基于μc os ii的農田信息采集系統設計

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。


3 農田信息采集系統軟件設計實(shí)現

3．1 μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統在S3CA4B0X芯片上的移植

在嵌入式操作系統應用中，每個(gè)任務(wù)都是相互獨立的，而且會(huì )發(fā)生頻繁的任務(wù)轉換，為了使轉換的任務(wù)能夠返回到原來(lái)的斷點(diǎn)，所以必須得把與轉換的任務(wù)運行環(huán)境密切相關(guān)的各種寄存器和變量全部保存起來(lái)。這就是定義構造一個(gè)用戶(hù)任務(wù)堆棧結構，來(lái)保證多任務(wù)嵌入式操作系統的正常運行，這種堆棧結構保存了與各個(gè)轉換的任務(wù)運行環(huán)境密切相關(guān)的所有寄存器變量，而且所有任務(wù)的堆棧結構必須完全一致，這樣才能用統一的任務(wù)切換程序在任務(wù)之間作頻繁的任務(wù)轉換，而且還要求不會(huì )破壞各個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)運行環(huán)境。因此在建立每一個(gè)新任務(wù)的同時(shí)，必須為該任務(wù)分配一定的系統資源，包括一個(gè)任務(wù)棧、一個(gè)任務(wù)控制塊，并將與該任務(wù)密切相關(guān)的各個(gè)變量，比如任務(wù)優(yōu)先級別、堆棧大小等變量保存到任務(wù)控制塊中，同時(shí)還得完全按照任務(wù)堆棧初始化結構那樣初始化該任務(wù)的任務(wù)堆棧，然后將任務(wù)堆棧的棧頂指針保存到該任務(wù)控制塊的相應位置。

移植工作主要是改寫(xiě)OS_CPU．H，OS_CPUA．ASM，OS_CPU．C，OS_CFGH，INCLUDES．H，其中與處理器相關(guān)的文件為：OS_CPU．H，OS_CP U．C，OS_CPU_．A．ASM。μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統硬件和軟件體系結構如圖2所示。

在數據類(lèi)型定義中，S3C44B0X芯片是32位處理器，但是，μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統所處理的仍然是INT16U。用戶(hù)必須將任務(wù)堆棧的數據類(lèi)型告訴給μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統。這個(gè)過(guò)程是通過(guò)為OS_STK聲明正確的C數據類(lèi)型來(lái)完成的。S3C44B0X芯片的堆棧成員是16位的，所以將OS_TsK聲明為無(wú)符號整形數據類(lèi)型，定義如下：

tyPedefunsignedlong OS_STK；
堆棧增長(cháng)方向OS_STK_GROWTH定義如下：
#defin OS_STK_GROWTH左堆棧增長(cháng)方向為從上往下增長(cháng)
#define STACKSIZE256／μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統需要先禁止中斷訪(fǎng)問(wèn)代碼的臨界區，并且在訪(fǎng)問(wèn)完畢后重新允許中斷。

與所有的實(shí)時(shí)內核一樣，μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統需要先禁止中斷再訪(fǎng)問(wèn)代碼的臨界區，并且在訪(fǎng)問(wèn)完畢后重新允許中斷。這就使得μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統能夠保護臨界區代碼免受多任務(wù)或中斷服務(wù)例程的破壞。在S3CA4B0X芯片上是通過(guò)兩個(gè)函數(OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_RITICAL())實(shí)現開(kāi)關(guān)中斷的。

3．2 任務(wù)優(yōu)先級及任務(wù)關(guān)聯(lián)設計

在本項目中，為實(shí)現農田信息采集系統的功能要求，在μC／OS-Ⅱ中設計以下任務(wù)：時(shí)鐘節拍任務(wù)、鍵盤(pán)任務(wù)、顯示任務(wù)、數據采集任務(wù)(土壤水分、土壤養分、土壤壓實(shí)、多點(diǎn)溫度數據采集)、數據處理及存儲任務(wù)、串口通訊任務(wù)。數據采集任務(wù)、數據處理與存儲任務(wù)設置為周期性任務(wù)。在這些任務(wù)中，μC／OS-Ⅱ時(shí)鐘節拍服務(wù)是通過(guò)中斷服務(wù)子程序調用時(shí)鐘節拍函數來(lái)實(shí)現的。因而采用定時(shí)器1產(chǎn)生中斷，定時(shí)周期10ms。除此以外，該函數還要啟動(dòng)A／D轉換以及每隔一段時(shí)間發(fā)送消息給相應的任務(wù)，從而觸發(fā)相應的任務(wù)執行等。因此，優(yōu)先級最高；數據采集任務(wù)、串口接收任務(wù)和串口發(fā)送任務(wù)實(shí)時(shí)性要求比較高。其中，串口接收任務(wù)是關(guān)鍵任務(wù)和緊迫任務(wù)，遺漏接收內容是不允許的；數據采集任務(wù)是緊迫任務(wù)，但不是關(guān)鍵任務(wù)，遺漏一個(gè)數據還不至于發(fā)生重大問(wèn)題；在串行口發(fā)送任務(wù)中，CPU是主動(dòng)方，慢一些也可行，只要將數據發(fā)出去就可以。顯示任務(wù)和鍵盤(pán)任務(wù)是人機接口任務(wù)，實(shí)時(shí)性要求較低。由于顯示任務(wù)要等數據處理及存儲任務(wù)所得的數據，故數據處理及存儲任務(wù)的優(yōu)先級可安排得比鍵盤(pán)任務(wù)和顯示任務(wù)高一些。農機設備控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性要得到保證，因此要設為較高優(yōu)先級。

由于系統的實(shí)際運行效果是各個(gè)任務(wù)配合運行的結果，這種配合過(guò)程又是通過(guò)操作系統的管理來(lái)實(shí)現的，即通過(guò)調用操作系統服務(wù)函數來(lái)實(shí)現的。“何時(shí)調用系統服務(wù)”和“調用什么系統服務(wù)”是任務(wù)設計中的關(guān)鍵問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題與任務(wù)之間的相互關(guān)聯(lián)程度有關(guān)，需要通過(guò)分析這種關(guān)聯(lián)關(guān)系才能確定。為了進(jìn)行任務(wù)設計，必須把這些任務(wù)之間的相互關(guān)系搞清楚。

根據農田信息采集系統功能需求，設計任務(wù)關(guān)聯(lián)圖如圖3所示。系統應用軟件包含10個(gè)任務(wù)：傳感器數據采集任務(wù)為周期性任務(wù)，以一定的時(shí)間間隔采集數據，通過(guò)消息隊列將所采集數據傳輸給LCD顯示任務(wù)，并通過(guò)郵箱1#傳遞給數據處理與存儲任務(wù)，同時(shí)，GPS接收的位置信息通過(guò)郵箱2#及時(shí)插入采集的數據當中；數據處理與存儲任務(wù)以信號量1#將數據通過(guò)串口通訊任務(wù)傳遞給計算機，并在計算機上生成田間土壤水分分布圖、養分分布圖和溫度變化圖等數據，計算機生成的數據又經(jīng)串口通訊任務(wù)由信號量2#發(fā)給擴展CAN總線(xiàn)任務(wù)，以此來(lái)控制農田機械設備執行相應的程序，完成自動(dòng)變量施肥、變量噴灑農藥等；鍵盤(pán)掃描任務(wù)、數據處理與存儲任務(wù)等和顯示任務(wù)同步，以消息隊列1#通知顯示任務(wù)更新顯示。


4 結束語(yǔ)

本文以嵌入式微處理器S3CA4B0X芯片為主體，構建農田信息采集系統的軟硬件平臺，分析了μC／OS-Ⅱ操作系統的特點(diǎn)，并在嵌入式微處理器S3C44B0X芯片內嵌入μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統，闡述了基于μC／OS-Ⅱ操作系統的農田信息采集系統的設計與實(shí)現方法。由此開(kāi)發(fā)的農田信息采集系統的實(shí)時(shí)響應速度快，并實(shí)現軟件設計模塊化，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，有著(zhù)廣泛的應用前景。