【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 令集微處理器為體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hào)調(diào) 理單 元電 阻 型 傳 感 器 標(biāo) 準(zhǔn) 化 接 口 模 塊接 口訪 問(wèn)單 元 圖 6電 阻 型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊結(jié)構(gòu)圖 其中 ， 信號(hào)調(diào)理單元由激勵(lì)源產(chǎn)生電路、信號(hào)濾波電路、補(bǔ)償電路以及專用儀表放大器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)電阻型傳感器進(jìn)行激勵(lì)供 應(yīng)，并對(duì)相應(yīng)的激勵(lì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理、信號(hào)補(bǔ)償和放大處理，提高信號(hào)的測(cè)量有效性；數(shù)字處理單元采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、集成式數(shù)字化濾波芯片以及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)理電壓信號(hào)的數(shù)字化處理，具體包括模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波和基準(zhǔn)比較；控制單元由高性能嵌入式精簡(jiǎn)指令集微處理器、高穩(wěn)定度時(shí)鐘發(fā)生器以及時(shí)序邏輯電路組成，完成對(duì)整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊的功能分配、工作時(shí)序管理以及邏輯控制；接口訪問(wèn)單元?jiǎng)t由接口控制芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，提供了訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊數(shù)據(jù)處理結(jié)果的通道鏈路。 ? 脈沖型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊 脈沖型傳 感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)輸出類型傳感器的接入。根據(jù)傳感器信號(hào)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(shè)計(jì)的脈沖型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊滿足支持上述情況的脈沖信號(hào)接入形式需求。 20 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖輸出型傳感器的統(tǒng)一接入處理，脈沖型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊采用了可編程邏輯門陣列為體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示。 脈 沖 輸出 型 傳感 器脈 沖信 號(hào)處 理單 元脈 沖 型 傳 感 器 標(biāo) 準(zhǔn) 化 接 口 模 塊接 口訪 問(wèn)單 元 圖 7脈沖型 傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊結(jié)構(gòu)圖 其中 ， 脈沖信號(hào)處理單元由脈沖信號(hào)濾 波電路、可調(diào)式增益放大電路、脈沖捕獲電路以及脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波處理、放大處理、脈沖檢測(cè)以及脈沖發(fā)生計(jì)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(shí)鐘發(fā)生器以及時(shí)序邏輯驅(qū)動(dòng)電路組成，完成對(duì)脈沖型傳感器的接口配置、工作時(shí)序管理以及邏輯控制；接口訪問(wèn)單元?jiǎng)t由接口控制芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，提供了訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊數(shù)據(jù)處理結(jié)果的通道鏈路。 對(duì)于其他符合傳感器信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化接口模塊技術(shù)路線基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的修改，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種傳 感器信號(hào)輸出類型的標(biāo)準(zhǔn)化接入過(guò)程適配處理。 針對(duì)研究?jī)?nèi)容 2：傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊中間件設(shè)計(jì) 在傳感器數(shù)據(jù)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口 21 模塊中間件，通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化中間件訪問(wèn)接口或標(biāo)準(zhǔn)化中間件集成庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊能夠快速的對(duì)接入不同輸出類型的傳感器進(jìn)行識(shí)別、配置、校準(zhǔn)和狀態(tài)檢測(cè)等，從而為傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊在集成應(yīng)用設(shè)計(jì)中提供規(guī)范化的配置過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)化的接口管理。 針對(duì)不同類型傳感器的接入，傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊中間件包括通道配置中間件、校準(zhǔn)中間件以及故障檢測(cè)中間件 。 ? 通道配 置中間件 通道配置中間件用于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型傳感器接入到傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊不同通道時(shí)的配置工作，具體包括通道地址分配、通道采樣速率設(shè)定、通道濾波截止頻率設(shè)置等。 ? 校準(zhǔn)中間件 標(biāo)準(zhǔn)中間件用于在傳感器被傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊通道識(shí)別后，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工作，具體包括傳感器在線標(biāo)定和傳感器信號(hào)輸出補(bǔ)償。 ? 故障檢測(cè)中間件 故障檢測(cè)中間件用于實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊對(duì)傳感器工作狀態(tài)的檢測(cè)，以判斷當(dāng)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(jié)果。 針對(duì)研究?jī)?nèi)容 3：可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端 以傳感器信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)和傳感器數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)面 向 傳感器 數(shù)據(jù)采集與獲取 的可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端， 支持不同 22 類型傳感器的接入，并通過(guò)相應(yīng)的中間件服務(wù)提供對(duì)接入傳感器的識(shí)別、配置、校準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能 。 基于實(shí)際的應(yīng)用任務(wù)和場(chǎng)景模式分析，可配置多目標(biāo)參數(shù)智能 終端終端 需要實(shí)現(xiàn)如下的兩個(gè)功能： ? 實(shí)現(xiàn)多類型傳感器接入 智能終端需要能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程，同時(shí)能完成對(duì)接入傳感器的通道配置和校準(zhǔn)等任務(wù)。 ? 支持多應(yīng)用任務(wù)配置 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景模式 和功能需求，智能終端支持多任務(wù)目標(biāo) 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(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示。 智能終端采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要分為面向傳感器接入的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊、通道訪問(wèn)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、同步時(shí)鐘模塊、專用集成芯片處理模塊、接口驅(qū)動(dòng)模塊以及面向應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)接入的可重配置接口模塊。 23 圖 8 可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ? 傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊 采用研究?jī)?nèi)容 1 研究?jī)?nèi)容 2 技術(shù)路線設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決多種類型傳感器接入數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)接口和數(shù)據(jù)接口匹配問(wèn)題。 ? 通道訪問(wèn)模塊 通道訪問(wèn)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)接口控制芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊數(shù)據(jù)處理結(jié)果的通信訪問(wèn)。 ? 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(hào)處理芯片和數(shù)字濾波電路構(gòu)成，完成對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)字化濾波處理、數(shù)值分析以及模塊校準(zhǔn)等任務(wù)。 ? 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?yàn)V波器 IP、可調(diào)式數(shù)字增益放大器 IP 和功耗控制器 IP等。采用 ASIC設(shè)計(jì)可有效減小數(shù)據(jù)采集終端體積，同時(shí)達(dá)到高性能的計(jì)算處理能力，從而完成一些復(fù)雜矢量級(jí)數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。 ? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端采用非易失性存儲(chǔ)芯片組成，通常為電可擦除型 ROM 或鐵電型 ROM，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊的中間數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ眉尚酒幚砟K的用戶數(shù)據(jù)的保存 功能 。 ? 同步時(shí)鐘模塊 同步時(shí)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(gè)系統(tǒng)的工作提供統(tǒng)一的時(shí)鐘參考源，保證系統(tǒng)的有序運(yùn)行。 ? 接口驅(qū)動(dòng)模塊 接口驅(qū)動(dòng)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)接口 控制 芯片構(gòu)成，用于提供對(duì)數(shù)據(jù)采集終端接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的接口驅(qū)動(dòng)功能。 ? 可 重配置接口模塊 可重配置接口模塊采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（ FPGA）芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，通過(guò)使用 FPGA 可根據(jù)應(yīng)用接口形式進(jìn)行編程模擬或下載相應(yīng)總線組件庫(kù)產(chǎn)生，并通過(guò)電平驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為符合網(wǎng)絡(luò)總線傳輸?shù)碾姎馓匦裕罱K實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端在多任務(wù)目標(biāo)參數(shù)環(huán)境中的應(yīng)用。 針對(duì)研究?jī)?nèi)容 4：多目標(biāo)參數(shù)智能終端應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)研制 25 終端應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)為可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端配置過(guò)程提供軟硬件環(huán)境。該應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)具有對(duì)智能終端的自動(dòng)識(shí)別、配置等功能，整個(gè)終端應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如下所示。 圖 9終端應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 終端應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)主要包括典數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)、終端應(yīng)用開發(fā)界面終端、應(yīng)用開發(fā)集成環(huán)境以及必要的信息服務(wù)設(shè)備等。 ? 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 存儲(chǔ)滿足接口標(biāo)準(zhǔn)的傳感數(shù)據(jù)描述文件及其標(biāo)準(zhǔn)符合性檢查，管理傳感數(shù)據(jù)描述文件、接口標(biāo)準(zhǔn)配置結(jié)果、平臺(tái)用戶權(quán)限管理、設(shè)備狀態(tài)管理等。 ? 終端應(yīng)用開發(fā)界面 完成終端應(yīng)用開發(fā)過(guò)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(cè)試用例的選擇、自動(dòng)測(cè)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(jié)果的發(fā)送和獲取，給出接口標(biāo) 26 準(zhǔn)的符合性 程度等。 ? 標(biāo)準(zhǔn)化組件庫(kù) 標(biāo)準(zhǔn)化組件庫(kù)具體 包括 標(biāo)準(zhǔn) 接口數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)組件、 標(biāo)準(zhǔn) 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(guān)的數(shù)據(jù)采集和處理組件等。 （ 1） 標(biāo)準(zhǔn) 接口數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)組件：用以存儲(chǔ)滿足接口標(biāo)準(zhǔn)的傳感數(shù)據(jù)描述文件及其標(biāo)準(zhǔn)符合性檢查，管理傳感數(shù)據(jù)描述文件、接口標(biāo)準(zhǔn)配置結(jié)果、平臺(tái)用戶權(quán)限以及設(shè)備狀態(tài)。 （ 2） 標(biāo)準(zhǔn) 接口界面操作組件：完成標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(jié)果的發(fā)送和獲取，給出接口標(biāo)準(zhǔn)的符合性程度等。 圖 10應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)架構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)化組件庫(kù) 的建立有助于 智能終端 的規(guī)范化配置，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的組件庫(kù)，能快速的 實(shí)現(xiàn) 傳感器接口模塊在面向底層終端應(yīng)用時(shí)的驅(qū)動(dòng)配置、固件裁剪以及功耗控制等要求，同時(shí)使得傳感器接口模塊在面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)的接口配置、類庫(kù)開發(fā)以及數(shù)據(jù)處理等方面符合應(yīng) 27 用需求。 基于可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端，終端應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，獲得符合應(yīng)用需求的標(biāo)準(zhǔn)化配置傳感器數(shù)據(jù)描述文件，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的傳感數(shù)據(jù)描述，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用開 發(fā)平臺(tái)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化組件庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能目標(biāo)。 面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用終端產(chǎn)品研發(fā) 分析農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的功能需求，以可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端為基礎(chǔ)，利用應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)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(yīng)用服務(wù)組件等標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)對(duì)智能終端進(jìn)行配置，研發(fā)符合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的終端產(chǎn)品。 ? 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)終端 近年來(lái)，由于農(nóng)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(duì)大田作物賴以生存的土壤土質(zhì)監(jiān)測(cè)是 保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全 的重要環(huán)節(jié)。在大田環(huán)境中，農(nóng)作物分 布廣，耕種土地面積大，土壤土質(zhì)的分布不均勻，且不同區(qū)域種植的農(nóng)作物類型也不盡相同，如果采用人工方式來(lái)監(jiān)測(cè)大田土壤土質(zhì)狀況，不僅浪費(fèi)人力和時(shí)間，而且監(jiān)測(cè)效果不佳。因此如何有效地對(duì)大田土壤土質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是難點(diǎn)之一。 為此，本項(xiàng)目 基于多目標(biāo)參數(shù)智能終端，通過(guò)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行配置，研發(fā)一種土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)終端，該終端能夠通過(guò)內(nèi)置的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊與實(shí)現(xiàn) 土壤水分 、養(yǎng)分 、溫度、氣體等土壤環(huán)境監(jiān)測(cè) 傳感器對(duì)接，讀取大田土壤環(huán)境數(shù)據(jù) ，構(gòu)建一個(gè)大田土壤環(huán)境信息 28 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)終端 的 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)如 下 圖所示。 圖 11大田土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)圖 其中，土壤水分傳感器用于測(cè)量大田土壤中的水分含量；土壤養(yǎng)分傳感器采用市場(chǎng)上已有的土壤養(yǎng)分速測(cè)儀，用來(lái)測(cè)量土壤中的速效氮、速效磷、有效鉀、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)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(cè)量?jī)x，主要用于測(cè)量土壤中的二氧化碳、氧氣、氮?dú)獾瘸煞?；土壤溫度傳感器用于測(cè)量大田土壤中的溫度值。 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)終端內(nèi)置的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊提供了對(duì)以上不同信號(hào)輸出類型 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè) 傳感器的支持，使得傳感器 的接入方式標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。 ? 農(nóng)用水質(zhì)監(jiān)測(cè) 終端 29 近年來(lái)，由于農(nóng)藥、化肥的大量使用， 農(nóng)作物生長(zhǎng)的 水質(zhì) 環(huán)境 逐漸受到污染。同時(shí)，由于氣象變化無(wú)常， 農(nóng)作物 經(jīng)常受到旱澇的威脅。就大田作物而言，關(guān)鍵的生長(zhǎng)要素就是大田中的水位和水質(zhì)，為此，對(duì)大田作物賴以生存的水位和水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是指導(dǎo)農(nóng)民安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。在大田環(huán)境中，農(nóng)作物分布廣，耕種土地面積大，水質(zhì)分布的情況不均勻，如果采用人工方式來(lái)監(jiān)測(cè)大田土壤土質(zhì)狀況，不僅浪費(fèi)人力和時(shí)間，而且監(jiān)測(cè)效果不佳。因此如何有效地對(duì)大田農(nóng)用水質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是難點(diǎn)之一。 為此，本項(xiàng) 目 基于多目標(biāo) 參數(shù)智能終端，通過(guò)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行配置，研發(fā)一種農(nóng)用水質(zhì)監(jiān)測(cè) 終端，該終端能夠通過(guò)內(nèi)置的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊與實(shí)現(xiàn)水位、水質(zhì)、 Ph值等 水質(zhì) 監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)接，讀取水質(zhì)參數(shù)， 構(gòu)建一個(gè)大田農(nóng)用水質(zhì)信息監(jiān)測(cè) 系統(tǒng) 。 農(nóng)用水質(zhì)檢測(cè)終端 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(biāo) 準(zhǔn) 化 接 口 模 塊接 口 模 塊水 質(zhì)傳 感 器應(yīng) 用 總 線 接 口 模 塊主 控 制 單 元時(shí) 鐘 模 塊數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ)電 源 模 塊通 道 訪 問(wèn)農(nóng) 用 水 質(zhì) 監(jiān) 測(cè)終 端 圖 12農(nóng)用水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)圖 30 其中，水分溫度傳感器用于測(cè)量大田農(nóng)用水質(zhì)的水分溫度；水位傳感器用于測(cè)量大田農(nóng)