基于MIPS的普適農業(yè)監測系統設計

引言
普適計算又稱(chēng)普存計算、普及計算，它強調的是和環(huán)境融為一體的、無(wú)處不在的計算。在普適計算中，計算機從人們的視線(xiàn)里消失，轉而使用各種嵌入式設備作為計算的核心，通過(guò)傳感器和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，用戶(hù)可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)，以任意方式進(jìn)行信息的獲取和處理。普適計算與信息農業(yè)的結合促進(jìn)了設施農業(yè)生產(chǎn)模式的發(fā)展，在該模式中系統根據獲取的數據進(jìn)行總結和計算，并對農業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行調節，這在一定程度上擺脫了長(cháng)久以來(lái)農作物生長(cháng)對自然環(huán)境的過(guò)多依賴(lài)，使得農作物生長(cháng)具有高產(chǎn)、高效、高質(zhì)的特點(diǎn)，其發(fā)達程度體現了一個(gè)國家農業(yè)現代化的水平。本文以MIPS架構的JZ4755和PIC32MX4系列處理器為核心，開(kāi)發(fā)了普適農業(yè)中的數據采集、分析、監測與預警系統。該系統實(shí)現了低功耗、小體積條件下環(huán)境數據的采集、計算，并能根據所獲取的數據進(jìn)行分析和處理。

1 系統總體結構
整個(gè)系統包含兩個(gè)主要部分：分支監測點(diǎn)和主控終端。分支監測點(diǎn)以PIC32MX460作為處理單元，外圍器件有光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等，其完成的功能包括對當前光照強度、溫度、濕度等環(huán)境數據的實(shí)時(shí)監測和記錄。主控終端以國產(chǎn)JZ4755處理器為核心，外圍器件包括網(wǎng)絡(luò )通信模塊、SD卡存儲模塊、GPRS通信模塊等，其完成的功能是整合各個(gè)分支監測點(diǎn)獲取的數據，根據農作物生長(cháng)規律給出決策意見(jiàn)，同時(shí)把各個(gè)階段記錄的數據存儲到SD卡模塊中；主控終端中還內置有Web服務(wù)器，當連接上了網(wǎng)絡(luò )時(shí)，用戶(hù)在任何地方都能查詢(xún)到系統當前的狀態(tài)。當農作物生長(cháng)環(huán)境出現異常情況時(shí)，主控終端還能通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送警告短信給用戶(hù)，以避免造成更大的損失。主控終端與分支監測點(diǎn)之間的信息交互通過(guò)433 MHz無(wú)線(xiàn)通信完成，既避免了有線(xiàn)通信方式所帶來(lái)的布線(xiàn)繁瑣，又具有較快的數據傳輸率和良好的穩定性。系統總體結構框圖如圖1所示。

相比于目前流行的嵌入式處理器，MIPS處理器具有低功耗、高性能的特點(diǎn)。

2 系統硬件設計
整個(gè)系統硬件設計包含兩個(gè)部分：分支監測點(diǎn)硬件設計和主控終端硬件設計。
2．1 分支監測點(diǎn)硬件設計
分支監測點(diǎn)的主要任務(wù)是完成各監測點(diǎn)溫度、濕度、亮度數據的采集和傳輸。其工作的環(huán)境比較復雜，對系統的穩定性要求也較高。因此，采用PIC32MX460系列芯片作為主芯片。PIC32MX460是Microchip公司生產(chǎn)的基于MIPS內核的低功耗、高性能處理器，內部集成有硬件看門(mén)狗，保證了系統出錯時(shí)能夠及時(shí)復位。該芯片資源豐富，具有完整的文檔，方便開(kāi)發(fā)、設計和應用。
DHT11是一款使用非常廣泛的數字接口溫濕度一體的傳感器，其濕度測量范圍為20％～90％，溫度測量范圍為0～50℃，測量精度為5％，完全符合本系統的需求。DHT11采用了單總線(xiàn)數據傳輸結構，便于與各種MCU進(jìn)行連接，并且信號傳輸距離可達20 m以上。為了準確地采集當前環(huán)境的溫度，每一個(gè)分支監測點(diǎn)使用了3個(gè)DHT11同時(shí)采集，然后求取其平均數。對于外部環(huán)境光照強度的感知，系統采用的是新型單片測光傳感器BH1750，該傳感器是ROHM公司為適應便攜式機器的要求而開(kāi)發(fā)的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性的單片數字光照度傳感器，它采用簡(jiǎn)單的I2C總線(xiàn)接口與MCU進(jìn)行連接。分支監測點(diǎn)硬件原理圖如圖2所示。

需要注意的是，PIC32MX460芯片帶有I2C總線(xiàn)接口(分別為芯片的36、37引腳)，與其他電路接口直接連接即可。由于I2C總線(xiàn)協(xié)議電氣特性規定開(kāi)漏極，在這里需要接10 kΩ的上拉電阻，否則該總線(xiàn)上將無(wú)法輸出高電平。DHT11采用的單總線(xiàn)結構比較簡(jiǎn)單，使用PIC32MX460芯片GPIO來(lái)模擬單總線(xiàn)的協(xié)議與其連接，連接時(shí)也需要上拉10 kΩ的電阻以避免外界對信號的干擾。