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(jìn)行適當(dāng)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(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，用戶易受到強磁電場的輻射，影響身體健康；遠(yuǎn)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(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，便于用戶繁育出高性價比的植物種苗，本文設(shè)計了一種基于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。

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(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)點的ZigBee協(xié)調(diào)器。在實際應(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)點的個數(shù)。

    主控節(jié)點既負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)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(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(wù)命令，通過Wi-Fi模塊對總節(jié)點、主控節(jié)點和子節(jié)點進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，獲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(jìn)行分析和處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

2.1 子節(jié)點的硬件設(shè)計

    子節(jié)點的硬件設(shè)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(shè)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(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)點的硬件設(shè)計

    主控節(jié)點的硬件設(shè)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(shè)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(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(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)點的硬件設(shè)計

    總節(jié)點的硬件設(shè)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(shè)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(dān)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(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(shè)計

    Wi-Fi模塊是上位機與總節(jié)點進(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來實現(xiàn)?？偣?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(luò)，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(shè)計

    系統(tǒng)的軟件設(shè)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(shè)計

    總節(jié)點的軟件設(shè)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(shè)計

    主控節(jié)點的軟件設(shè)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(shè)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(shè)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(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)（如電場與磁場強度等）進(jìn)行適當(dāng)?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(jìn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。將監(jiān)測的各項環(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，在使用強磁電場誘導(dǎo)繁育植物種苗時，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(jìn)行誘導(dǎo)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(shè)計方案適合應(yīng)用于通信線鋪設(shè)難、使用強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。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃洪云．高壓靜電場對大豆幼苗生長的影響[J]．大豆科學(xué)，2012，31(6)：1030-1032．

[2] 吳旭紅，孫為民，張紅燕，等.高壓靜電場對南瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的生物學(xué)效應(yīng)[J]．種子，2004，23(2)：27-30．

[3] 郝建衛(wèi)，李翠蘭，盤飛蘭，等．復(fù)合磁電場對牛尾菜種子發(fā)芽率的影響研究[J]．安徽農(nóng)學(xué)通報，2014，20(6)：9-10．

[4] 習(xí)崗，高宇，劉鍇，等．極低頻高壓脈沖電場對玉米種子萌發(fā)影響的頻率差異[J]．高電壓技術(shù)，2014，40(4)：1242-1248．

[5] 白亞鄉(xiāng)，胡玉才．高壓靜電場對農(nóng)作物種子生物學(xué)效應(yīng)原發(fā)機制的探討[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(2)：49-51．

[6] 付喜錦.物理農(nóng)業(yè)高壓靜電裝置設(shè)計[J]．隴東學(xué)院學(xué)報，2013，24(5)：30-32．

[7] 張鳳閣，于濤，王正．檢測與數(shù)控技術(shù)在種子靜電處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．測試技術(shù)學(xué)報，2005，19(2)：133-136．

[8] 陳克濤，張海輝，張永猛，等．基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，42(5)：183-188．

[9] 石繁榮，黃玉清，任珍文．基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(3)：96-99．

[10] 云中華，白天蕊．基于BH1750FVI的室內(nèi)光照強度測量儀[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012(6)：27-29．

[11] 馬玉娟，楊國華，衛(wèi)寧波，等．基于ARM-LabVIEW 的家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]．電視技術(shù)，2015，39(11)：108-112．

[12] 吳厚航．FPGA設(shè)計實戰(zhàn)演練(邏輯篇)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2015．

[13] 廖諍，張攀，顏悅．ADV7180在圖像采集嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電視技術(shù)，2012，36（S2）：231-233．