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.
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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