《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SOPC植物種苗繁育視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
易 藝1,2,顏學(xué)龍1,郝建衛(wèi)2
1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院,廣西 桂林541004;2.桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院,廣西 桂林541004
摘要: 為了解決植物種苗磁電場(chǎng)誘導(dǎo)繁育處理裝置在使用過程中,操作者易受到高壓電場(chǎng)與強(qiáng)磁場(chǎng)輻射的問題,提出了一種基于SOPC(System on a Programmable Chip,可編程片上系統(tǒng))技術(shù)的植物種苗繁育視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。介紹了該方案的系統(tǒng)組成和原理,給出了軟硬件實(shí)現(xiàn)的方法,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,該方案可行,能夠滿足實(shí)時(shí)視頻和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的需求,為繁育出高性價(jià)比的植物種苗創(chuàng)造了良好的條件,同時(shí)可避免操作者受到磁電場(chǎng)輻射。
中圖分類號(hào): TN919;TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.025
中文引用格式: 易藝,顏學(xué)龍,郝建衛(wèi). 基于SOPC植物種苗繁育視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(3):87-89,94.
英文引用格式: Yi Yi,Yan Xuelong,Hao Jianwei. Research of video monitoring system for plant seedlings breeding based on SOPC[J].Application of Electronic Technique,2016,42(3):87-89,94.
Research of video monitoring system for plant seedlings breeding based on SOPC
Yi Yi1,2,Yan Xuelong1,Hao Jianwei2
1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Institute of Information Technology,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China
Abstract: In the course of using magnetoelectric field induced breeding processing equipment for the plant seedlings, operators are susceptible to magnetoelectric field radiation. In order to solve this problem, a video monitoring system for plant seedlings breeding based on the SOPC(System on a Programmable Chip) technology is purposed. The article introduces the system composition and principle of the scheme, the hardware and software implementation method, and experimental test. The test results show that the method is feasible. It can satisfy the demand of real-time video monitoring, and produce cost-effective plant seedlings created good conditions. Meanwhile the method could avoid the operator under magnetic field radiation.
Key words : Nios II soft core;video capture;FPGA;image processing;measurement and control system

0 引言

    大量的研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[1,2],利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理方法對(duì)植物的種子和幼苗進(jìn)行適當(dāng)處理可以繁育出高性價(jià)比的種苗。該方法不但可以克服化學(xué)誘導(dǎo)帶來的污染、殘留危害,而且能很好地激發(fā)種子酶的活力,增加種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢(shì),增強(qiáng)抗病蟲害能力,使種苗根系發(fā)達(dá),促進(jìn)植株生長(zhǎng)等[3-5]。既為繁育瀕危的藥用植物和名貴蔬菜開辟了新途徑,又為人們進(jìn)行人工種植緊缺藥用植物和名貴蔬菜提供了行之有效的方法。

    目前,用于繁育植物種苗的磁電場(chǎng)誘導(dǎo)處理裝置較為簡(jiǎn)陋[6],沒有安裝傳感器檢測(cè)植物種苗生長(zhǎng)所需要的環(huán)境因子,即溫度、濕度、光照和CO2濃度等參數(shù),也不考慮對(duì)這些參數(shù)的控制,使用戶難以使用。在近距離操作時(shí),用戶易受到強(qiáng)磁電場(chǎng)的輻射,影響身體健康;遠(yuǎn)距離操作時(shí),又無法實(shí)時(shí)看清繁育中的植物種子和幼苗。因此,對(duì)于植物種子和幼苗的處理,很難達(dá)到最佳的繁育效果[7],從而影響了推廣應(yīng)用。為了克服上述缺點(diǎn),便于用戶繁育出高性價(jià)比的植物種苗,本文設(shè)計(jì)了一種基于SOPC技術(shù)的植物種苗繁育視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)具有性能可靠、便于操作、軟硬件升級(jí)方便等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的組成和原理

    基于SOPC的植物種苗繁育視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)子節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)點(diǎn)、總節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成,其組成框圖如圖1所示。

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    子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)大棚苗床中土壤的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)與控制,并將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)的ZigBee協(xié)調(diào)器。在實(shí)際應(yīng)用中,可依據(jù)監(jiān)測(cè)苗床土壤面積的大小來調(diào)整子節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

    主控節(jié)點(diǎn)既負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò),接收與發(fā)送苗床上多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的命令和數(shù)據(jù),又完成對(duì)苗床上空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度的檢測(cè)與控制,并將采集的環(huán)境參數(shù)傳給總節(jié)點(diǎn)。

    總節(jié)點(diǎn)采用Quartus II 13.1開發(fā)環(huán)境自帶的Qsys構(gòu)建Nios II軟核處理器作為微控制器,對(duì)子節(jié)點(diǎn)和主控節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理,然后通過Wi-Fi模塊傳給上位機(jī)。用Verilog HDL來描述視頻采集模塊和HDMI模塊的邏輯驅(qū)動(dòng)電路,結(jié)合Nios II軟核處理器對(duì)苗床上的種子和幼苗繁育情況進(jìn)行視頻采集、存儲(chǔ)、分析和圖像處理,然后送顯示器顯示,用戶可以遠(yuǎn)距離通過視頻圖像監(jiān)測(cè)繁育中的植物種子和幼苗,避免受到強(qiáng)磁電場(chǎng)輻射。

    上位機(jī)為安裝有客戶端軟件的筆記本電腦,繁育植物種苗的用戶可以根據(jù)需要在上位機(jī)輸入任務(wù)命令,通過Wi-Fi模塊對(duì)總節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?,獲取植物種苗生長(zhǎng)所需要的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)和視頻圖像,并對(duì)它們進(jìn)行分析和處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、主控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、總節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和Wi-Fi模塊的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

    子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要包含ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、土壤溫濕度檢測(cè)模塊和噴淋裝置控制模塊。它的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)苗床不同區(qū)域土壤溫濕度參數(shù)的監(jiān)測(cè),其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

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    CC2530F256芯片集成有8051 MCU、12位ADC和2.4 GHz的RF收發(fā)器等豐富的片上資源[8],結(jié)合TI公司的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack可以實(shí)現(xiàn)ZigBee的組網(wǎng)[9],實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的無線傳輸,解決有線通信鋪設(shè)、布線難的問題。

    土壤溫濕度采集模塊采用搜博 SLHT5 土壤型溫濕度傳感器,其內(nèi)置了瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的SHT11傳感器,內(nèi)部集成有處理電路、ADC和串行接口電路,MCU通過串行總線可以獲取已標(biāo)定的溫濕度數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

    噴淋裝置控制模塊由固態(tài)繼電器和電磁閥組成,MCU通過控制固態(tài)繼電器的吸合與斷開來控制電磁閥的啟停,從而達(dá)到對(duì)噴淋裝置的控制。

2.2 主控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

    主控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要包含ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳感器檢測(cè)模塊(空氣溫濕度、光照、CO2)以及供熱和遮陽裝置控制模塊,其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

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    ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選用CC2530F256芯片作為微控制器,對(duì)光照傳感器、溫濕度傳感器和CO2傳感器進(jìn)行控制,獲取苗床上空植物種苗生長(zhǎng)所需要的環(huán)境因子(空氣溫濕度、光照、CO2濃度),并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)供熱和遮陽裝置控制模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?,使苗床上空的環(huán)境因子達(dá)到繁育植物種苗的要求。

    光照度的檢測(cè)選用日本ROHM原裝芯片BH1750FVI[10]作為傳感器,其內(nèi)集成有光敏二極管、運(yùn)放、16位的ADC和處理電路,可將光照強(qiáng)度(1~65535 lx)轉(zhuǎn)化為已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào),并通過I2C總線輸出。

    空氣溫濕度的檢測(cè)選用AOSONG數(shù)字式溫濕度傳感器AM2305[11],它能將空氣溫濕度轉(zhuǎn)化為已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào),并通過單總線輸出。

    CO2濃度的檢測(cè)選用紅外CO2傳感器S8-0013模塊,它能將CO2濃度(0~10 000 ppm)轉(zhuǎn)化為已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào),并通過TTL串口輸出。

    供熱和遮陽裝置控制模塊由固態(tài)繼電器和交流接觸器組成,MCU通過控制固態(tài)繼電器的吸合與斷開來控制交流接觸器的吸合與斷開,從而達(dá)到對(duì)供熱和遮陽裝置的控制。

2.3 總節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

    總節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要包含FPGA芯片上的32位Nios II軟核處理器與數(shù)字邏輯電路、視頻采集模塊和HDMI模塊,其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

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    總節(jié)點(diǎn)采用Altera公司的Cyclone VI系列中的EP4CE22F17C8N芯片,利用Quartus II 13.1開發(fā)環(huán)境自帶的Qsys構(gòu)建Nios II軟核處理器作為微控制器,用Verilog HDL來描述總節(jié)點(diǎn)所需的視頻數(shù)據(jù)緩存與處理電路、ITU656解碼處理電路、I2C總線時(shí)序配置電路、DDR2控制器和HDMI控制器等邏輯電路[12],并把它們和Nios II軟核處理器集成到一塊FPGA芯片上,接著在Nios II 13.1 集成開發(fā)環(huán)境中用C語言完成程序的編寫。在整個(gè)過程中,用Verilog HDL描述的邏輯電路與Nios II軟核處理器相互協(xié)作,構(gòu)成一個(gè)SOPC測(cè)控系統(tǒng),承擔(dān)與各個(gè)硬件電路、邏輯電路之間的數(shù)據(jù)傳輸、處理和控制等任務(wù)。

    視頻采集模塊選用ADI公司的視頻解碼芯片ADV7180,F(xiàn)PGA通過I2C總線對(duì)其進(jìn)行正確的配置后,該芯片能自動(dòng)檢測(cè)模擬視頻信號(hào)的輸入格式,并將其轉(zhuǎn)換為與ITU-R BT.656接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的YCrCb 4:2:2的視頻信號(hào)[13]

    HDMI模塊選用ADI公司的HDMI發(fā)送控制芯片ADV7513,Nios II軟核處理器既可以通過I2C總線對(duì)其寄存器進(jìn)行配置,以實(shí)現(xiàn)接口模式和工作模式的初始化;又可以通過HDMI控制器實(shí)現(xiàn)HDMI驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和分辨率的切換。

2.4 Wi-Fi模塊的硬件設(shè)計(jì)

    Wi-Fi模塊是上位機(jī)與總節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)闹虚g橋梁,選用TTL串口轉(zhuǎn)Wi-Fi模塊USR-WIFI232-B來實(shí)現(xiàn)??偣?jié)點(diǎn)中的Nios II軟核處理器通過UART控制器與Wi-Fi模塊的TTL串口相連接,可以方便接入Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與總節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)和命令的相互傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由總節(jié)點(diǎn)的軟件、主控節(jié)點(diǎn)的軟件、子節(jié)點(diǎn)的軟件和上位機(jī)的客戶端軟件組成。

3.1 總節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    總節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)由用C語言編寫的Nios II軟核處理器的各個(gè)程序模塊組成,主要包括Flash讀/寫控制程序、I2C總線驅(qū)動(dòng)程序、UART程序、HDMI控制程序和視頻采集控制程序等,其主程序流程圖如圖5所示。

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3.2 主控節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    主控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要由光照傳感器的I2C總線驅(qū)動(dòng)程序、空氣溫濕度傳感器的單總線驅(qū)動(dòng)程序、CO2濃度傳感器的串口驅(qū)動(dòng)程序、固態(tài)繼電器的控制程序和ZigBee協(xié)議棧Z-Stack的組網(wǎng)程序組成,主要完成總節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)相互之間的數(shù)據(jù)交換工作,并將監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)送給總節(jié)點(diǎn),其主程序流程圖如圖6所示。

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    子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要包含土壤溫濕度傳感器 SHT11的驅(qū)動(dòng)程序、固態(tài)繼電器的控制程序和ZigBee協(xié)議棧Z-Stack的組網(wǎng)程序。其主程序流程圖與主控節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖類似,不再贅述。

3.3 上位機(jī)的客戶端軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)為安裝有客戶端軟件的筆記本電腦,其客戶端軟件采用Visual Basic 6.0開發(fā),可以根據(jù)用戶的需要發(fā)送、存儲(chǔ)控制命令,記錄苗床各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和時(shí)間。用戶既可利用筆記本電腦的軟硬件對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和管理,又可根據(jù)顯示器顯示的視頻圖像,對(duì)一些參數(shù)(如電場(chǎng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度等)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

    實(shí)驗(yàn)按照?qǐng)D1的系統(tǒng)組成框圖搭建測(cè)試電路,然后將其安裝在用于繁育植物種苗的電場(chǎng)與磁場(chǎng)發(fā)生裝置上,并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的拷機(jī)。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,可在筆記本電腦的客戶端軟件和顯示器上分別監(jiān)測(cè)苗床中植物種苗生長(zhǎng)所需的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)和清晰的視頻圖像,并可對(duì)系統(tǒng)中噴淋、遮陽等裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤⒈O(jiān)測(cè)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器DT-321S空氣溫濕度測(cè)量?jī)x、衡欣AZ77535 CO2濃度測(cè)量?jī)x和Takeme土壤溫度水分測(cè)定儀測(cè)得的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試,得到測(cè)量結(jié)果如表1所示。

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    測(cè)試結(jié)果表明,基于SOPC的植物種苗繁育視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有環(huán)境參數(shù)檢測(cè)誤差小、使用方便、視頻采集與傳輸穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),在使用強(qiáng)磁電場(chǎng)誘導(dǎo)繁育植物種苗時(shí),能夠滿足用戶遠(yuǎn)距離對(duì)植物種苗生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)與視頻圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)的需求。

5 結(jié)束語

    本文提出的基于SOPC植物種苗繁育視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,將視頻采集解碼處理、I2C總線配置等電路的數(shù)字邏輯部分和微處理器置于一塊FPGA芯片內(nèi),構(gòu)成SOPC測(cè)控系統(tǒng),結(jié)合ZigBee和Wi-Fi無線傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)苗床上植物種苗生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)與視頻圖像的監(jiān)測(cè),既為使用強(qiáng)磁電場(chǎng)對(duì)植物種苗進(jìn)行誘導(dǎo)繁育提供了一個(gè)很好的解決方案,又為繁育出高性價(jià)比的植物種苗創(chuàng)造了良好的條件。該設(shè)計(jì)方案適合應(yīng)用于通信線鋪設(shè)難、使用強(qiáng)磁電場(chǎng)對(duì)植物種苗進(jìn)行誘導(dǎo)繁育的監(jiān)測(cè)場(chǎng)所,具有良好的市場(chǎng)前景。

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