【文章內容簡介】 令集微處理器為體系架構設計，整個模塊結構設計如下圖所示。 19 電 阻 輸出 型 傳感 器數(shù) 字處 理單 元電 阻信 號調 理單 元電 阻 型 傳 感 器 標 準 化 接 口 模 塊接 口訪 問單 元 圖 6電 阻 型傳感器標準化接口模塊結構圖 其中 ， 信號調理單元由激勵源產(chǎn)生電路、信號濾波電路、補償電路以及專用儀表放大器構成，負責對電阻型傳感器進行激勵供 應，并對相應的激勵輸出信號進行濾波處理、信號補償和放大處理，提高信號的測量有效性；數(shù)字處理單元采用高精度模數(shù)轉換芯片、集成式數(shù)字化濾波芯片以及基準電壓產(chǎn)生電路組成，實現(xiàn)對調理電壓信號的數(shù)字化處理，具體包括模數(shù)轉化、數(shù)字濾波和基準比較；控制單元由高性能嵌入式精簡指令集微處理器、高穩(wěn)定度時鐘發(fā)生器以及時序邏輯電路組成，完成對整個標準化接口模塊的功能分配、工作時序管理以及邏輯控制；接口訪問單元則由接口控制芯片和電平驅動電路構成，提供了訪問標準化接口模塊數(shù)據(jù)處理結果的通道鏈路。 ? 脈沖型傳感器標準化接口模塊 脈沖型傳 感器標準化接口模塊用于實現(xiàn)對標準脈沖信號輸出類型傳感器的接入。根據(jù)傳感器信號接口國家標準對脈沖型輸出傳感器的定義，脈沖輸出型傳感器分為頻率型脈沖形式接口和幅值型脈沖形式接口類型，因此設計的脈沖型傳感器標準化接口模塊滿足支持上述情況的脈沖信號接入形式需求。 20 為了實現(xiàn)對脈沖輸出型傳感器的統(tǒng)一接入處理，脈沖型傳感器標準化接口模塊采用了可編程邏輯門陣列為體系架構設計，整個模塊結構設計如下圖所示。 脈 沖 輸出 型 傳感 器脈 沖信 號處 理單 元脈 沖 型 傳 感 器 標 準 化 接 口 模 塊接 口訪 問單 元 圖 7脈沖型 傳感器標準化接口模塊結構圖 其中 ， 脈沖信號處理單元由脈沖信號濾 波電路、可調式增益放大電路、脈沖捕獲電路以及脈沖觸發(fā)計數(shù)器構成，負責對脈沖信號進行濾波處理、放大處理、脈沖檢測以及脈沖發(fā)生計數(shù)處理；控制單元由可編程邏輯門陣列、高穩(wěn)定度同步時鐘發(fā)生器以及時序邏輯驅動電路組成，完成對脈沖型傳感器的接口配置、工作時序管理以及邏輯控制；接口訪問單元則由接口控制芯片和電平驅動電路構成，提供了訪問標準化接口模塊數(shù)據(jù)處理結果的通道鏈路。 對于其他符合傳感器信號接口標準的傳感器類型，可以在列舉的電流型、電壓型、電阻型和脈沖型傳感器標準化接口模塊技術路線基礎上進行相應的修改，以實現(xiàn)對多種傳 感器信號輸出類型的標準化接入過程適配處理。 針對研究內容 2：傳感器標準化接口模塊中間件設計 在傳感器數(shù)據(jù)接口國家標準基礎上，設計開發(fā)傳感器標準化接口 21 模塊中間件，通過使用標準化中間件訪問接口或標準化中間件集成庫，可實現(xiàn)傳感器標準化接口模塊能夠快速的對接入不同輸出類型的傳感器進行識別、配置、校準和狀態(tài)檢測等，從而為傳感器標準化接口模塊在集成應用設計中提供規(guī)范化的配置過程和標準化的接口管理。 針對不同類型傳感器的接入，傳感器標準化接口模塊中間件包括通道配置中間件、校準中間件以及故障檢測中間件 。 ? 通道配 置中間件 通道配置中間件用于實現(xiàn)對不同類型傳感器接入到傳感器標準化接口模塊不同通道時的配置工作，具體包括通道地址分配、通道采樣速率設定、通道濾波截止頻率設置等。 ? 校準中間件 標準中間件用于在傳感器被傳感器標準化接口模塊通道識別后，實現(xiàn)對傳感器的數(shù)據(jù)校準工作，具體包括傳感器在線標定和傳感器信號輸出補償。 ? 故障檢測中間件 故障檢測中間件用于實現(xiàn)傳感器標準化接口模塊對傳感器工作狀態(tài)的檢測，以判斷當前接入傳感器是否工作于正常狀態(tài)，具體包括故障提示信息、故障源分析以及可參考的故障診斷結果。 針對研究內容 3：可配置多目標參數(shù)智能終端 以傳感器信號接口標準和傳感器數(shù)據(jù)接口標準為基礎，設計開發(fā)面 向 傳感器 數(shù)據(jù)采集與獲取 的可配置多目標參數(shù)智能終端， 支持不同 22 類型傳感器的接入，并通過相應的中間件服務提供對接入傳感器的識別、配置、校準以及數(shù)據(jù)存儲等功能 。 基于實際的應用任務和場景模式分析，可配置多目標參數(shù)智能 終端終端 需要實現(xiàn)如下的兩個功能： ? 實現(xiàn)多類型傳感器接入 智能終端需要能實現(xiàn)對多類型傳感器接入的電氣規(guī)范一致性匹配以及通用適配處理過程，同時能完成對接入傳感器的通道配置和校準等任務。 ? 支持多應用任務配置 根據(jù)應用場景模式 和功能需求，智能終端支持多任務目標 參數(shù)配置以及可重配置接口模塊 。 為了滿足上述功能需求，智能終端采用了專用集成芯片（ ASIC）為體系架構設計，整個終端結構設計如下圖所示。 智能終端采用模塊化設計方法，主要分為面向傳感器接入的傳感器標準化接口模塊、通道訪問模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、同步時鐘模塊、專用集成芯片處理模塊、接口驅動模塊以及面向應用網(wǎng)絡接入的可重配置接口模塊。 23 圖 8 可配置多目標參數(shù)智能終端系統(tǒng)結構圖 ? 傳感器標準化接口模塊 采用研究內容 1 研究內容 2 技術路線設計，重點解決多種類型傳感器接入數(shù)據(jù)采集模塊的信號接口和數(shù)據(jù)接口匹配問題。 ? 通道訪問模塊 通道訪問模塊采用標準接口控制芯片和電平驅動電路構成，用于實現(xiàn)對標準化接口模塊數(shù)據(jù)處理結果的通信訪問。 ? 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊采用專用數(shù)字信號處理芯片和數(shù)字濾波電路構成，完成對數(shù)據(jù)的數(shù)字化濾波處理、數(shù)值分析以及模塊校準等任務。 ? 專用集成芯片處理模塊 24 專用集成芯片（ ASIC）處理模塊由封裝了第三方專業(yè)化 IP 的電路組成，具體包括數(shù)字化切比雪夫濾波器 IP、可調式數(shù)字增益放大器 IP 和功耗控制器 IP等。采用 ASIC設計可有效減小數(shù)據(jù)采集終端體積，同時達到高性能的計算處理能力，從而完成一些復雜矢量級數(shù)據(jù)處理等任務。 ? 數(shù)據(jù)存儲模塊 可配置多目標參數(shù)智能終端采用非易失性存儲芯片組成，通常為電可擦除型 ROM 或鐵電型 ROM，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊的中間數(shù)據(jù)或專用集成芯片處理模塊的用戶數(shù)據(jù)的保存 功能 。 ? 同步時鐘模塊 同步時鐘模塊采用高精度和高穩(wěn)定型有源晶體發(fā)生器組成，為整個系統(tǒng)的工作提供統(tǒng)一的時鐘參考源，保證系統(tǒng)的有序運行。 ? 接口驅動模塊 接口驅動模塊采用標準接口 控制 芯片構成，用于提供對數(shù)據(jù)采集終端接入網(wǎng)絡應用的接口驅動功能。 ? 可 重配置接口模塊 可重配置接口模塊采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（ FPGA）芯片和電平驅動電路構成，通過使用 FPGA 可根據(jù)應用接口形式進行編程模擬或下載相應總線組件庫產(chǎn)生，并通過電平驅動電路轉換為符合網(wǎng)絡總線傳輸?shù)碾姎馓匦?，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端在多任務目標參數(shù)環(huán)境中的應用。 針對研究內容 4：多目標參數(shù)智能終端應用開發(fā)平臺研制 25 終端應用開發(fā)平臺為可配置多目標參數(shù)智能終端配置過程提供軟硬件環(huán)境。該應用開發(fā)平臺具有對智能終端的自動識別、配置等功能，整個終端應用開發(fā)平臺結構圖如下所示。 圖 9終端應用開發(fā)平臺結構圖 終端應用開發(fā)平臺主要包括典數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、標準組件庫、終端應用開發(fā)界面終端、應用開發(fā)集成環(huán)境以及必要的信息服務設備等。 ? 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 存儲滿足接口標準的傳感數(shù)據(jù)描述文件及其標準符合性檢查，管理傳感數(shù)據(jù)描述文件、接口標準配置結果、平臺用戶權限管理、設備狀態(tài)管理等。 ? 終端應用開發(fā)界面 完成終端應用開發(fā)過程中的用戶交互功能，包括傳感數(shù)據(jù)描述文件的輸入輸出、人工測試用例的選擇、自動測試用例的產(chǎn)生、與接口組件與中間件交互、完成配置命令及結果的發(fā)送和獲取，給出接口標 26 準的符合性 程度等。 ? 標準化組件庫 標準化組件庫具體 包括 標準 接口數(shù)據(jù)庫訪問組件、 標準 接口界面操縱組件、傳感器系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境組件、傳感數(shù)據(jù)仿真模型組件以及與傳感器模塊相關的數(shù)據(jù)采集和處理組件等。 （ 1） 標準 接口數(shù)據(jù)庫訪問組件：用以存儲滿足接口標準的傳感數(shù)據(jù)描述文件及其標準符合性檢查，管理傳感數(shù)據(jù)描述文件、接口標準配置結果、平臺用戶權限以及設備狀態(tài)。 （ 2） 標準 接口界面操作組件：完成標準配置的用戶交互功能，包括傳感數(shù)據(jù)描述文件的輸入輸出、人工配置用例的選擇、自動配置用例的產(chǎn)生、與接口組件與中間件交互、完成配置命令及結果的發(fā)送和獲取，給出接口標準的符合性程度等。 圖 10應用開發(fā)平臺架構 標準化組件庫 的建立有助于 智能終端 的規(guī)范化配置，通過調用相應的組件庫，能快速的 實現(xiàn) 傳感器接口模塊在面向底層終端應用時的驅動配置、固件裁剪以及功耗控制等要求，同時使得傳感器接口模塊在面向網(wǎng)絡應用時的接口配置、類庫開發(fā)以及數(shù)據(jù)處理等方面符合應 27 用需求。 基于可配置多目標參數(shù)智能終端，終端應用開發(fā)平臺訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，獲得符合應用需求的標準化配置傳感器數(shù)據(jù)描述文件，以實現(xiàn)標準化的傳感數(shù)據(jù)描述，在此基礎上，應用開 發(fā)平臺調用標準化組件庫，以實現(xiàn)相應的功能目標。 面向農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用終端產(chǎn)品研發(fā) 分析農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關鍵應用領域的功能需求，以可配置多目標參數(shù)智能終端為基礎，利用應用開發(fā)平臺提供的數(shù)據(jù)管理組件、通信類型組件、終端功能配置組件、應用服務組件等標準組件庫對智能終端進行配置，研發(fā)符合農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不同應用場景的終端產(chǎn)品。 ? 土壤環(huán)境監(jiān)測終端 近年來，由于農藥、化肥的大量使用， 大田環(huán)境中的土壤環(huán)境逐漸受到污染，為此，對大田作物賴以生存的土壤土質監(jiān)測是 保證農業(yè)生產(chǎn)安全和農產(chǎn)品質量安全 的重要環(huán)節(jié)。在大田環(huán)境中，農作物分 布廣，耕種土地面積大，土壤土質的分布不均勻，且不同區(qū)域種植的農作物類型也不盡相同，如果采用人工方式來監(jiān)測大田土壤土質狀況，不僅浪費人力和時間，而且監(jiān)測效果不佳。因此如何有效地對大田土壤土質狀況進行監(jiān)測是難點之一。 為此，本項目 基于多目標參數(shù)智能終端，通過應用開發(fā)平臺對其進行配置，研發(fā)一種土壤環(huán)境監(jiān)測終端，該終端能夠通過內置的傳感器標準化接口模塊與實現(xiàn) 土壤水分 、養(yǎng)分 、溫度、氣體等土壤環(huán)境監(jiān)測 傳感器對接，讀取大田土壤環(huán)境數(shù)據(jù) ，構建一個大田土壤環(huán)境信息 28 監(jiān)測系統(tǒng)。 土壤環(huán)境監(jiān)測終端 的 系統(tǒng) 結構如 下 圖所示。 圖 11大田土壤環(huán)境監(jiān)測終端結構圖 其中，土壤水分傳感器用于測量大田土壤中的水分含量；土壤養(yǎng)分傳感器采用市場上已有的土壤養(yǎng)分速測儀，用來測量土壤中的速效氮、速效磷、有效鉀、全氮、全磷、全鉀、有機質含量、土壤酸堿度以及土壤含鹽量等參數(shù)；土壤氣體傳感器采用專用的土壤氣體專用測量儀，主要用于測量土壤中的二氧化碳、氧氣、氮氣等成分；土壤溫度傳感器用于測量大田土壤中的溫度值。 土壤環(huán)境監(jiān)測終端內置的傳感器標準化接口模塊提供了對以上不同信號輸出類型 土壤環(huán)境監(jiān)測 傳感器的支持，使得傳感器 的接入方式標準化和通用化。 ? 農用水質監(jiān)測 終端 29 近年來，由于農藥、化肥的大量使用， 農作物生長的 水質 環(huán)境 逐漸受到污染。同時，由于氣象變化無常， 農作物 經(jīng)常受到旱澇的威脅。就大田作物而言，關鍵的生長要素就是大田中的水位和水質，為此，對大田作物賴以生存的水位和水質進行監(jiān)測是指導農民安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。在大田環(huán)境中，農作物分布廣，耕種土地面積大，水質分布的情況不均勻，如果采用人工方式來監(jiān)測大田土壤土質狀況，不僅浪費人力和時間，而且監(jiān)測效果不佳。因此如何有效地對大田農用水質狀況進行監(jiān)測是難點之一。 為此，本項 目 基于多目標 參數(shù)智能終端，通過應用開發(fā)平臺對其進行配置，研發(fā)一種農用水質監(jiān)測 終端，該終端能夠通過內置的傳感器標準化接口模塊與實現(xiàn)水位、水質、 Ph值等 水質 監(jiān)測傳感器對接，讀取水質參數(shù)， 構建一個大田農用水質信息監(jiān)測 系統(tǒng) 。 農用水質檢測終端 的系統(tǒng)結構如 下 圖所示。 溫 度傳 感 器接 口 模 塊 接 口 模 塊 接 口 模 塊水 位傳 感 器P h 值傳 感 器傳 感 器 標 準 化 接 口 模 塊接 口 模 塊水 質傳 感 器應 用 總 線 接 口 模 塊主 控 制 單 元時 鐘 模 塊數(shù) 據(jù) 存 儲電 源 模 塊通 道 訪 問農 用 水 質 監(jiān) 測終 端 圖 12農用水質監(jiān)測終端結構圖 30 其中，水分溫度傳感器用于測量大田農用水質的水分溫度；水位傳感器用于測量大田農