基于ZigBee的绞股蓝种植环境监测系统

徐义军 王平

摘要：基于ZigBee的绞股蓝养殖环境监测系统包括土壤湿度、空气温度、CO2浓度、土壤酸碱度、光照强度等传感器获取绞股蓝生长环境的参数，终端节点通过CC2530单片机获取各个传感器的参数值，协调器创建ZigBee无线传感网络，终端节点通过ZigBee无线传感网络将数据汇总给协调器，协调器将传感器的数据整理打包通过串口将数据发送给FPGA主控制器，FPGA通过CCD摄像头获取绞股蓝的叶片信息以及ZigBee获取的不同远近的RSSI的值进行算法分析，得到不同位置的绞股蓝叶片真实的大小 ，然后将所有数据整理通过网关发送给远程的服务器存储，用户通过Web访问服务器数据，进行监测与管理。

1、引言：

绞股蓝的种植基地多在偏远的山区，以散户农民种植为主，对生长环境的数据的收集较为困难，种植的管理效率较低，种植人力成本较高。且农户的种植管理技术不够成熟，因此采用信息化手段监测农作的生长可提高农户的收成和公司绞股蓝产量，降低管理成本，提升管理的效率。无线传感网络（WSN）通过实时采集温室内温度、土壤温度、CO2 浓度、湿度信号以及光照、叶面湿度、露点温度等一系列环境参数，合理安排绞股蓝的种植方式，提升作物的产量和质量。可以根据用户的需求，随时进行处理，为绞股蓝综合生态信息的自动监测、对环境进行自动控制和智能化的管理提供了科学依据。

2、系统方案

为了监测一片区域内的绞股蓝的生长环境数据，以及数据的准确性和实时性，需要布置大量的传感器实时监测，为了减少布线的不便以及大量数据管理上面的繁琐，本发明通过建立ZigBee无线传感网络来对传感器数据的发送和汇总，监测数据包括有土壤湿度、空气温度、CO2浓度、土壤酸碱度、光照强度等，每个终端节点通过CC2530单片机进行数据的采集，然后通过ZigBee发送给路由节点，路由节点转发汇聚到协调器节点。由于节点数目较多，为了防止由于意外导致数据不能实时传输给协调器，系统采用的是一种网状架构的组网方式，节点出现问题时，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输，提高了数据的传输效率和系统的稳定性能。协调器将所有传感器的数据汇总，通过串口与FPGA主控制器交互。本发明采用的是DE1-SoC产品，充分利用FPGA的高速并行处理能力与ARM Linux灵活的运算和系统控制优势，使用SoC器件上的FPGA资源，设计图像采集和格式转换逻辑，实现绞股蓝叶片图像数据的采集，并通过SoC器件独有的FPGA2HPS高速桥，将图像数据实时存入HPS侧DDR3存储器中。HPS端运行Linux操作系统，实时读取图像数据。 SDRAM控制器被配置为一个64MB的ip核，控制SDRAM数据的存储和读取。片上RAM的工作频率为100MHz，通过锁相环保证了SDRAM与FPGA时钟的同步。Nios II项目在整个SDRAM中先调用Nios II系统功能，通过I2C协议确保所有的数据更快的传输。Qsys挂载PIO控制器以此来驱动GPIO的数码管等外设;UART串口与协调器通信，获取传感器采集到的数据，同时得到每个节点的RSSI值;同时里面移植了一个HPS的ip核，保证了FPGA和ARM之间的通信。

系统中FPGA模块主要完成图像采集、图像编码、图像缓存、图像显示、FPGA和HPS之间的图像交互传输与控制信号交互、HPS侧图像分析、图像编码。整个图像采集、显示、写入HPS侧DDR3的数据流图如图1所示。系统使用了PAL制式输出的CCD摄像头采集图像数据，由专用的PAL图像编码芯片ADV7180编码得到ITUR656格式的图像数据，然后在FPGA内部进行ITUR656图像格式解码得到YUV4：2：2格式图像，然后将解码得到的图像数据送入SDRAM中进行缓存。另一方面，使用FPGA从SDRAM中取出缓存的图像数据进行格式转换，最终得到24bit的RGB图像数据。根据绞股蓝叶片颜色的灰度值范围，滤除叶片以外的灰度值，统计叶片灰度值的点的个数，与原始图片像素点的比值k，就可以得到该叶片在整个图像中的大小。然后根据ZigBee传输的此叶片位置的RSSI的值，计算出此叶片的相对摄像头的距离值，如公式（2）（3）所示。

结论：

本系统利用线性CCD摄像头对绞股蓝的叶片的图像进行采集，移植FPGA2HPS高速桥，FPGA直接高速传入数据到ARM的DDR3中，通过网络将可执行文件传送到 Linux，利用C语言算法的有效判别和分析，提取对应的RGB值提取对应的RGB值，通过中值滤波算法去除光照和阴影的影响，然后将RGB的值转换为灰度值，提取出叶片颜色的范围内的灰度值的像素点，求得叶片像素点与原始图片像素点个数的比值。同时ZigBee通过传输的信号强度RSSI的值，通过算法计算得到每个节点到主控制器的距离值，就可以求得拍摄的每个叶片位置到摄像头的距离，结合计算出的像素点比值与距离比值的函数，分析求得叶片的大小，为绞股蓝生產状态判定提供了基础数据。