Zynq7000環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)研究

摘 要： 設(shè)計(jì)了一項(xiàng)高性?xún)r(jià)比的人參栽培環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)，提供了有效的人參種植解決方案。系統(tǒng)采用Xilinx公司的Zynq7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)作為主控單元，利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)人參栽培土壤溫濕度、日光照射強(qiáng)度、空氣中CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過(guò)HART協(xié)議網(wǎng)絡(luò)控制供水管道的智能閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)參地滴灌。現(xiàn)場(chǎng)VGA顯示器可以繪制環(huán)境參數(shù)趨勢(shì)曲線(xiàn)圖，同時(shí)系統(tǒng)可以連接至互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心運(yùn)行和調(diào)試，性能優(yōu)良、工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 人參栽培； Zynq7000； ZigBee； HART

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）23?0104?03

Study on environment measurement and control system based on Zynq7000

LI Dan

（Jilin Agricultural Science and Technology University， Jilin 132101， China）

Abstract： A high?performance ginseng cultivation environment measurement and control system was designed. The effective ginseng cultivation solution is given. The extensible processing platform Zynq7000 made by Xilinx Company is taken as the main control unit of the system. The ZigBee wireless sensor network is used to monitor the ginseng cultivation soil temperature and humidity， sunlight radiation intensity， CO2 concentration in the air， and other environmental parameters. The intelligent valve of the water supplying pipeline is controlled by the HART protocol network to realize the drip irrigation of ginseng field. The field VGA display can draw the trend graph of the environmental parameters. The system can be connected to the Internet to realize the remote control. The system was run and debugged in the Intelligent Agricultural Engineering Research Center， and has good performance and stable working.

Keywords： ginseng cultivation； Zynq7000； ZigBee； HART

0 引 言

人參是一種名貴的五加科多年生宿根藥用植物，生長(zhǎng)情況與土壤水分含量、空氣濕度、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度密切相關(guān)。首先，人參各個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)溫度的需求不同，日平均氣溫在出苗時(shí)期需要10 ℃，展葉時(shí)期需要12 ℃，開(kāi)花時(shí)期需要16 ℃以上，結(jié)果時(shí)期[1]在20～25 ℃。其次，在人參整個(gè)生長(zhǎng)周期需要多次調(diào)光。春季出苗時(shí)，光照強(qiáng)度可強(qiáng)些。隨著生長(zhǎng)發(fā)育的進(jìn)行，光強(qiáng)需要逐漸減弱，中后期又逐漸加強(qiáng)。再次，種植人參的土壤相對(duì)含水量需要保持在60%～80%范圍內(nèi)。人參整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)最大需水量在展葉到開(kāi)花這一階段。目前多數(shù)采用林下種植和單透棚種植，人參生長(zhǎng)不耐高溫，耐嚴(yán)寒，不耐積水和干旱。因此，本文設(shè)計(jì)了一種人參栽培環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)人參各個(gè)生長(zhǎng)期環(huán)境條件精準(zhǔn)測(cè)控，提高人參的產(chǎn)量與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

人參栽培環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)信息采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理主控子系統(tǒng)和環(huán)境因子控制子系統(tǒng)三部分構(gòu)成。測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示，環(huán)境參數(shù)信息采集子系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN），WSN是由多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器組成的星型無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)連接了溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和CO2濃度傳感器等，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)智能感知的功能。ZigBee協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)處理主控子系統(tǒng)相連，是WSN星型網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理主控子系統(tǒng)采用Xilinx公司的Zynq7000（Z7）可擴(kuò)展處理平臺(tái)解決方案，實(shí)時(shí)處理來(lái)自各個(gè)WSN終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)信息，同時(shí)在本地的VGA顯示器繪制環(huán)境參數(shù)曲線(xiàn)圖，并且通過(guò)路由器將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。環(huán)境因子控制子系統(tǒng)包括溫濕度調(diào)控子系統(tǒng)和光照強(qiáng)度調(diào)控子系統(tǒng)，溫濕度調(diào)控子系統(tǒng)利用HART協(xié)議網(wǎng)絡(luò)控制供水管道的智能閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)參地滴灌[2]。

2 數(shù)據(jù)處理主控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人參種植環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的主控核心采用Xilinx公司生產(chǎn)的Z7可擴(kuò)展處理芯片，芯片處理性能優(yōu)越。芯片結(jié)構(gòu)包括可編程系統(tǒng)Processing System部分和可編程邏輯Processing Logic部分[3]。Z7芯片的可編程邏輯PL部分是由FPGA構(gòu)成?？删幊滔到y(tǒng)PS部分包含雙核的CortexTM?A9處理器，具有完整的ARM指令系統(tǒng)。人參栽培環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)可以在參地現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)VGA顯示器繪制環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前狀態(tài)、未來(lái)趨勢(shì)曲線(xiàn)圖。同時(shí)也可以將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞至環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。主控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用了Z7可編程邏輯FPGA結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。自定義FPGA結(jié)構(gòu)的IP核實(shí)現(xiàn)了VGA顯示屏和互聯(lián)網(wǎng)的硬件接口邏輯[4]。

Zynq7000顯示器接口原理圖如圖2所示，主控模塊VGA接口的有效數(shù)據(jù)線(xiàn)路包括3條模擬信號(hào)線(xiàn)（R，G，B）和2條數(shù)字信號(hào)線(xiàn)（vga_hsync，vga_vsync）。其中R，G，B分別為VGA顯示電路紅、綠、藍(lán)三基色模擬電壓信號(hào)，模擬電壓范圍是0～0.714 V，最低電壓代表無(wú)色，最高電壓代表滿(mǎn)色。在可編程邏輯部分輸出引腳驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V時(shí)，為了達(dá)到0～0.714 V的模擬電壓范圍，采用R?2R電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)VGA數(shù)字信號(hào)向模擬量信號(hào)的轉(zhuǎn)換。依據(jù)“戴維南定理”需要將R?2R電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻設(shè)計(jì)為270 Ω。Z7可擴(kuò)展處理芯片可編程邏輯PL輸出引腳vga_red[3]～vga_red[0]四個(gè)數(shù)字信號(hào)引腳，通過(guò)數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換R?2R電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生0～0.714 V范圍的紅基色模擬信號(hào)，引腳vga_green[3]～vga_green[0]四個(gè)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成綠基色模擬信號(hào)，藍(lán)基色模擬信號(hào)也是采用同樣的原理實(shí)現(xiàn)RGB565數(shù)字信號(hào)到VGA模擬信號(hào)的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換。行同步信號(hào)vga_hsync和場(chǎng)同步信號(hào)vga_vsync是數(shù)字信號(hào)，采用LVCMOS33的I/O標(biāo)準(zhǔn)，可以滿(mǎn)足VGA 信號(hào)的電氣特性[5]。

Z7可編程邏輯PL部分的紅基色數(shù)字引腳約束.ucf的文件代碼如下：

NET vga_red [3] LOC=H17 | IOSTANDARD=LVCMOS33；

NET vga_red [2] LOC=H16 | IOSTANDARD=LVCMOS33；

NET vga_red [1] LOC=K18 | IOSTANDARD=LVCMOS33；

NET vga_red [0] LOC=K17 | IOSTANDARD= LVCMOS33；

VGA顯示屏接口自定義IP核通過(guò)AXI4總線(xiàn)與Z7的可編程系統(tǒng)部分通信。利用Xilinx嵌入式開(kāi)發(fā)套件XPS平臺(tái)下提供的IP創(chuàng)建向?qū)Чぞ咄瓿勺远xVGA IP核，自動(dòng)產(chǎn)生該IP的ISE工程。工程包括頂層文件vga.vhd，其主要功能是實(shí)例化AXI IPIF和用戶(hù)IP。其中AXI IPIF將AXI總線(xiàn)轉(zhuǎn)換為更加簡(jiǎn)潔的IPIC接口，以供用戶(hù)IP使用。用戶(hù)IP是IP的功能定義文件，用戶(hù)IP文件user_logic.vhd的核心代碼如下：

vga_red ：out std_logic_vector（3 downto 0）；

vga_green ：out std_logic_vector（3 downto 0）；

vga_blue ：out std_logic_vector（3 downto 0）；

vga_hsync ：out std_logic；

vga_vsync ：out std_logic；

3 環(huán)境參數(shù)信息采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

信息采集子系統(tǒng)是由多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN，每個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)連接多種環(huán)境參數(shù)傳感器模塊。信息采集子系統(tǒng)的各個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與Z7主控單元ZigBee協(xié)調(diào)器組成了星型無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的控制核心采用Texas Instruments公司2.4 GHz的CC2530片上系統(tǒng)解決方案[6]。

ZigBee協(xié)調(diào)器是星型無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于星型網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)位于不同的人參栽培環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域，并把傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺貑卧膮f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)由天線(xiàn)模塊、電源模塊、紅綠指示燈、傳感器模塊、CC2530模塊組成。天線(xiàn)模塊用來(lái)擴(kuò)大無(wú)線(xiàn)信號(hào)的有效范圍。指示燈用來(lái)說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，綠燈說(shuō)明節(jié)點(diǎn)加入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的成功狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)送成功狀態(tài)，紅燈表示操作失敗。

3.2 溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單透棚里人參在不同的生長(zhǎng)階段對(duì)環(huán)境溫度有不同的需求。人參出苗時(shí)期要求日均溫度在10 ℃左右，而人參生長(zhǎng)最旺盛時(shí)期要求日均溫度在20～25 ℃之間。即使在同一天單透棚內(nèi)的空氣溫度與土壤溫度也有差異，白天時(shí)空氣溫度高于土壤溫度，夜間時(shí)土壤溫度高于空氣溫度。因此準(zhǔn)確測(cè)量、及時(shí)控制單透棚內(nèi)的空氣溫度和土壤溫度也是測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一[7]。

為實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)精度高，應(yīng)該選取具有8位以上分辨率的數(shù)字溫度傳感器；為實(shí)現(xiàn)單透棚內(nèi)空氣溫度和土壤溫度多地點(diǎn)采集，在設(shè)計(jì)時(shí)選用向串行總線(xiàn)上加入多個(gè)溫度傳感器的通信方法。兼顧上述兩點(diǎn)，系統(tǒng)選擇單片數(shù)字溫度傳感器AD7416，由美國(guó)模擬器件公司ADI生產(chǎn)，可以通過(guò)I2C接口對(duì)AD7416的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀操作和寫(xiě)操作。8片AD7416加入到同一個(gè)串行總線(xiàn)上，具體連接電路如圖3所示。

在接口電路中，AD7416的I2C串行總線(xiàn)數(shù)據(jù)引腳SDA、時(shí)鐘引腳SCL通過(guò)上拉電阻實(shí)現(xiàn)I2C總線(xiàn)協(xié)議的物理特性。AD7416芯片的片選地址輸入線(xiàn)包括A0，A1，A2三條引線(xiàn)，每個(gè)引線(xiàn)可以設(shè)置高低電平兩種狀態(tài)，通過(guò)組合可得到8種不同的狀態(tài)，每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)一種芯片的地址，因此可以使用同一個(gè)處理器在同一I2C串行總線(xiàn)上控制8個(gè)AD7416芯片。

AD7416的串行總線(xiàn)接口電路圖中的SDA，SCL兩條引線(xiàn)分別與CC2530微處理器芯片的P2.0引腳和P0.7引腳對(duì)應(yīng)連接。AD7416的漏級(jí)開(kāi)路引腳OTI可以輸出超溫報(bào)警信號(hào)，8個(gè)OTI引腳通過(guò)上拉電阻形成“線(xiàn)與”邏輯的中斷線(xiàn)路，并輸入CC2530微處理器芯片外中斷引腳P0.1，即8個(gè)AD7416芯片只要任意一個(gè)發(fā)出低電平報(bào)警信號(hào)都會(huì)對(duì)CC2530微處理器芯片傳遞有效的外中斷信號(hào)。

3.3 光照度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用單透棚種植人參，人參生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度適宜范圍是3 000～4 000 lux。在動(dòng)態(tài)調(diào)控栽培環(huán)境光照強(qiáng)度時(shí)，系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器BH1750FVI模塊完成光照強(qiáng)度準(zhǔn)確采集。BH1750FVI模塊帶有I2C接口能夠與ZigBee控制核心CC2530模塊交互信息。BH1750FVI模塊的數(shù)據(jù)引腳SDA與CC2530模塊的P1.3相連，BH1750FVI模塊的時(shí)鐘引腳SCL與CC2530模塊的P1.2相連。數(shù)字傳感器是16位精度的光照度傳感器模塊，可以通過(guò)計(jì)算BH1750FVI模塊測(cè)量值除以1.2 再除以透光率得到光照亮度實(shí)際值。

4 環(huán)境因子控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人參正常生長(zhǎng)需要土壤相對(duì)含水量穩(wěn)定在60%～80%范圍內(nèi)。在單透棚內(nèi)通過(guò)滴灌方式調(diào)節(jié)參地土壤水分含量，每個(gè)區(qū)域用帶有HART協(xié)議接口的智能閥門(mén)控制滴灌管道流量。在現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域，HART協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)常用遠(yuǎn)距離控制的網(wǎng)絡(luò)形式，傳輸距離達(dá)到1 500 m，具有強(qiáng)抗干擾的特性。HART協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)傳輸線(xiàn)上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通信。使用Bell202頻移鍵控（FSK）標(biāo)準(zhǔn)，在4～20 mA的模擬信號(hào)上疊加FSK數(shù)字信號(hào)， 使得HART 協(xié)議智能設(shè)備在不干擾4～20 mA模擬信號(hào)的同時(shí)允許雙向數(shù)字通信。FSK信號(hào)是幅值為±0.5 mA的正弦波，邏輯“1”用1 200 Hz表示，邏輯“0”用2 200 Hz表示。由于疊加的正弦信號(hào)平均值為0，所以數(shù)字通信信號(hào)不會(huì)干擾4～20 mA的模擬信號(hào)[8]。

主控單元與HART調(diào)制解調(diào)芯片A5191HRT的連接如圖4所示，Z7 可擴(kuò)展平臺(tái)PS側(cè)的GPIO通過(guò)EMIO布線(xiàn)到PL側(cè)與調(diào)制解調(diào)芯片A5191HRT進(jìn)行交互，控制調(diào)制解調(diào)模塊的工作狀態(tài)。Z7 可擴(kuò)展平臺(tái)PS側(cè)的UART控制器完成芯片A5191HRT數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)送和接收[9]。

需要調(diào)節(jié)滴灌管道閥門(mén)時(shí)，Z7 可擴(kuò)展平臺(tái)EMIO發(fā)送引腳將INRTS設(shè)置為高電平，此時(shí)調(diào)制器工作，解調(diào)器關(guān)閉，同時(shí)將圖4中的電子開(kāi)關(guān)閉合，調(diào)制后的信號(hào)由OTXA發(fā)出，經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻[RL]耦合到滴灌閥門(mén)控制器所在的4～20 mA電流環(huán)路上。

需要查看滴灌管道閥門(mén)執(zhí)行狀態(tài)時(shí)，將INRTS設(shè)置為低電平，此時(shí)解調(diào)器工作，調(diào)制器關(guān)閉，準(zhǔn)備接收滴灌閥門(mén)控制器發(fā)來(lái)的應(yīng)答，4～20 mA電流環(huán)路上疊加的應(yīng)答音頻電流經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻[RL]變成電壓信號(hào)由IRXA引腳輸入，A5191HRT的載波檢測(cè)輸出OCD變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)Z7中斷，解調(diào)的數(shù)字信號(hào)由ORXD輸出到主控平臺(tái)Z7的UART接收引腳。通過(guò)A5191HRT模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)中央單元Z7與被控滴灌管道閥門(mén)的信息交互。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的人參栽培環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)以Z7可擴(kuò)展平臺(tái)為主控模塊，系統(tǒng)前端平臺(tái)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)的采集，系統(tǒng)后端平臺(tái)通過(guò)HART協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制滴灌閥門(mén)執(zhí)行。對(duì)人參栽培單透棚內(nèi)溫濕度環(huán)境參數(shù)進(jìn)行PID閉環(huán)控制。開(kāi)花、結(jié)果時(shí)期，溫度范圍控制在20～25 ℃。土壤水分都保持在60%～80%范圍的相對(duì)含水量。光照強(qiáng)度控制在3 000～4 000 lux。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心測(cè)試通過(guò)，工作穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

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