傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)智能決策系統(tǒng)一般分為現(xiàn)場無線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠程數(shù)據(jù)處理中心兩部分[1-3]。其中,，現(xiàn)場無線傳感網(wǎng)絡(luò)分為子節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點,，子節(jié)點負責數(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee,、BlueTooth等無線通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點,；網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負責將收集到的現(xiàn)場環(huán)境信息通過GPRS等通信方式傳輸至遠程數(shù)據(jù)處理中心。遠程數(shù)據(jù)處理中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理,、決策診斷,，并可通過Internet網(wǎng)絡(luò)完成Web發(fā)布等功能。

    然而,，在我國較廣范圍的農(nóng)村區(qū)域,，Internet網(wǎng)絡(luò)普及率并不高，限制了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,。另一方面,，大量的數(shù)據(jù)傳輸所產(chǎn)生的GPRS通信費用導(dǎo)致系統(tǒng)使用成本較高。因此,，本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)作物智能決策解決方案,。其方案集成了數(shù)據(jù)采集、傳輸和智能決策的功能,，在對農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集的同時,，可利用嵌入式裝置中的本地知識庫，針對當前的環(huán)境數(shù)據(jù)進行決策推理,，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長信息的快速決策,，使其數(shù)據(jù)的無線傳輸成為非必需環(huán)節(jié),，降低了系統(tǒng)對Internet網(wǎng)絡(luò)的依賴，使系統(tǒng)具有更好的靈活性和更廣的應(yīng)用范圍,。
1 系統(tǒng)總體介紹
    本文采用基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器,，同時移植?滋COS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)，外接溫度,、濕度,、光照等多種傳感器，可實時檢測農(nóng)業(yè)現(xiàn)場當前環(huán)境信息,，并根據(jù)SD卡存儲的農(nóng)作物知識庫,，對現(xiàn)場環(huán)境進行本地快速推理決策，對于不同的農(nóng)作物,，只需更新SD卡中的知識庫文件即可,；同時可根據(jù)實際需要，將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊及時地傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)中心,。此外,，環(huán)境數(shù)據(jù)和決策信息可輸出至LCD進行顯示，并可以通過鍵盤完成采樣周期,、濾波方式,、數(shù)據(jù)傳輸使能等多種功能的參數(shù)設(shè)置。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本文采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計思想,，將系統(tǒng)劃分為MCU核心處理模塊,、數(shù)據(jù)采集模塊、SD卡知識庫存儲模塊,、GPRS數(shù)據(jù)通信模塊,、LCD顯示模塊、鍵盤模塊等,。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    MCU核心處理模塊采用STM32FM103芯片作為核心處理器，其工作頻率可達72 MHz,，具有SPI,、UART等通信接口。片內(nèi)集成ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元,，轉(zhuǎn)換精度為12 bit,，72 MHz工作模式下A/D轉(zhuǎn)換時間為1.17 μs。為增強系統(tǒng)的抗干擾能力,，數(shù)據(jù)采集模塊選用模擬量輸出類型的傳感器,，用于檢測現(xiàn)場環(huán)境的溫濕度、光照強度,、CO2濃度等多種環(huán)境信息,。針對電流輸出型(4 mA～20 mA)模擬傳感器,，采用π型電路將電流信號轉(zhuǎn)換為0～3.3 V電壓信號之后，接入至片內(nèi)ADC模塊,。同時采用繼電器控制傳感器的供電狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗,。SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊通過SPI總線與MCU連接,，用于存儲智能決策所需的知識庫。GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊可根據(jù)用戶需求進行選擇配置,，其主要功能是實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠程傳輸,，通過UART接口與MCU通信。LCD顯示模塊和鍵盤模塊,，與STM32的GPIO引腳相連接,，實現(xiàn)人機交互。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    μCOS-II操作系統(tǒng)是一種具有可搶占內(nèi)核的實時操作系統(tǒng),，并且開源,、結(jié)構(gòu)小巧。由于其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理,、時間管理,、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能,，具有執(zhí)行效率高,、占用空間小、實時性能優(yōu)良和擴展性強等特點[3],，因此,，本文在軟件設(shè)計上移植了μCOS-II操作系統(tǒng)[4-5]。經(jīng)過bootloader啟動階段之后,，首先完成時鐘配置和GPIO,、AD、RTC,、SPI,、UART接口及中斷的配置以及μCOS-II操作系統(tǒng)的初始化，然后根據(jù)系統(tǒng)功能需求建立了6個任務(wù),，分別為周期管理任務(wù),、GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù),、智能決策任務(wù),、LCD顯示任務(wù)和鍵盤任務(wù)，其優(yōu)先級設(shè)置由高到低,。?滋COS-II任務(wù)設(shè)計流程如圖2所示,。

    周期管理任務(wù)用于控制系統(tǒng)的采樣周期,，使用實時時鐘RTC的ALARM中斷機制來實現(xiàn)定時功能，屬于中斷級任務(wù),，優(yōu)先級最高,；GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)受控于用戶的選擇模式，在功能開啟時,，利用UART1將數(shù)據(jù)傳輸至GPRS模塊,，其數(shù)據(jù)格式采用AT命令，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，將其?yōu)先級設(shè)置為次高,；數(shù)據(jù)采集任務(wù)首先控制繼電器使傳感器上電，然后任務(wù)掛起10 s以保證傳感器進入穩(wěn)定工作狀態(tài),，再啟動A/D,，轉(zhuǎn)換完成之后，數(shù)據(jù)放入DMA緩沖區(qū)中,，繼而可選擇中值濾波,、平均值濾波等方式進行數(shù)據(jù)處理；智能決策任務(wù)根據(jù)采樣數(shù)據(jù),，啟動推理機,，得到?jīng)Q策結(jié)論；LCD顯示任務(wù)以消息郵箱(message mail boxes)機制接收傳感器數(shù)據(jù)以及決策結(jié)果并實時顯示輸出,；鍵盤任務(wù)可設(shè)置GPRS模塊使能,、采樣周期、數(shù)據(jù)濾波方式等多種用戶需求,。
4 智能決策在嵌入式系統(tǒng)中的實現(xiàn)
    本文采用基于知識庫的智能決策設(shè)計思想,，分為知識庫設(shè)計和推理機設(shè)計兩部分，對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行決策判斷,。
4.1 嵌入式知識庫設(shè)計
    知識庫是智能決策的重要組成部分,，它的質(zhì)量很大程度上影響了系統(tǒng)整體的決策水平。本文以SD卡為存儲介質(zhì),，在其上構(gòu)建了農(nóng)業(yè)知識庫,。SD卡的讀寫訪問方式是扇區(qū)尋址，為了便捷,、快速地構(gòu)建知識庫,，本文移植實現(xiàn)了FATFS文件系統(tǒng)，而知識庫則以TXT文件方式進行存儲,。
    本文采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法,，其結(jié)構(gòu)如下：
    IF 條件1，條件2,，……,，THEN結(jié)論
    以黃瓜為例,，依據(jù)專家經(jīng)驗和相關(guān)文獻[6-8]，獲知黃瓜的第K條知識規(guī)則如表1所示,。通過進一步整理,，可以向TXT文件中添加此規(guī)則。調(diào)用FATFS文件系統(tǒng)接口函數(shù)f_open打開知識庫TXT文件,，通過f_read讀取相應(yīng)的知識規(guī)則,。

4.2 嵌入式推理機設(shè)計
    推理機的功能是根據(jù)一定的推理策略從知識庫中選擇相應(yīng)的知識，對新的事實進行推理,，直到得出相應(yīng)的結(jié)論為止。推理有正向推理,、反向推理及混合推理,，在本系統(tǒng)中，由于輸入事實較少,，結(jié)論較多且分散,，因此采用正向推理方法[9]。正向推理的步驟是：(1)當系統(tǒng)采集到傳感器數(shù)據(jù)之后,，與知識庫中的規(guī)則進行匹配,，若找到，則將規(guī)則結(jié)論部分加入到數(shù)據(jù)信息中,；(2)更新的數(shù)據(jù)信息再匹配知識庫中的規(guī)則,，將所匹配的規(guī)則結(jié)論部分再次加入到數(shù)據(jù)信息中；(3)如此循環(huán),，直至得出最終的診斷信息,。其流程如圖3所示。

5 實驗結(jié)果
    為了驗證系統(tǒng)的可行性,，開發(fā)了農(nóng)作物智能決策裝置樣機,。樣機安裝有一系列傳感器，用于檢測環(huán)境溫濕度,、光照,、CO2、土壤溫濕度,、鹽分,、PH值等參數(shù)，并在SD卡中植入植物（幼苗期黃瓜為例）的知識庫,。系統(tǒng)上電后,，運行結(jié)果如圖4所示。

    通過鍵盤設(shè)定采樣周期為2 h,，并開通使能GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能之后,，在遠程數(shù)據(jù)中心PC機上接收到傳感器數(shù)據(jù),。圖5記錄了24 h內(nèi)的環(huán)境溫度檢測信息。

    通過實驗?zāi)M不同的環(huán)境條件,，測試系統(tǒng)的智能決策能力,。使系統(tǒng)連續(xù)運行一周，并利用SD卡對系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)和決策結(jié)果進行跟蹤記錄,，部分數(shù)據(jù)如表2所示,。系統(tǒng)一周內(nèi)采樣并決策84次，經(jīng)檢驗,，準確決策79次,，決策不當3次，無決策2次,，準確率為92.9%,。

    本文針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)的特點，設(shè)計了板級農(nóng)作物智能決策系統(tǒng),。系統(tǒng)采用μCOS-II對任務(wù)進行調(diào)度管理,，利用知識庫完成本地智能決策。實驗表明,，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,，可根據(jù)采樣實時數(shù)據(jù)產(chǎn)生合理有效的決策信息，達到了預(yù)期要求,。目前已應(yīng)用于新疆昌吉州農(nóng)作物溫室大棚中,。
參考文獻
[1] 韓華峰，杜克明,，孫忠富,，等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009,，25(7)：158-163.
[2] 王福祿,，房俊龍，張喜海.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,，2011,，42(2)：59-64.
[3] 蔣鵬.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的濕地水環(huán)境遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學報，2007,，20(1)：183-186.
[4] 劉悅.基于ARM的μC/OS-Ⅱ移植與實現(xiàn)[J].科技信息,，2011(21)：40，25.
[5] 黃燕平.μC/OS ARM移植要點詳解[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2005.
[6] 高麗紅,，張福墁，陳青君.不同類型黃瓜生長發(fā)育與環(huán)境因子關(guān)系[J].中國農(nóng)業(yè)大學學報，2000,，5(3)：58-62.
[7] 郭晉云,，胡曉峰，李勇,，等.黃瓜枯萎病對黃瓜光合和水分生理特性的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學學報,，2011，34(1)：79-83.
[8] 魏述英.現(xiàn)代溫室黃瓜礦質(zhì)元素吸收規(guī)律及溫光逆境和CO2對黃瓜生長發(fā)育的影響[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學,，2006.
[9] 楊曉宇,，施笑安，張勇傳.eCOS操作系統(tǒng)的構(gòu)件化設(shè)計技術(shù)研究[J].湖北工業(yè)大學學報,，2008,，23(5)：1-6.