摘  要： 針對葡萄大棚種植栽培的需要，提出了一種基于可編程片上系統(tǒng)的葡萄大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)中工作節(jié)點與數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點都基于可編程片上系統(tǒng)實現(xiàn),，并可根據(jù)具體使用需求靈活配置節(jié)點外設(shè)及內(nèi)核模塊。系統(tǒng)可對土壤溫濕度,、環(huán)境溫濕度,、日光輻照等葡萄大棚內(nèi)種植參數(shù)進(jìn)行采集，并可實現(xiàn)基本的大棚機(jī)電操作控制功能,。還討論了基于JSP技術(shù)實現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)測控制功能用戶端的方法,。該系統(tǒng)具有使用靈活、功能伸縮性好,、通用化程度高,、配置便捷與使用方便等特點，可望為葡萄大棚栽培提供較為方便的工程實踐支持,。

　　關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng),；智能農(nóng)業(yè)；可編程片上系統(tǒng),；ZigBee

0 引言

　　近年來,，精細(xì)化農(nóng)業(yè)種植技術(shù)在我國得到了快速的發(fā)展。通過精細(xì)化農(nóng)業(yè)種植技術(shù)不僅可以在較大程度上提高農(nóng)作物的產(chǎn)量,，還能有效改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì),，提高農(nóng)業(yè)種植收益。精細(xì)化農(nóng)業(yè)種植的重點是要實現(xiàn)對種植過程的精細(xì)化管控,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為這一需求提供了有力的保障[1-4],。可編程片上系統(tǒng)（Programmable System on Chip,，PSoC）在低成本,、高集成度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方面有其獨到的優(yōu)勢[5-6]。本文提出了一種基于PSoC的葡萄大棚遠(yuǎn)程管理系統(tǒng),。通過采用PSoC技術(shù),，使節(jié)點具有較低的成本、較高的集成度,、較強(qiáng)的使用靈活性與可擴(kuò)展性,，從而適應(yīng)葡萄大棚節(jié)點布設(shè)密度高,、采樣數(shù)據(jù)多樣、功能變化頻繁及成本約束大等特點,。另外結(jié)合JSP技術(shù),，方便用戶通過上位機(jī)對大棚進(jìn)行管理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)由工作節(jié)點,、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點和上位機(jī)組成,。系統(tǒng)中工作節(jié)點與數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點都采用PSoC架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)無線通信方式基于ZigBee透傳模塊,。由于PSoC內(nèi)置MCU,、ADC、運放,、多種通信接口,、實時時鐘及對液晶顯示的支持等可通過軟件靈活配置的功能，這使得節(jié)點可以實現(xiàn)非常多樣化的設(shè)計,。工作節(jié)點負(fù)責(zé)對葡萄大棚內(nèi)種植參數(shù)的采集及大棚控制操作,。葡萄大棚內(nèi)種植參數(shù)包括土壤溫濕度、環(huán)境溫濕度,、日光輻照等,。而大棚控制操作主要是控制水泵和電機(jī)從而實現(xiàn)灌溉與遮光等棚內(nèi)管控功能。每一個工作節(jié)點可以根據(jù)其具體的應(yīng)用情況通過對PSoC內(nèi)部模塊的軟件設(shè)定實現(xiàn)功能適配,。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點作為連接工作節(jié)點與上位機(jī)之間的通道,，負(fù)責(zé)上位機(jī)控制信息的下達(dá)與工作節(jié)點數(shù)據(jù)向上位機(jī)的匯聚。匯聚節(jié)點可以根據(jù)其地理位置情況決定是否攜帶一個獨立的子網(wǎng),。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點也可以根據(jù)具體需求被賦予部分大棚監(jiān)測與控制功能,。工作節(jié)點與數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點使用太陽能供電方式。上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的日常管控,，并為使用者提供簡潔明晰的人機(jī)交互界面,。在數(shù)據(jù)傳輸中，系統(tǒng)使用可變長度的容器用于承載監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制信息,。上位機(jī)使用固定周期時序訪問各工作節(jié)點及數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　由于PSoC具有較強(qiáng)的配置靈活性,，易于實現(xiàn)一板多用,，因此節(jié)點在設(shè)計中采用通用化設(shè)計，即工作節(jié)點與數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點采用相同的硬件設(shè)計,。在具體的硬件設(shè)計中,，預(yù)留擴(kuò)展接口，并通過對PSoC內(nèi)核與板載元件的配置靈活調(diào)整節(jié)點功能,。具體設(shè)計中,，PSoC芯片選取Cypress公司生產(chǎn),、TQFP-100封裝的CY8C3866AXI-040芯片。該芯片功能豐富,，適合進(jìn)行高集成度的設(shè)計,。其內(nèi)部集成了最高工作頻率可達(dá)67 MHz的8051MCU內(nèi)核，并具有可以根據(jù)用戶需求靈活配置的62個GPIO,、8個特別輸入/輸出（SIO）及兩個USBIO,。其內(nèi)部還具有24個基于可編程邏輯器件（PLD）的通用數(shù)字模塊。另外其具有的模塊化高精度ADC及可編程放大器等資源對實現(xiàn)系統(tǒng)功能也十分寶貴[7],。

　　系統(tǒng)硬件框如圖1所示,。設(shè)計中CY8C3866AXI-040芯片的20與21號管腳分別作為SWDIO與SWDCK功能使用，用于連接MiniProg 3編程器進(jìn)行燒寫,。PSoC在42號管腳與43號管腳之間接24 MHz的無源晶振作為系統(tǒng)工作時鐘,，55與56號管腳間接入32.768 kHz晶振為PSoC內(nèi)部的實時時鐘提供參考。系統(tǒng)通過PSoC Creator 3.1環(huán)境進(jìn)行開發(fā),。設(shè)計中對模擬監(jiān)測量的采集選用了兩個內(nèi)置的Delta-Sigma ADC（ADC_DelSig）,，其精度設(shè)定為20 bit。每一個Delta-Sigma ADC輸入端利用運放模塊（Opamp）構(gòu)建電壓跟隨器用以提高采樣效果,，配置時可直接通過內(nèi)部引線將運放模塊配置為單端輸入跟隨器,。而通過在該模塊對應(yīng)的PSoC管腳處對跳線與電阻進(jìn)行設(shè)定，還可將其功能組合由電壓跟隨器變?yōu)榉糯笃饕员銓崿F(xiàn)對外界設(shè)備的功能擴(kuò)展,。利用PSoC內(nèi)部的實時時鐘模塊（RTC）為采樣數(shù)據(jù)加上時間戳,。在節(jié)點通用PCB上還留有與95到99號、1號與2號管腳相連的跳線插座,，用于使用PSoC內(nèi)部的1602顯示驅(qū)動實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實時顯示功能,。在PCB上，預(yù)留出I2C與SPI的引線接口,，在使用時直接通過設(shè)定對應(yīng)PSoC模塊和GPIO來實現(xiàn),。節(jié)點通用PCB上留有兩路UART接口，一路用于連接具有UART接口的外部設(shè)備,，而另外一路通過MAX3232連接符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè),，UART通信通過調(diào)用PSoC內(nèi)部UART功能模塊實現(xiàn)。在節(jié)點中還留出3路PWM信號輸出端,，以便輸出PSoC內(nèi)部可配置PWM模塊產(chǎn)生的信號,，從而實現(xiàn)大棚機(jī)電設(shè)備的控制功能。

　　節(jié)點土壤溫度/濕度傳感器選擇不銹鋼防水封裝的SHT11溫濕度傳感器,，該傳感器為接觸式溫度傳感器,。SHT11將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號。SHT11與PSoC使用I2C協(xié)議進(jìn)行連接,。環(huán)境溫濕度采集選用AM2306耐候型戶外溫濕度傳感器,，該傳感器為單總線型傳感器，具有較高的采樣精度與使用靈活性,。其使用1-Wire協(xié)議方式與PSoC進(jìn)行通信,。日光輻照傳感器選擇Davis公司出品的6450日光輻照傳感器，該傳感器以1.67 mV-1 W/m2的比例輸出對應(yīng)日光輻照的比例標(biāo)定電壓,。在測量中,，SHT11依照葡萄具體的根系深度置入其植株下的土壤層中。AM2306被放置在葡萄冠層中用于采集其冠層內(nèi)部的具體溫濕度數(shù)據(jù),。而兩路日光輻照傳感器被放置在葡萄冠層上與冠層下界面,，分別用于測量日光輻照透過葡萄大棚覆蓋的塑料薄膜與日光輻照進(jìn)一步透射到冠層下葡萄果實處的日光輻照值。

　　設(shè)計中工作節(jié)點的ZigBee模塊選擇DRF1607H型透傳模塊,，DRF1607H與PSoC通過UART接口連接,。如果數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點距離上位機(jī)較近，則與工作節(jié)點使用相同的ZigBee架構(gòu),。而如果數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點距離上位機(jī)較遠(yuǎn),，則在節(jié)點上額外添加具有RS-232接口、傳輸距離可達(dá)數(shù)公里以上的DRF2617A透傳模塊,。此時數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與其從屬的工作節(jié)點使用DRF1607H通信,，而數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與上位機(jī)之間使用DRF2617A進(jìn)行通信。需要注意的是,，此時須將子網(wǎng)與主網(wǎng)設(shè)置互異的ID,。上位機(jī)使用DRF2618A模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。節(jié)點采用太陽能-鉛酸電池組合供電方式,，使用時,，太陽能電池組件被置于大棚外部。太陽能控制器輸出的電壓先通過LM2596-5.0輸出5 V電壓,，之后通過HT7333為系統(tǒng)提供3.3 V的工作電壓,。鉛酸電池的輸出電壓通過電阻分壓輸入到PSoC內(nèi)部Voltage Fault Detector（VFD）模塊，當(dāng)該電壓低于9 V時,，將在VFD的pgood端給出告警信號,。

3 系統(tǒng)通信與軟件設(shè)計

　　在系統(tǒng)通信中，利用ZigBee模塊提供的可變長度數(shù)據(jù)包容器適配具體需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式,。系統(tǒng)工作在輪詢模式下,，節(jié)點對上位機(jī)發(fā)出的具體指令做出響應(yīng)，依據(jù)上位機(jī)的指令要求對特定的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集或控制大棚機(jī)電設(shè)備工作,。具體ZigBee數(shù)據(jù)包由先導(dǎo)碼、容器長度指示位,、負(fù)載及結(jié)束碼組成,。上行及下行數(shù)據(jù)包中為每一個設(shè)備指定一個32 bit的子負(fù)載區(qū)段,，其中前11 bit為設(shè)備編號，之后的1 bit是操作控制位,，最后20 bit是數(shù)據(jù)或控制變量,。設(shè)備編號中的前8 bit為設(shè)備所屬節(jié)點的ID，后3 bit為設(shè)備本身的屬性ID,。如對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行設(shè)置操作,，下行數(shù)據(jù)包中每一個機(jī)電設(shè)備子負(fù)載區(qū)段中的后20 bit中存儲PWM的設(shè)置取值；而對于上位機(jī)下行而來的對傳感器數(shù)據(jù)的采集請求,，則將該20 bit置空,。當(dāng)機(jī)電設(shè)備完成相應(yīng)配置或傳感器數(shù)據(jù)采集完成后，節(jié)點向上位機(jī)發(fā)出對應(yīng)的數(shù)據(jù)包,，此時每個傳感器對應(yīng)的子負(fù)載區(qū)段中被裝入采集數(shù)據(jù),，而控制設(shè)備對應(yīng)的子負(fù)載區(qū)段中裝入設(shè)備響應(yīng)狀態(tài)值。另外由于數(shù)據(jù)包的長度是可變的,，因此每一次節(jié)點在接收到上位機(jī)的下行指令數(shù)據(jù)包后,，將依照指令數(shù)據(jù)包容器中指令的先后順序完成所有操作后再向上位機(jī)發(fā)出返回數(shù)據(jù)包。無論節(jié)點及其上傳感器是否屬于子網(wǎng),，其都被賦予網(wǎng)內(nèi)唯一ID,。如果節(jié)點屬于子網(wǎng)，其從屬的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點中則記錄該節(jié)點的ID與設(shè)備ID,。如有針對該節(jié)點的下行/上行數(shù)據(jù)包,，則由匯聚節(jié)點負(fù)責(zé)在子網(wǎng)與主網(wǎng)間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　上位機(jī)軟件基于JSP技術(shù)設(shè)計,。JSP是一種動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù),，它可以直接調(diào)用javabean或直接插入Java代碼，然后通過與HTML的結(jié)合構(gòu)建動態(tài)網(wǎng)站系統(tǒng),，達(dá)到用戶與服務(wù)端交互的目的[8],。上位機(jī)ZigBee模塊通過串口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)。實現(xiàn)中首先建立一個類,，類中需要添加必要的屬性,，如readStr、writeStr等,，并且需要為這些屬性添加必要的get和set方法,，方便對屬性值進(jìn)行獲取和設(shè)置。在新建的類中引入comm3.0.jar包,，通過該包提供的API就能很容易地實現(xiàn)打開串口,、關(guān)閉串口、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等功能,。如Commportidentifier類,，可以用該類提供的方法處理端口所有權(quán)問題和確定是否有可用的端口等問題。通過SerialPort類提供的方法可以完成基本的讀寫功能和常用的設(shè)置工作,。在開發(fā)中需要定義線程對端口進(jìn)行監(jiān)聽,。利用HTML和JSP標(biāo)簽編寫滿足需求的JSP頁面，該頁面不但能動態(tài)顯示下位機(jī)發(fā)過來的數(shù)據(jù),，還能通過向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)來對下位機(jī)進(jìn)行控制,。如圖2所示，在這個頁面不但能獲取下位機(jī)傳過來的溫濕度,、日光輻照數(shù)據(jù),，并通過曲線圖表的形式顯示出來，還能通過點擊開啟水泵,、開啟遮光簾按鈕對下位機(jī)進(jìn)行控制,。JSP自動通過后臺程序讀取系統(tǒng)的實時時間，在每一個系統(tǒng)輪詢周期開始后向各個節(jié)點及設(shè)備發(fā)出具體指令,。用戶在通過UI進(jìn)行操作后,，在下一個輪詢周期開始時操作生效。每次采樣數(shù)據(jù)及設(shè)備返回值都會被寫入SQL Server數(shù)據(jù)庫中,，方便系統(tǒng)使用者進(jìn)行回調(diào)查看,。

4 結(jié)論

　　針對葡萄大棚栽培的需求，本文提出了一種基于PSoC的葡萄大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)節(jié)點具有高度的配置靈活性與通用性,，可根據(jù)具體的需求靈活配備外部設(shè)備及內(nèi)核模塊。系統(tǒng)可對葡萄大棚基本種植參數(shù)進(jìn)行采集,，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)電設(shè)備控制功能,。上位機(jī)采用JSP設(shè)計，可以令用戶簡單方便地對系統(tǒng)進(jìn)行操作,。該系統(tǒng)具有使用靈活,、功能伸縮性好、通用化程度高,、配置便捷與使用方便等特點,，可望為葡萄大棚栽培提供較為方便的工程實踐支持。

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