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基于μC/OS-Ⅱ构建农田信息采集系统的软硬件平台
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2017-10-25
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精细农业的核心问题可叙述为信息获取、农田信息管理和分析、决策分析、决策的农田实施四大部分。其中农田基础信息（土壤养分、湿度、理化性状、苗情、病虫草害）的获取和处理是精细农业技术的起点。如果这个问题解决不好就很难真正地实施精准农业。农田信息主要包括地理环境、土壤环境、小气候、水环境、与作物生长状况相关的信息以及管理信息等，具有量大、多维（信息多种多样）、动态、不确定（系统的噪声或随机噪声）、不完整、时空变异性强等特点。在精细农业研究中，目前优先需要考虑的是土壤水分、土壤养分、土壤压实、耕作层深度和作物病虫草害及作物苗情分布信息等，要求能够定位、快速、精确、连续地测量。传统的实验室分析方法已很难满足这一要求，为此，需要开发适用于精细农业的农田信息快速采集技术。本设计以S3CA4B0X为主体，构建农田信息采集系统的硬件平台，并在S3CA4B0X内部嵌入μC／OS-Ⅱ实时操作系统，可大大提高系统的稳定性和实时响应能力，增强系统的可靠性、可扩展性、可移植性。
1 μC／OS-Ⅱ简介
嵌入式实时操作系统μC／OS-Ⅱ的全名是Micro-Controller Operating System Version2，是基于优先级的抢占式实时多任务操作系统，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步（信号量，邮箱，消息队列）和内存管理等功能。
μC／OS-Ⅱ采用微内核设计，使用C语言编写，追求编程的灵活性，可配置、可裁剪、可扩充、可移植。μC／OS-Ⅱ是基于优先级的可剥夺型实时多任务内核，优先级算法采用查表法，切换速度快。μC／OS-Ⅱ可以处理和调度多达64个任务，目前有8个留给系统使用，应用程序可使用多达56个任务。
2 硬件系统设计
2．1 农田信息采集系统结构
系统主要由通讯模块、农田数据采集模块、数据处理及存储模块几部分组成。主要完成以下几个方面功能：
（1）在农田信息采样时，通讯模块接收全球定位系统GPS经纬度位置信息，数据采集模块完成田间土壤参数信息的采集，系统的多个模拟信号输入通道与田间土壤水分、温度、养分等传感器探针相连，测量田间土壤的水分、养分、温度等参数值，然后与上位计算机相连，进行处理。
（2）在工作室进行农田数据处理时，通讯模块将采集的农田数据传给计算机，计算机上的软件进行一系列处理，最终生成田间土壤水分分布图、养分分布图和温度变化图等并保存。
（3）农田信息采集系统扩展CAN总线数据收发接口后，可与农机机械的（拖拉机、收割机等）CAN控制总线相连接，帮助驾驶员驾驶农业机械在田间实施农业操作。在需要进行自动变量施肥、变量喷洒农药等农业作业中，要求农机机械在特定的农田中采取特定的行进速度，以达到喷撒物的剂量与农田作业的要求相适应。并依据农业信息采集系统和专家系统提供的农机机械作业路线，使驾驶员操作农机机械按照电子地图上设计的行走路线行走，从而完成播种、施肥、灭虫、灌溉、收割等工作，包括完成耕地深度、施肥量、灌溉量的控制任务等。
2．2 农田信息采集系统的硬件方案
本系统以嵌入式微处理器ARM S3C44B0X芯片为核心，包括传感器信息采集电路、串口通讯电路、GPS通讯电路、扩展的CAN总线、数据存储电路、液晶屏显示电路、键盘接口电路以及功能键盘等构成。系统结构如图1所示。
3 农田信息采集系统软件设计实现
3．1 μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系统在S3CA4B0X芯片上的移植
在嵌入式操作系统应用中，每个任务都是相互独立的，而且会发生频繁的任务转换，为了使转换的任务能够返回到原来的断点，所以必须得把与转换的任务运行环境密切相关的各种寄存器和变量全部保存起来。这就是定义构造一个用户任务堆栈结构，来保证多任务嵌入式操作系统的正常运行，这种堆栈结构保存了与各个转换的任务运行环境密切相关的所有寄存器变量，而且所有任务的堆栈结构必须完全一致，这样才能用统一的任务切换程序在任务之间作频繁的任务转换，而且还要求不会破坏各个任务的实时运行环境。因此在建立每一个新任务的同时，必须为该任务分配一定的系统资源，包括一个任务栈、一个任务控制块，并将与该任务密切相关的各个变量，比如任务优先级别、堆栈大小等变量保存到任务控制块中，同时还得完全按照任务堆栈初始化结构那样初始化该任务的任务堆栈，然后将任务堆栈的栈顶指针保存到该任务控制块的相应位置。
1 μC／OS-Ⅱ简介
嵌入式实时操作系统μC／OS-Ⅱ的全名是Micro-Controller Operating System Version2，是基于优先级的抢占式实时多任务操作系统，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步（信号量，邮箱，消息队列）和内存管理等功能。
μC／OS-Ⅱ采用微内核设计，使用C语言编写，追求编程的灵活性，可配置、可裁剪、可扩充、可移植。μC／OS-Ⅱ是基于优先级的可剥夺型实时多任务内核，优先级算法采用查表法，切换速度快。μC／OS-Ⅱ可以处理和调度多达64个任务，目前有8个留给系统使用，应用程序可使用多达56个任务。
2 硬件系统设计
2．1 农田信息采集系统结构
系统主要由通讯模块、农田数据采集模块、数据处理及存储模块几部分组成。主要完成以下几个方面功能：
（1）在农田信息采样时，通讯模块接收全球定位系统GPS经纬度位置信息，数据采集模块完成田间土壤参数信息的采集，系统的多个模拟信号输入通道与田间土壤水分、温度、养分等传感器探针相连，测量田间土壤的水分、养分、温度等参数值，然后与上位计算机相连，进行处理。
（2）在工作室进行农田数据处理时，通讯模块将采集的农田数据传给计算机，计算机上的软件进行一系列处理，最终生成田间土壤水分分布图、养分分布图和温度变化图等并保存。
（3）农田信息采集系统扩展CAN总线数据收发接口后，可与农机机械的（拖拉机、收割机等）CAN控制总线相连接，帮助驾驶员驾驶农业机械在田间实施农业操作。在需要进行自动变量施肥、变量喷洒农药等农业作业中，要求农机机械在特定的农田中采取特定的行进速度，以达到喷撒物的剂量与农田作业的要求相适应。并依据农业信息采集系统和专家系统提供的农机机械作业路线，使驾驶员操作农机机械按照电子地图上设计的行走路线行走，从而完成播种、施肥、灭虫、灌溉、收割等工作，包括完成耕地深度、施肥量、灌溉量的控制任务等。
2．2 农田信息采集系统的硬件方案
本系统以嵌入式微处理器ARM S3C44B0X芯片为核心，包括传感器信息采集电路、串口通讯电路、GPS通讯电路、扩展的CAN总线、数据存储电路、液晶屏显示电路、键盘接口电路以及功能键盘等构成。系统结构如图1所示。
3 农田信息采集系统软件设计实现
3．1 μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系统在S3CA4B0X芯片上的移植
在嵌入式操作系统应用中，每个任务都是相互独立的，而且会发生频繁的任务转换，为了使转换的任务能够返回到原来的断点，所以必须得把与转换的任务运行环境密切相关的各种寄存器和变量全部保存起来。这就是定义构造一个用户任务堆栈结构，来保证多任务嵌入式操作系统的正常运行，这种堆栈结构保存了与各个转换的任务运行环境密切相关的所有寄存器变量，而且所有任务的堆栈结构必须完全一致，这样才能用统一的任务切换程序在任务之间作频繁的任务转换，而且还要求不会破坏各个任务的实时运行环境。因此在建立每一个新任务的同时，必须为该任务分配一定的系统资源，包括一个任务栈、一个任务控制块，并将与该任务密切相关的各个变量，比如任务优先级别、堆栈大小等变量保存到任务控制块中，同时还得完全按照任务堆栈初始化结构那样初始化该任务的任务堆栈，然后将任务堆栈的栈顶指针保存到该任务控制块的相应位置。
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