0 引言

    大量的研究和實驗數(shù)據(jù)表明^[1，2]，利用電場、磁場等物理方法對植物的種子和幼苗進行適當處理可以繁育出高性價比的種苗。該方法不但可以克服化學誘導帶來的污染、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，增強抗病蟲害能力，使種苗根系發(fā)達，促進植株生長等^[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誘導處理裝置較為簡陋^[6]，沒有安裝傳感器檢測植物種苗生長所需要的環(huán)境因子，即溫度、濕度、光照和CO₂濃度等參數(shù)，也不考慮對這些參數(shù)的控制，使用戶難以使用。在近距離操作時，用戶易受到強磁電場的輻射，影響身體健康；遠距離操作時，又無法實時看清繁育中的植物種子和幼苗。因此，對于植物種子和幼苗的處理，很難達到最佳的繁育效果^[7]，從而影響了推廣應用。為了克服上述缺點，便于用戶繁育出高性價比的植物種苗，本文設計了一種基于SOPC技術的植物種苗繁育視頻監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有性能可靠、便于操作、軟硬件升級方便等特點。

1 系統(tǒng)的組成和原理

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

    子節(jié)點負責對大棚苗床中土壤的溫濕度進行檢測與控制，并將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送給主控節(jié)點的ZigBee協(xié)調(diào)器。在實際應用中，可依據(jù)監(jiān)測苗床土壤面積的大小來調(diào)整子節(jié)點的個數(shù)。

    主控節(jié)點既負責組建ZigBee網(wǎng)絡，接收與發(fā)送苗床上多個子節(jié)點的命令和數(shù)據(jù)，又完成對苗床上空氣的溫濕度、光照強度和CO₂濃度的檢測與控制，并將采集的環(huán)境參數(shù)傳給總節(jié)點。

    總節(jié)點采用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，對子節(jié)點和主控節(jié)點的采集數(shù)據(jù)進行分析與處理，然后通過Wi-Fi模塊傳給上位機。用Verilog HDL來描述視頻采集模塊和HDMI模塊的邏輯驅(qū)動電路，結(jié)合Nios II軟核處理器對苗床上的種子和幼苗繁育情況進行視頻采集、存儲、分析和圖像處理，然后送顯示器顯示，用戶可以遠距離通過視頻圖像監(jiān)測繁育中的植物種子和幼苗，避免受到強磁電場輻射。

    上位機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)需要在上位機輸入任務命令，通過Wi-Fi模塊對總節(jié)點、主控節(jié)點和子節(jié)點進行適當?shù)目刂疲@取植物種苗生長所需要的各項監(jiān)測參數(shù)和視頻圖像，并對它們進行分析和處理。

2 系統(tǒng)硬件設計

    系統(tǒng)的硬件設計主要包括子節(jié)點的硬件設計、主控節(jié)點的硬件設計、總節(jié)點的硬件設計和Wi-Fi模塊的硬件設計。

2.1 子節(jié)點的硬件設計

    子節(jié)點的硬件設計主要包含ZigBee終端節(jié)點、土壤溫濕度檢測模塊和噴淋裝置控制模塊。它的作用是實現(xiàn)對苗床不同區(qū)域土壤溫濕度參數(shù)的監(jiān)測，其硬件設計框圖如圖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可以實現(xiàn)ZigBee的組網(wǎng)^[9]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的無線傳輸，解決有線通信鋪設、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定的溫濕度數(shù)字數(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，從而達到對噴淋裝置的控制。

2.2 主控節(jié)點的硬件設計

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

    ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點選用CC2530F256芯片作為微控制器，對光照傳感器、溫濕度傳感器和CO₂傳感器進行控制，獲取苗床上空植物種苗生長所需要的環(huán)境因子（空氣溫濕度、光照、CO₂濃度），并根據(jù)實際需要對供熱和遮陽裝置控制模塊進行適當?shù)目刂疲姑绱采峡盏沫h(huán)境因子達到繁育植物種苗的要求。

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

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

    CO₂濃度的檢測選用紅外CO₂傳感器S8-0013模塊，它能將CO₂濃度（0~10 000 ppm）轉(zhuǎn)化為已校準的數(shù)字信號，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，從而達到對供熱和遮陽裝置的控制。

2.3 總節(jié)點的硬件設計

    總節(jié)點的硬件設計主要包含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，其硬件設計框圖如圖4所示。

    總節(jié)點采用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SOPC測控系統(tǒng)，承擔與各個硬件電路、邏輯電路之間的數(shù)據(jù)傳輸、處理和控制等任務。

    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總線對其進行正確的配置后，該芯片能自動檢測模擬視頻信號的輸入格式，并將其轉(zhuǎn)換為與ITU-R BT.656接口標準兼容的YCrCb 4:2:2的視頻信號^[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總線對其寄存器進行配置，以實現(xiàn)接口模式和工作模式的初始化；又可以通過HDMI控制器實現(xiàn)HDMI驅(qū)動時鐘和分辨率的切換。

2.4 Wi-Fi模塊的硬件設計

    Wi-Fi模塊是上位機與總節(jié)點進行數(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來實現(xiàn)。總節(jié)點中的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，從而實現(xiàn)上位機與總節(jié)點之間數(shù)據(jù)和命令的相互傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)的軟件設計主要由總節(jié)點的軟件、主控節(jié)點的軟件、子節(jié)點的軟件和上位機的客戶端軟件組成。

3.1 總節(jié)點軟件設計

    總節(jié)點的軟件設計由用C語言編寫的Nios II軟核處理器的各個程序模塊組成，主要包括Flash讀/寫控制程序、I2C總線驅(qū)動程序、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)點和子節(jié)點軟件設計

    主控節(jié)點的軟件設計主要由光照傳感器的I²C總線驅(qū)動程序、空氣溫濕度傳感器的單總線驅(qū)動程序、CO₂濃度傳感器的串口驅(qū)動程序、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、主控節(jié)點與子節(jié)點相互之間的數(shù)據(jù)交換工作，并將監(jiān)測到的各項環(huán)境參數(shù)送給總節(jié)點，其主程序流程圖如圖6所示。

    子節(jié)點軟件設計主要包含土壤溫濕度傳感器 SHT11的驅(qū)動程序、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)點的主程序流程圖類似，不再贅述。

3.3 上位機的客戶端軟件設計

    上位機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、存儲控制命令，記錄苗床各個監(jiān)測節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)和時間。用戶既可利用筆記本電腦的軟硬件對檢測的數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲和管理，又可根據(jù)顯示器顯示的視頻圖像，對一些參數(shù)（如電場與磁場強度等）進行適當?shù)恼{(diào)整與控制。

4 系統(tǒng)測試驗證

    實驗按照圖1的系統(tǒng)組成框圖搭建測試電路，然后將其安裝在用于繁育植物種苗的電場與磁場發(fā)生裝置上，并進行長時間的拷機。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)測苗床中植物種苗生長所需的各項環(huán)境參數(shù)和清晰的視頻圖像，并可對系統(tǒng)中噴淋、遮陽等裝置進行適當?shù)目刂啤⒈O(jiān)測的各項環(huán)境參數(shù)與標準儀器DT-321S空氣溫濕度測量儀、衡欣AZ77535 CO₂濃度測量儀和Takeme土壤溫度水分測定儀測得的環(huán)境參數(shù)進行比對測試，得到測量結(jié)果如表1所示。

    測試結(jié)果表明，基于SOPC的植物種苗繁育視頻監(jiān)測系統(tǒng)具有環(huán)境參數(shù)檢測誤差小、使用方便、視頻采集與傳輸穩(wěn)定可靠等特點，在使用強磁電場誘導繁育植物種苗時，能夠滿足用戶遠距離對植物種苗生長環(huán)境參數(shù)與視頻圖像進行監(jiān)測的需求。

5 結(jié)束語

    本文提出的基于SOPC植物種苗繁育視頻監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，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測控系統(tǒng)，結(jié)合ZigBee和Wi-Fi無線傳輸技術，實現(xiàn)對苗床上植物種苗生長環(huán)境參數(shù)與視頻圖像的監(jiān)測，既為使用強磁電場對植物種苗進行誘導繁育提供了一個很好的解決方案，又為繁育出高性價比的植物種苗創(chuàng)造了良好的條件。該設計方案適合應用于通信線鋪設難、使用強磁電場對植物種苗進行誘導繁育的監(jiān)測場所，具有良好的市場前景。

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