基于MIPS的普适农业监测系统设计

引言
普适计算又称普存计算、普及计算，它强调的是和环境融为一体的、无处不在的计算。在普适计算中，计算机从人们的视线里消失，转而使用各种嵌入式设备作为计算的核心，通过传感器和无线网络，用户可以在任何时刻、任何地点，以任意方式进行信息的获取和处理。普适计算与信息农业的结合促进了设施农业生产模式的发展，在该模式中系统根据获取的数据进行总结和计算，并对农业生产现场的环境进行调节，这在一定程度上摆脱了长久以来农作物生长对自然环境的过多依赖，使得农作物生长具有高产、高效、高质的特点，其发达程度体现了一个国家农业现代化的水平。本文以MIPS架构的JZ4755和PIC32MX4系列处理器为核心，开发了普适农业中的数据采集、分析、监测与预警系统。该系统实现了低功耗、小体积条件下环境数据的采集、计算，并能根据所获取的数据进行分析和处理。

1 系统总体结构
整个系统包含两个主要部分：分支监测点和主控终端。分支监测点以PIC32MX460作为处理单元，外围器件有光照传感器、温度传感器、湿度传感器等，其完成的功能包括对当前光照强度、温度、湿度等环境数据的实时监测和记录。主控终端以国产JZ4755处理器为核心，外围器件包括网络通信模块、SD卡存储模块、GPRS通信模块等，其完成的功能是整合各个分支监测点获取的数据，根据农作物生长规律给出决策意见，同时把各个阶段记录的数据存储到SD卡模块中；主控终端中还内置有Web服务器，当连接上了网络时，用户在任何地方都能查询到系统当前的状态。当农作物生长环境出现异常情况时，主控终端还能通过GPRS通信模块发送警告短信给用户，以避免造成更大的损失。主控终端与分支监测点之间的信息交互通过433 MHz无线通信完成，既避免了有线通信方式所带来的布线繁琐，又具有较快的数据传输率和良好的稳定性。系统总体结构框图如图1所示。

相比于目前流行的嵌入式处理器，MIPS处理器具有低功耗、高性能的特点。

2 系统硬件设计
整个系统硬件设计包含两个部分：分支监测点硬件设计和主控终端硬件设计。
2．1 分支监测点硬件设计
分支监测点的主要任务是完成各监测点温度、湿度、亮度数据的采集和传输。其工作的环境比较复杂，对系统的稳定性要求也较高。因此，采用PIC32MX460系列芯片作为主芯片。PIC32MX460是Microchip公司生产的基于MIPS内核的低功耗、高性能处理器，内部集成有硬件看门狗，保证了系统出错时能够及时复位。该芯片资源丰富，具有完整的文档，方便开发、设计和应用。
DHT11是一款使用非常广泛的数字接口温湿度一体的传感器，其湿度测量范围为20％～90％，温度测量范围为0～50℃，测量精度为5％，完全符合本系统的需求。DHT11采用了单总线数据传输结构，便于与各种MCU进行连接，并且信号传输距离可达20 m以上。为了准确地采集当前环境的温度，每一个分支监测点使用了3个DHT11同时采集，然后求取其平均数。对于外部环境光照强度的感知，系统采用的是新型单片测光传感器BH1750，该传感器是ROHM公司为适应便携式机器的要求而开发的具有优良光谱灵敏度特性的单片数字光照度传感器，它采用简单的I2C总线接口与MCU进行连接。分支监测点硬件原理图如图2所示。

需要注意的是，PIC32MX460芯片带有I2C总线接口(分别为芯片的36、37引脚)，与其他电路接口直接连接即可。由于I2C总线协议电气特性规定开漏极，在这里需要接10 kΩ的上拉电阻，否则该总线上将无法输出高电平。DHT11采用的单总线结构比较简单，使用PIC32MX460芯片GPIO来模拟单总线的协议与其连接，连接时也需要上拉10 kΩ的电阻以避免外界对信号的干扰。