容:

(1)os_cpu.h中需要設(shè)置一個常量來標(biāo)識堆棧增長方向;

(2)os_cpu.h中需要聲明幾個用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏;

(3)os_cpu.h中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型;

(4)os_cpu_a.asm需要改寫4個匯編語言的函數(shù);

(5)os_cpu_c.c需要用c語言編寫6個簡單函數(shù).

完成上述工作后μC/OS-II就可以運(yùn)行在ARM處理器上了.

在任務(wù)執(zhí)行時，如果需要對其進(jìn)行中斷操作，應(yīng)對于任務(wù)用以下函數(shù)進(jìn)行配置:

#define OS_EXIT_CRITICAL()/* 允許中斷;

#define OS_ENTER_CRITICAL()/* 禁止中斷.

在μC/OS-II中用GUI的，所以還要寫幾個操作系統(tǒng)接口函數(shù).而GUI_X_x之類的函數(shù)是和操作系統(tǒng)相關(guān)的接口.

(1)系統(tǒng)時間接口.

取系統(tǒng)時間:intGUI_X_GetTime(void);

延時函數(shù):void GUI_X_Delay(int ms).

(2)任務(wù)調(diào)度函數(shù).

任務(wù)初始化:void GUI_X_InitOS(void);

任務(wù)鎖定:voidGUI_X_Lock(void);

任務(wù)解鎖:voidGUI_X_Unlock(void);

本系統(tǒng)在移植μC/OS-II時，修改了3個與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)操作分別是:任務(wù)管理OS_TASK.C、任務(wù)管理 OS_MEM.C、任務(wù)管理 OS_CORE.C.［5］

圖3 系統(tǒng)上位機(jī)圖形界面

3.2 μC/GUI和μC/GUIBuilder界面設(shè)計

uC/GUI是Micrium公司研發(fā)的通用的嵌入式用戶圖像界面軟件.它給任何使用圖像LCD的應(yīng)用程式提供單獨(dú)于處理器和LCD控制器之外的有效的圖形用戶接口.能夠應(yīng)用于單一任務(wù)環(huán)境，也能夠應(yīng)用于多任務(wù)環(huán)境中.GUI Builder是一款用來創(chuàng)建WebElement用戶界面(WUI)的模板生成器，能根據(jù)用戶的要求來生成C語言源代碼的工具，也可以作為一個WEP響應(yīng)程序的基礎(chǔ).它簡化了應(yīng)用程序的設(shè)計過程，生成簡單的程序框架和事件框架，對邏輯和視圖進(jìn)行分離，使源代碼能直接在指定的編譯器里編譯生成目標(biāo)文件.

3.3 系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計

本系統(tǒng)的上位機(jī)是在C#上開發(fā)的，C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運(yùn)行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計語言.圖3為上位機(jī)軟件打開之后的畫面.

4 結(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，提出利用嵌入式系統(tǒng)整合農(nóng)業(yè)設(shè)施所設(shè)計的一種新方案.系統(tǒng)通過對溫室內(nèi)的溫度與濕度參量的采集，并根據(jù)上述參數(shù)實(shí)現(xiàn)對溫度和濕度的自動調(diào)節(jié)，達(dá)到了溫室大棚自動控制的目的.該方案對渭北平原果蔬大棚的規(guī)范化管理具有的一定的現(xiàn)實(shí)意義.

(指導(dǎo)教師 袁 衛(wèi))

［1］于海業(yè)，馬成林，孫瑞東.溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1997，13(S1):262-269.

［2］王瑄，遲道才，王鐵良，等.日光溫室夏季降溫措施的試驗研究初報［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2001，17(5):95-98.

［3］丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1998.

［4］趙寧，陳明，何鵬舉.嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II在ARM上的移植與應(yīng)用［J］.計算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2004，(4):29-31.

［5］ELM-FAT File System Module［DB/OL］.(2010-05-04)［2013-03-25］.http://elm-chan.org/fsw/f/00index_e.html.