基于μC／OS-Ⅱ農田信息采集系統的研究與設計

摘要：以高性能的S3CA4BOX芯片為處理器核心，結合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC／OS-Ⅱ，設計并實(shí)現了實(shí)時(shí)性強、結構優(yōu)化的農田信息采集系統；構建了嵌入式系統軟硬件平臺，詳細闡述了應用軟件的任務(wù)設計、優(yōu)先級安排和各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗證明，該農田信息采集系統性能優(yōu)良，可靠性高。
關(guān)鍵詞：μC／OS-Ⅱ；農田信息采集；系統結構；任務(wù)

0 引言
精細農業(yè)的核心問(wèn)題可敘述為信息獲取、農田信息管理和分析、決策分析、決策的農田實(shí)施四大部分。其中農田基礎信息(土壤養分、濕度、理化性狀、苗情、病蟲(chóng)草害)的獲取和處理是精細農業(yè)技術(shù)的起點(diǎn)。如果這個(gè)問(wèn)題解決不好就很難真正地實(shí)施精準農業(yè)。農田信息主要包括地理環(huán)境、土壤環(huán)境、小氣候、水環(huán)境、與作物生長(cháng)狀況相關(guān)的信息以及管理信息等，具有量大、多維(信息多種多樣)、動(dòng)態(tài)、不確定(系統的噪聲或隨機噪聲)、不完整、時(shí)空變異性強等特點(diǎn)。在精細農業(yè)研究中，目前優(yōu)先需要考慮的是土壤水分、土壤養分、土壤壓實(shí)、耕作層深度和作物病蟲(chóng)草害及作物苗情分布信息等，要求能夠定位、快速、精確、連續地測量。傳統的實(shí)驗室分析方法已很難滿(mǎn)足這一要求，為此，需要開(kāi)發(fā)適用于精細農業(yè)的農田信息快速采集技術(shù)。本設計以S3CA4B0X為主體，構建農田信息采集系統的硬件平臺，并在S3CA4B0X內部嵌入μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統，可大大提高系統的穩定性和實(shí)時(shí)響應能力，增強系統的可靠性、可擴展性、可移植性。

1 μC／OS-Ⅱ簡(jiǎn)介
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC／OS-Ⅱ的全名是Micro-Controller Operating System Version2，是基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，包含了實(shí)時(shí)內核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息隊列)和內存管理等功能。
μC／OS-Ⅱ采用微內核設計，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，追求編程的靈活性，可配置、可裁剪、可擴充、可移植。μC／OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內核，優(yōu)先級算法采用查表法，切換速度快。μC／OS-Ⅱ可以處理和調度多達64個(gè)任務(wù)，目前有8個(gè)留給系統使用，應用程序可使用多達56個(gè)任務(wù)。

2 硬件系統設計
2．1 農田信息采集系統結構
系統主要由通訊模塊、農田數據采集模塊、數據處理及存儲模塊幾部分組成。主要完成以下幾個(gè)方面功能：
(1)在農田信息采樣時(shí)，通訊模塊接收全球定位系統GPS經(jīng)緯度位置信息，數據采集模塊完成田間土壤參數信息的采集，系統的多個(gè)模擬信號輸入通道與田間土壤水分、溫度、養分等傳感器探針相連，測量田間土壤的水分、養分、溫度等參數值，然后與上位計算機相連，進(jìn)行處理。
(2)在工作室進(jìn)行農田數據處理時(shí)，通訊模塊將采集的農田數據傳給計算機，計算機上的軟件進(jìn)行一系列處理，最終生成田間土壤水分分布圖、養分分布圖和溫度變化圖等并保存。
(3)農田信息采集系統擴展CAN總線(xiàn)數據收發(fā)接口后，可與農機機械的(拖拉機、收割機等)CAN控制總線(xiàn)相連接，幫助駕駛員駕駛農業(yè)機械在田間實(shí)施農業(yè)操作。在需要進(jìn)行自動(dòng)變量施肥、變量噴灑農藥等農業(yè)作業(yè)中，要求農機機械在特定的農田中采取特定的行進(jìn)速度，以達到噴撒物的劑量與農田作業(yè)的要求相適應。并依據農業(yè)信息采集系統和專(zhuān)家系統提供的農機機械作業(yè)路線(xiàn)，使駕駛員操作農機機械按照電子地圖上設計的行走路線(xiàn)行走，從而完成播種、施肥、滅蟲(chóng)、灌溉、收割等工作，包括完成耕地深度、施肥量、灌溉量的控制任務(wù)等。
2．2 農田信息采集系統的硬件方案
本系統以嵌入式微處理器ARM S3C44B0X芯片為核心，包括傳感器信息采集電路、串口通訊電路、GPS通訊電路、擴展的CAN總線(xiàn)、數據存儲電路、液晶屏顯示電路、鍵盤(pán)接口電路以及功能鍵盤(pán)等構成。系統結構如圖1所示。