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、磁場等物理方法對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,，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誘導(dǎo)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(shí),，用戶易受到強(qiáng)磁電場的輻射,，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(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)對大棚苗床中土壤的溫濕度進(jìn)行檢測與控制,，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)，又完成對苗床上空氣的溫濕度,、光照強(qiáng)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(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軟核處理器對苗床上的種子和幼苗繁育情況進(jìn)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(yuǎn)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(qiáng)磁電場輻射,。

    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)目刂疲@取植物種苗生長所需要的各項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)和視頻圖像,，并對它們進(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)、土壤溫濕度檢測模塊和噴淋裝置控制模塊,。它的作用是實(shí)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(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,，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(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)到對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總線對其進(jìn)行正確的配置后,，該芯片能自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(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),。總節(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,、存儲控制命令，記錄苗床各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)和時(shí)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(jìn)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(qiáng)度等）進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與控制。

4 系統(tǒng)測試驗(yàn)證

    實(shí)驗(yàn)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(jìn)行長時(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)測苗床中植物種苗生長所需的各項(xiàng)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(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。將監(jiān)測的各項(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(jìn)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(diǎn),，在使用強(qiáng)磁電場誘導(dǎo)繁育植物種苗時(shí)，能夠滿足用戶遠(yuǎn)距離對植物種苗生長環(huán)境參數(shù)與視頻圖像進(jìn)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(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測控系統(tǒng),，結(jié)合ZigBee和Wi-Fi無線傳輸技術(shù)，實(shí)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(qiáng)磁電場對植物種苗進(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)磁電場對植物種苗進(jìn)行誘導(dǎo)繁育的監(jiān)測場所,，具有良好的市場前景,。

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