《电子技术应用》

基于SOPC植物种苗繁育视频监测系统的研究

2016年电子技术应用第3期 作者:易 艺1,2,颜学龙1,郝建卫2
2016/4/6 11:39:00

易  艺1,2,颜学龙1,郝建卫2

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院,广西 桂林541004;2.桂林电子科技大学 信息科技学院,广西 桂林541004)


    摘  要: 为了解决植物种苗磁电场诱导繁育处理装置在使用过程中,操作者易受到高压电场与强磁场辐射的问题,提出了一种基于SOPC(System on a Programmable Chip,可编程片上系统)技术的植物种苗繁育视频监测系统的设计方案。介绍了该方案的系统组成和原理,给出了软硬件实现的方法,并进行实验测试。试验结果表明,该方案可行,能够满足实时视频和环境参数监测的需求,为繁育出高性价比的植物种苗创造了良好的条件,同时可避免操作者受到磁电场辐射。

    关键词: Nios II软核;视频采集FPGA图像处理;测控系统

0 引言

    大量的研究和实验数据表明[1,2],利用电场、磁场等物理方法对植物的种子和幼苗进行适当处理可以繁育出高性价比的种苗。该方法不但可以克服化学诱导带来的污染、残留危害,而且能很好地激发种子酶的活力,增加种子萌发率、发芽势,增强抗病虫害能力,使种苗根系发达,促进植株生长等[3-5]。既为繁育濒危的药用植物和名贵蔬菜开辟了新途径,又为人们进行人工种植紧缺药用植物和名贵蔬菜提供了行之有效的方法。

    目前,用于繁育植物种苗的磁电场诱导处理装置较为简陋[6],没有安装传感器检测植物种苗生长所需要的环境因子,即温度、湿度、光照和CO2浓度等参数,也不考虑对这些参数的控制,使用户难以使用。在近距离操作时,用户易受到强磁电场的辐射,影响身体健康;远距离操作时,又无法实时看清繁育中的植物种子和幼苗。因此,对于植物种子和幼苗的处理,很难达到最佳的繁育效果[7],从而影响了推广应用。为了克服上述缺点,便于用户繁育出高性价比的植物种苗,本文设计了一种基于SOPC技术的植物种苗繁育视频监测系统,该系统具有性能可靠、便于操作、软硬件升级方便等特点。

1 系统的组成和原理

    基于SOPC的植物种苗繁育视频监测系统由多个子节点、主控节点、总节点和上位机组成,其组成框图如图1所示。

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    子节点负责对大棚苗床中土壤的温湿度进行检测与控制,并将采集的数据通过ZigBee网络发送给主控节点的ZigBee协调器。在实际应用中,可依据监测苗床土壤面积的大小来调整子节点的个数。

    主控节点既负责组建ZigBee网络,接收与发送苗床上多个子节点的命令和数据,又完成对苗床上空气的温湿度、光照强度和CO2浓度的检测与控制,并将采集的环境参数传给总节点。

    总节点采用Quartus II 13.1开发环境自带的Qsys构建Nios II软核处理器作为微控制器,对子节点和主控节点的采集数据进行分析与处理,然后通过Wi-Fi模块传给上位机。用Verilog HDL来描述视频采集模块和HDMI模块的逻辑驱动电路,结合Nios II软核处理器对苗床上的种子和幼苗繁育情况进行视频采集、存储、分析和图像处理,然后送显示器显示,用户可以远距离通过视频图像监测繁育中的植物种子和幼苗,避免受到强磁电场辐射。

    上位机为安装有客户端软件的笔记本电脑,繁育植物种苗的用户可以根据需要在上位机输入任务命令,通过Wi-Fi模块对总节点、主控节点和子节点进行适当的控制,获取植物种苗生长所需要的各项监测参数和视频图像,并对它们进行分析和处理。

2 系统硬件设计

    系统的硬件设计主要包括子节点的硬件设计、主控节点的硬件设计、总节点的硬件设计和Wi-Fi模块的硬件设计。

2.1 子节点的硬件设计

    子节点的硬件设计主要包含ZigBee终端节点、土壤温湿度检测模块和喷淋装置控制模块。它的作用是实现对苗床不同区域土壤温湿度参数的监测,其硬件设计框图如图2所示。

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    CC2530F256芯片集成有8051 MCU、12位ADC和2.4 GHz的RF收发器等丰富的片上资源[8],结合TI公司的ZigBee协议栈Z-Stack可以实现ZigBee的组网[9],实现数据和命令的无线传输,解决有线通信铺设、布线难的问题。

    土壤温湿度采集模块采用搜博 SLHT5 土壤型温湿度传感器,其内置了瑞士Sensirion 公司生产的SHT11传感器,内部集成有处理电路、ADC和串行接口电路,MCU通过串行总线可以获取已标定的温湿度数字数据。

    喷淋装置控制模块由固态继电器和电磁阀组成,MCU通过控制固态继电器的吸合与断开来控制电磁阀的启停,从而达到对喷淋装置的控制。

2.2 主控节点的硬件设计

    主控节点的硬件设计主要包含ZigBee协调器节点、传感器检测模块(空气温湿度、光照、CO2)以及供热和遮阳装置控制模块,其硬件设计框图如图3所示。

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    ZigBee协调器节点选用CC2530F256芯片作为微控制器,对光照传感器、温湿度传感器和CO2传感器进行控制,获取苗床上空植物种苗生长所需要的环境因子(空气温湿度、光照、CO2浓度),并根据实际需要对供热和遮阳装置控制模块进行适当的控制,使苗床上空的环境因子达到繁育植物种苗的要求。

    光照度的检测选用日本ROHM原装芯片BH1750FVI[10]作为传感器,其内集成有光敏二极管、运放、16位的ADC和处理电路,可将光照强度(1~65535 lx)转化为已校准的数字信号,并通过I2C总线输出。

    空气温湿度的检测选用AOSONG数字式温湿度传感器AM2305[11],它能将空气温湿度转化为已校准的数字信号,并通过单总线输出。

    CO2浓度的检测选用红外CO2传感器S8-0013模块,它能将CO2浓度(0~10 000 ppm)转化为已校准的数字信号,并通过TTL串口输出。

    供热和遮阳装置控制模块由固态继电器和交流接触器组成,MCU通过控制固态继电器的吸合与断开来控制交流接触器的吸合与断开,从而达到对供热和遮阳装置的控制。

2.3 总节点的硬件设计

    总节点的硬件设计主要包含FPGA芯片上的32位Nios II软核处理器与数字逻辑电路、视频采集模块和HDMI模块,其硬件设计框图如图4所示。

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    总节点采用Altera公司的Cyclone VI系列中的EP4CE22F17C8N芯片,利用Quartus II 13.1开发环境自带的Qsys构建Nios II软核处理器作为微控制器,用Verilog HDL来描述总节点所需的视频数据缓存与处理电路、ITU656解码处理电路、I2C总线时序配置电路、DDR2控制器和HDMI控制器等逻辑电路[12],并把它们和Nios II软核处理器集成到一块FPGA芯片上,接着在Nios II 13.1 集成开发环境中用C语言完成程序的编写。在整个过程中,用Verilog HDL描述的逻辑电路与Nios II软核处理器相互协作,构成一个SOPC测控系统,承担与各个硬件电路、逻辑电路之间的数据传输、处理和控制等任务。

    视频采集模块选用ADI公司的视频解码芯片ADV7180,FPGA通过I2C总线对其进行正确的配置后,该芯片能自动检测模拟视频信号的输入格式,并将其转换为与ITU-R BT.656接口标准兼容的YCrCb 4:2:2的视频信号[13]

    HDMI模块选用ADI公司的HDMI发送控制芯片ADV7513,Nios II软核处理器既可以通过I2C总线对其寄存器进行配置,以实现接口模式和工作模式的初始化;又可以通过HDMI控制器实现HDMI驱动时钟和分辨率的切换。

2.4 Wi-Fi模块的硬件设计

    Wi-Fi模块是上位机与总节点进行数据和命令传输的中间桥梁,选用TTL串口转Wi-Fi模块USR-WIFI232-B来实现。总节点中的Nios II软核处理器通过UART控制器与Wi-Fi模块的TTL串口相连接,可以方便接入Wi-Fi无线网络,从而实现上位机与总节点之间数据和命令的相互传输。

3 系统软件设计

    系统的软件设计主要由总节点的软件、主控节点的软件、子节点的软件和上位机的客户端软件组成。

3.1 总节点软件设计

    总节点的软件设计由用C语言编写的Nios II软核处理器的各个程序模块组成,主要包括Flash读/写控制程序、I2C总线驱动程序、UART程序、HDMI控制程序和视频采集控制程序等,其主程序流程图如图5所示。

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3.2 主控节点和子节点软件设计

    主控节点的软件设计主要由光照传感器的I2C总线驱动程序、空气温湿度传感器的单总线驱动程序、CO2浓度传感器的串口驱动程序、固态继电器的控制程序和ZigBee协议栈Z-Stack的组网程序组成,主要完成总节点、主控节点与子节点相互之间的数据交换工作,并将监测到的各项环境参数送给总节点,其主程序流程图如图6所示。

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    子节点软件设计主要包含土壤温湿度传感器 SHT11的驱动程序、固态继电器的控制程序和ZigBee协议栈Z-Stack的组网程序。其主程序流程图与主控节点的主程序流程图类似,不再赘述。

3.3 上位机的客户端软件设计

    上位机为安装有客户端软件的笔记本电脑,其客户端软件采用Visual Basic 6.0开发,可以根据用户的需要发送、存储控制命令,记录苗床各个监测节点的检测数据和时间。用户既可利用笔记本电脑的软硬件对检测的数据进行分析、处理、存储和管理,又可根据显示器显示的视频图像,对一些参数(如电场与磁场强度等)进行适当的调整与控制。

4 系统测试验证

    实验按照图1的系统组成框图搭建测试电路,然后将其安装在用于繁育植物种苗的电场与磁场发生装置上,并进行长时间的拷机。该系统性能稳定可靠,可在笔记本电脑的客户端软件和显示器上分别监测苗床中植物种苗生长所需的各项环境参数和清晰的视频图像,并可对系统中喷淋、遮阳等装置进行适当的控制。将监测的各项环境参数与标准仪器DT-321S空气温湿度测量仪、衡欣AZ77535 CO2浓度测量仪和Takeme土壤温度水分测定仪测得的环境参数进行比对测试,得到测量结果如表1所示。

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    测试结果表明,基于SOPC的植物种苗繁育视频监测系统具有环境参数检测误差小、使用方便、视频采集与传输稳定可靠等特点,在使用强磁电场诱导繁育植物种苗时,能够满足用户远距离对植物种苗生长环境参数与视频图像进行监测的需求。

5 结束语

    本文提出的基于SOPC植物种苗繁育视频监测系统的设计方案,将视频采集解码处理、I2C总线配置等电路的数字逻辑部分和微处理器置于一块FPGA芯片内,构成SOPC测控系统,结合ZigBee和Wi-Fi无线传输技术,实现对苗床上植物种苗生长环境参数与视频图像的监测,既为使用强磁电场对植物种苗进行诱导繁育提供了一个很好的解决方案,又为繁育出高性价比的植物种苗创造了良好的条件。该设计方案适合应用于通信线铺设难、使用强磁电场对植物种苗进行诱导繁育的监测场所,具有良好的市场前景。

参考文献

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