摘 要： 设计了一项高性价比的人参栽培环境测控系统，提供了有效的人参种植解决方案。系统采用Xilinx公司的Zynq7000可扩展处理平台作为主控单元，利用ZigBee无线传感器网络实现对人参栽培土壤温湿度、日光照射强度、空气中CO2浓度等环境参数的监测。系统通过HART协议网络控制供水管道的智能阀门，实现参地滴灌。现场VGA显示器可以绘制环境参数趋势曲线图，同时系统可以连接至互联网，实现远程控制。系统在智慧农业工程研究中心运行和调试，性能优良、工作稳定。
关键词： 人参栽培； Zynq7000； ZigBee； HART
中图分类号： TN911?34； TP39 文献标识码： A 文章编号： 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
人参是一种名贵的五加科多年生宿根药用植物，生长情况与土壤水分含量、空气湿度、光照强度、环境温度密切相关。首先，人参各个生长期对温度的需求不同，日平均气温在出苗时期需要10 ℃，展叶时期需要12 ℃，开花时期需要16 ℃以上，结果时期[1]在20～25 ℃。其次，在人参整个生长周期需要多次调光。春季出苗时，光照强度可强些。随着生长发育的进行，光强需要逐渐减弱，中后期又逐渐加强。再次，种植人参的土壤相对含水量需要保持在60%～80%范围内。人参整个生长周期内最大需水量在展叶到开花这一阶段。目前多数采用林下种植和单透棚种植，人参生长不耐高温，耐严寒，不耐积水和干旱。因此，本文设计了一种人参栽培环境测控系统，对人参各个生长期环境条件精准测控，提高人参的产量与质量，实现提高经济效益的目的。
1 测控系统总体设计
人参栽培环境测控系统由环境参数信息采集子系统、数据处理主控子系统和环境因子控制子系统三部分构成。测控系统总体设计原理图如图1所示，环境参数信息采集子系统采用无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN），WSN是由多个ZigBee终端节点和一个ZigBee协调器组成的星型无线局域网。ZigBee终端节点连接了温湿度传感器、光照强度传感器和CO2浓度传感器等，实现环境参数智能感知的功能。ZigBee协调器与数据处理主控子系统相连，是WSN星型网络的中心节点。数据处理主控子系统采用Xilinx公司的Zynq7000（Z7）可扩展处理平台解决方案，实时处理来自各个WSN终端节点的环境参数信息，同时在本地的VGA显示器绘制环境参数曲线图，并且通过路由器将数据上传至服务器。环境因子控制子系统包括温湿度调控子系统和光照强度调控子系统，温湿度调控子系统利用HART协议网络控制供水管道的智能阀门，实现参地滴灌[2]。
2 数据处理主控子系统设计
人参种植环境测控系统的主控核心采用Xilinx公司生产的Z7可扩展处理芯片，芯片处理性能优越。芯片结构包括可编程系统Processing System部分和可编程逻辑Processing Logic部分[3]。Z7芯片的可编程逻辑PL部分是由FPGA构成。可编程系统PS部分包含双核的CortexTM?A9处理器，具有完整的ARM指令系统。人参栽培环境测控系统可以在参地现场通过VGA显示器绘制环境参数历史数据、当前状态、未来趋势曲线图。同时也可以将数据通过网络传递至环境监测服务器，进行数据处理和分析。主控子系统设计过程中充分利用了Z7可编程逻辑FPGA结构的优势。自定义FPGA结构的IP核实现了VGA显示屏和互联网的硬件接口逻辑[4]。
Zynq7000显示器接口原理图如图2所示，主控模块VGA接口的有效数据线路包括3条模拟信号线（R，G，B）和2条数字信号线（vga_hsync，vga_vsync）。其中R，G，B分别为VGA显示电路红、绿、蓝三基色模拟电压信号，模拟电压范围是0～0.714 V，最低电压代表无色，最高电压代表满色。在可编程逻辑部分输出引脚驱动电压为3.3 V时，为了达到0～0.714 V的模拟电压范围，采用R?2R电阻网络实现VGA数字信号向模拟量信号的转换。依据“戴维南定理”需要将R?2R电阻网络的等效电阻设计为270 Ω。Z7可扩展处理芯片可编程逻辑PL输出引脚vga_red[3]～vga_red[0]四个数字信号引脚，通过数字量/模拟量转换R?2R电阻网络产生0～0.714 V范围的红基色模拟信号，引脚vga_green[3]～vga_green[0]四个数字信号转换成绿基色模拟信号，蓝基色模拟信号也是采用同样的原理实现RGB565数字信号到VGA模拟信号的线性转换。行同步信号vga_hsync和场同步信号vga_vsync是数字信号，采用LVCMOS33的I/O标准，可以满足VGA 信号的电气特性[5]。
Z7可编程逻辑PL部分的红基色数字引脚约束.ucf的文件代码如下：
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显示屏接口自定义IP核通过AXI4总线与Z7的可编程系统部分通信。利用Xilinx嵌入式开发套件XPS平台下提供的IP创建向导工具完成自定义VGA IP核，自动产生该IP的ISE工程。工程包括顶层文件vga.vhd，其主要功能是实例化AXI IPIF和用户IP。其中AXI IPIF将AXI总线转换为更加简洁的IPIC接口，以供用户IP使用。用户IP是IP的功能定义文件，用户IP文件user_logic.vhd的核心代码如下：
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 环境参数信息采集子系统设计
3.1 无线传感器网络设计
信息采集子系统是由多个ZigBee节点组成的无线传感器网络WSN，每个ZigBee终端节点连接多种环境参数传感器模块。信息采集子系统的各个ZigBee终端节点与Z7主控单元ZigBee协调器组成了星型无线局域网络。每个ZigBee节点的控制核心采用Texas Instruments公司2.4 GHz的CC2530片上系统解决方案[6]。
ZigBee协调器是星型无线局域网络的中心节点，ZigBee终端节点相当于星型网络的其他节点。ZigBee终端节点位于不同的人参栽培环境监测区域，并把传感器采集到的数据经无线网络传输到主控单元的协调器节点。终端节点由天线模块、电源模块、红绿指示灯、传感器模块、CC2530模块组成。天线模块用来扩大无线信号的有效范围。指示灯用来说明节点的工作状态，绿灯说明节点加入无线网络的成功状态和数据发送成功状态，红灯表示操作失败。
3.2 温度测量系统设计
单透棚里人参在不同的生长阶段对环境温度有不同的需求。人参出苗时期要求日均温度在10 ℃左右，而人参生长最旺盛时期要求日均温度在20～25 ℃之间。即使在同一天单透棚内的空气温度与土壤温度也有差异，白天时空气温度高于土壤温度，夜间时土壤温度高于空气温度。因此准确测量、及时控制单透棚内的空气温度和土壤温度也是测控系统的设计目标之一[7]。
为实现温度监测精度高，应该选取具有8位以上分辨率的数字温度传感器；为实现单透棚内空气温度和土壤温度多地点采集，在设计时选用向串行总线上加入多个温度传感器的通信方法。兼顾上述两点，系统选择单片数字温度传感器AD7416，由美国模拟器件公司ADI生产，可以通过I2C接口对AD7416的内部寄存器进行读操作和写操作。8片AD7416加入到同一个串行总线上，具体连接电路如图3所示。
在接口电路中，AD7416的I2C串行总线数据引脚SDA、时钟引脚SCL通过上拉电阻实现I2C总线协议的物理特性。AD7416芯片的片选地址输入线包括A0，A1，A2三条引线，每个引线可以设置高低电平两种状态，通过组合可得到8种不同的状态，每种状态对应一种芯片的地址，因此可以使用同一个处理器在同一I2C串行总线上控制8个AD7416芯片。
AD7416的串行总线接口电路图中的SDA，SCL两条引线分别与CC2530微处理器芯片的P2.0引脚和P0.7引脚对应连接。AD7416的漏级开路引脚OTI可以输出超温报警信号，8个OTI引脚通过上拉电阻形成“线与”逻辑的中断线路，并输入CC2530微处理器芯片外中断引脚P0.1，即8个AD7416芯片只要任意一个发出低电平报警信号都会对CC2530微处理器芯片传递有效的外中断信号。
3.3 光照度测量系统设计
使用单透棚种植人参，人参生长的光照强度适宜范围是3 000～4 000 lux。在动态调控栽培环境光照强度时，系统采用数字传感器BH1750FVI模块完成光照强度准确采集。BH1750FVI模块带有I2C接口能够与ZigBee控制核心CC2530模块交互信息。BH1750FVI模块的数据引脚SDA与CC2530模块的P1.3相连，BH1750FVI模块的时钟引脚SCL与CC2530模块的P1.2相连。数字传感器是16位精度的光照度传感器模块，可以通过计算BH1750FVI模块测量值除以1.2 再除以透光率得到光照亮度实际值。
4 环境因子控制子系统设计
人参正常生长需要土壤相对含水量稳定在60%～80%范围内。在单透棚内通过滴灌方式调节参地土壤水分含量，每个区域用带有HART协议接口的智能阀门控制滴灌管道流量。在现场控制领域，HART协议现场总线常用远距离控制的网络形式，传输距离达到1 500 m，具有强抗干扰的特性。HART协议主要实现模拟信号传输线上进行数字信号通信。使用Bell202频移键控（FSK）标准，在4～20 mA的模拟信号上叠加FSK数字信号， 使得HART 协议智能设备在不干扰4～20 mA模拟信号的同时允许双向数字通信。FSK信号是幅值为±0.5 mA的正弦波，逻辑“1”用1 200 Hz表示，逻辑“0”用2 200 Hz表示。由于叠加的正弦信号平均值为0，所以数字通信信号不会干扰4～20 mA的模拟信号[8]。
主控单元与HART调制解调芯片A5191HRT的连接如图4所示，Z7 可扩展平台PS侧的GPIO通过EMIO布线到PL侧与调制解调芯片A5191HRT进行交互，控制调制解调模块的工作状态。Z7 可扩展平台PS侧的UART控制器完成芯片A5191HRT数字数据的发送和接收[9]。
需要调节滴灌管道阀门时，Z7 可扩展平台EMIO发送引脚将INRTS设置为高电平，此时调制器工作，解调器关闭，同时将图4中的电子开关闭合，调制后的信号由OTXA发出，经过负载电阻[RL]耦合到滴灌阀门控制器所在的4～20 mA电流环路上。
需要查看滴灌管道阀门执行状态时，将INRTS设置为低电平，此时解调器工作，调制器关闭，准备接收滴灌阀门控制器发来的应答，4～20 mA电流环路上叠加的应答音频电流经过负载电阻[RL]变成电压信号由IRXA引脚输入，A5191HRT的载波检测输出OCD变为低电平，触发Z7中断，解调的数字信号由ORXD输出到主控平台Z7的UART接收引脚。通过A5191HRT模块实现测控系统中央单元Z7与被控滴灌管道阀门的信息交互。
5 结 语
本文设计的人参栽培环境测控系统以Z7可扩展平台为主控模块，系统前端平台通过无线传感器网络实现各个网络节点环境参数的采集，系统后端平台通过HART协议现场总线控制滴灌阀门执行。对人参栽培单透棚内温湿度环境参数进行PID闭环控制。开花、结果时期，温度范围控制在20～25 ℃。土壤水分都保持在60%～80%范围的相对含水量。光照强度控制在3 000～4 000 lux。本文设计的系统在智慧农业工程研究中心测试通过，工作稳定、准确。
参考文献
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