基于μC／OS-Ⅱ農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計

摘要：以高性能的S3CA4BOX芯片為處理器核心，結(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，設(shè)計并實現(xiàn)了實時性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)；構(gòu)建了嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺，詳細(xì)闡述了應(yīng)用軟件的任務(wù)設(shè)計、優(yōu)先級安排和各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)過理論和實驗證明，該農(nóng)田信息采集系統(tǒng)性能優(yōu)良，可靠性高。
關(guān)鍵詞：μC／OS-Ⅱ；農(nóng)田信息采集；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；任務(wù)

0 引言
    精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心問題可敘述為信息獲取、農(nóng)田信息管理和分析、決策分析、決策的農(nóng)田實施四大部分。其中農(nóng)田基礎(chǔ)信息(土壤養(yǎng)分、濕度、理化性狀、苗情、病蟲草害)的獲取和處理是精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的起點。如果這個問題解決不好就很難真正地實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。農(nóng)田信息主要包括地理環(huán)境、土壤環(huán)境、小氣候、水環(huán)境、與作物生長狀況相關(guān)的信息以及管理信息等，具有量大、多維(信息多種多樣)、動態(tài)、不確定(系統(tǒng)的噪聲或隨機(jī)噪聲)、不完整、時空變異性強(qiáng)等特點。在精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中，目前優(yōu)先需要考慮的是土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤壓實、耕作層深度和作物病蟲草害及作物苗情分布信息等，要求能夠定位、快速、精確、連續(xù)地測量。傳統(tǒng)的實驗室分析方法已很難滿足這一要求，為此，需要開發(fā)適用于精細(xì)農(nóng)業(yè)的農(nóng)田信息快速采集技術(shù)。本設(shè)計以S3CA4B0X為主體，構(gòu)建農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的硬件平臺，并在S3CA4B0X內(nèi)部嵌入μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時響應(yīng)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性、可移植性。

1 μC／OS-Ⅱ簡介
    嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的全名是Micro-Controller Operating System Version2，是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息隊列)和內(nèi)存管理等功能。
    μC／OS-Ⅱ采用微內(nèi)核設(shè)計，使用C語言編寫，追求編程的靈活性，可配置、可裁剪、可擴(kuò)充、可移植。μC／OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)先級算法采用查表法，切換速度快。μC／OS-Ⅱ可以處理和調(diào)度多達(dá)64個任務(wù)，目前有8個留給系統(tǒng)使用，應(yīng)用程序可使用多達(dá)56個任務(wù)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
2．1 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)主要由通訊模塊、農(nóng)田數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理及存儲模塊幾部分組成。主要完成以下幾個方面功能：
    (1)在農(nóng)田信息采樣時，通訊模塊接收全球定位系統(tǒng)GPS經(jīng)緯度位置信息，數(shù)據(jù)采集模塊完成田間土壤參數(shù)信息的采集，系統(tǒng)的多個模擬信號輸入通道與田間土壤水分、溫度、養(yǎng)分等傳感器探針相連，測量田間土壤的水分、養(yǎng)分、溫度等參數(shù)值，然后與上位計算機(jī)相連，進(jìn)行處理。
    (2)在工作室進(jìn)行農(nóng)田數(shù)據(jù)處理時，通訊模塊將采集的農(nóng)田數(shù)據(jù)傳給計算機(jī)，計算機(jī)上的軟件進(jìn)行一系列處理，最終生成田間土壤水分分布圖、養(yǎng)分分布圖和溫度變化圖等并保存。
    (3)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)擴(kuò)展CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)接口后，可與農(nóng)機(jī)機(jī)械的(拖拉機(jī)、收割機(jī)等)CAN控制總線相連接，幫助駕駛員駕駛農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間實施農(nóng)業(yè)操作。在需要進(jìn)行自動變量施肥、變量噴灑農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)作業(yè)中，要求農(nóng)機(jī)機(jī)械在特定的農(nóng)田中采取特定的行進(jìn)速度，以達(dá)到噴撒物的劑量與農(nóng)田作業(yè)的要求相適應(yīng)。并依據(jù)農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)和專家系統(tǒng)提供的農(nóng)機(jī)機(jī)械作業(yè)路線，使駕駛員操作農(nóng)機(jī)機(jī)械按照電子地圖上設(shè)計的行走路線行走，從而完成播種、施肥、滅蟲、灌溉、收割等工作，包括完成耕地深度、施肥量、灌溉量的控制任務(wù)等。
2．2 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的硬件方案
    本系統(tǒng)以嵌入式微處理器ARM S3C44B0X芯片為核心，包括傳感器信息采集電路、串口通訊電路、GPS通訊電路、擴(kuò)展的CAN總線、數(shù)據(jù)存儲電路、液晶屏顯示電路、鍵盤接口電路以及功能鍵盤等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)
3．1 μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)在S3CA4B0X芯片上的移植
    在嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中，每個任務(wù)都是相互獨立的，而且會發(fā)生頻繁的任務(wù)轉(zhuǎn)換，為了使轉(zhuǎn)換的任務(wù)能夠返回到原來的斷點，所以必須得把與轉(zhuǎn)換的任務(wù)運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)的各種寄存器和變量全部保存起來。這就是定義構(gòu)造一個用戶任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，來保證多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這種堆棧結(jié)構(gòu)保存了與各個轉(zhuǎn)換的任務(wù)運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)的所有寄存器變量，而且所有任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)必須完全一致，這樣才能用統(tǒng)一的任務(wù)切換程序在任務(wù)之間作頻繁的任務(wù)轉(zhuǎn)換，而且還要求不會破壞各個任務(wù)的實時運(yùn)行環(huán)境。因此在建立每一個新任務(wù)的同時，必須為該任務(wù)分配一定的系統(tǒng)資源，包括一個任務(wù)棧、一個任務(wù)控制塊，并將與該任務(wù)密切相關(guān)的各個變量，比如任務(wù)優(yōu)先級別、堆棧大小等變量保存到任務(wù)控制塊中，同時還得完全按照任務(wù)堆棧初始化結(jié)構(gòu)那樣初始化該任務(wù)的任務(wù)堆棧，然后將任務(wù)堆棧的棧頂指針保存到該任務(wù)控制塊的相應(yīng)位置。
    移植工作主要是改寫OS_CPU．H，OS_CPUA．ASM，OS_CPU．C，OS_CFGH，INCLUDES．H，其中與處理器相關(guān)的文件為：OS_CPU．H，OS_CP U．C，OS_CPU_．A．ASM。μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    在數(shù)據(jù)類型定義中，S3C44B0X芯片是32位處理器，但是，μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)所處理的仍然是INT16U。用戶必須將任務(wù)堆棧的數(shù)據(jù)類型告訴給μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)。這個過程是通過為OS_STK聲明正確的C數(shù)據(jù)類型來完成的。S3C44B0X芯片的堆棧成員是16位的，所以將OS_TsK聲明為無符號整形數(shù)據(jù)類型，定義如下：
    tyPedefunsignedlong OS_STK；
    堆棧增長方向OS_STK_GROWTH定義如下：
    #defin OS_STK_GROWTH左堆棧增長方向為從上往下增長
    #define STACKSIZE256／μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)需要先禁止中斷訪問代碼的臨界區(qū)，并且在訪問完畢后重新允許中斷。
    與所有的實時內(nèi)核一樣，μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)需要先禁止中斷再訪問代碼的臨界區(qū)，并且在訪問完畢后重新允許中斷。這就使得μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)能夠保護(hù)臨界區(qū)代碼免受多任務(wù)或中斷服務(wù)例程的破壞。在S3CA4B0X芯片上是通過兩個函數(shù)(OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_RITICAL())實現(xiàn)開關(guān)中斷的。
3．2 任務(wù)優(yōu)先級及任務(wù)關(guān)聯(lián)設(shè)計
    在本項目中，為實現(xiàn)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的功能要求，在μC／OS-Ⅱ中設(shè)計以下任務(wù)：時鐘節(jié)拍任務(wù)、鍵盤任務(wù)、顯示任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)(土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤壓實、多點溫度數(shù)據(jù)采集)、數(shù)據(jù)處理及存儲任務(wù)、串口通訊任務(wù)。數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理與存儲任務(wù)設(shè)置為周期性任務(wù)。在這些任務(wù)中，μC／OS-Ⅱ時鐘節(jié)拍服務(wù)是通過中斷服務(wù)子程序調(diào)用時鐘節(jié)拍函數(shù)來實現(xiàn)的。因而采用定時器1產(chǎn)生中斷，定時周期10ms。除此以外，該函數(shù)還要啟動A／D轉(zhuǎn)換以及每隔一段時間發(fā)送消息給相應(yīng)的任務(wù)，從而觸發(fā)相應(yīng)的任務(wù)執(zhí)行等。因此，優(yōu)先級最高；數(shù)據(jù)采集任務(wù)、串口接收任務(wù)和串口發(fā)送任務(wù)實時性要求比較高。其中，串口接收任務(wù)是關(guān)鍵任務(wù)和緊迫任務(wù)，遺漏接收內(nèi)容是不允許的；數(shù)據(jù)采集任務(wù)是緊迫任務(wù)，但不是關(guān)鍵任務(wù)，遺漏一個數(shù)據(jù)還不至于發(fā)生重大問題；在串行口發(fā)送任務(wù)中，CPU是主動方，慢一些也可行，只要將數(shù)據(jù)發(fā)出去就可以。顯示任務(wù)和鍵盤任務(wù)是人機(jī)接口任務(wù)，實時性要求較低。由于顯示任務(wù)要等數(shù)據(jù)處理及存儲任務(wù)所得的數(shù)據(jù)，故數(shù)據(jù)處理及存儲任務(wù)的優(yōu)先級可安排得比鍵盤任務(wù)和顯示任務(wù)高一些。農(nóng)機(jī)設(shè)備控制任務(wù)的實時性要得到保證，因此要設(shè)為較高優(yōu)先級。
    由于系統(tǒng)的實際運(yùn)行效果是各個任務(wù)配合運(yùn)行的結(jié)果，這種配合過程又是通過操作系統(tǒng)的管理來實現(xiàn)的，即通過調(diào)用操作系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)來實現(xiàn)的。“何時調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)”和“調(diào)用什么系統(tǒng)服務(wù)”是任務(wù)設(shè)計中的關(guān)鍵問題，這個問題與任務(wù)之間的相互關(guān)聯(lián)程度有關(guān)，需要通過分析這種關(guān)聯(lián)關(guān)系才能確定。為了進(jìn)行任務(wù)設(shè)計，必須把這些任務(wù)之間的相互關(guān)系搞清楚。

    根據(jù)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)功能需求，設(shè)計任務(wù)關(guān)聯(lián)圖如圖3所示。系統(tǒng)應(yīng)用軟件包含10個任務(wù)：傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)為周期性任務(wù)，以一定的時間間隔采集數(shù)據(jù)，通過消息隊列將所采集數(shù)據(jù)傳輸給LCD顯示任務(wù)，并通過郵箱1#傳遞給數(shù)據(jù)處理與存儲任務(wù)，同時，GPS接收的位置信息通過郵箱2#及時插入采集的數(shù)據(jù)當(dāng)中；數(shù)據(jù)處理與存儲任務(wù)以信號量1#將數(shù)據(jù)通過串口通訊任務(wù)傳遞給計算機(jī)，并在計算機(jī)上生成田間土壤水分分布圖、養(yǎng)分分布圖和溫度變化圖等數(shù)據(jù)，計算機(jī)生成的數(shù)據(jù)又經(jīng)串口通訊任務(wù)由信號量2#發(fā)給擴(kuò)展CAN總線任務(wù)，以此來控制農(nóng)田機(jī)械設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的程序，完成自動變量施肥、變量噴灑農(nóng)藥等；鍵盤掃描任務(wù)、數(shù)據(jù)處理與存儲任務(wù)等和顯示任務(wù)同步，以消息隊列1#通知顯示任務(wù)更新顯示。

4 結(jié)束語
    本文以嵌入式微處理器S3CA4B0X芯片為主體，構(gòu)建農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的軟硬件平臺，分析了μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的特點，并在嵌入式微處理器S3C44B0X芯片內(nèi)嵌入μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，闡述了基于μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。由此開發(fā)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度快，并實現(xiàn)軟件設(shè)計模塊化，可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時響應(yīng)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性、可移植性，有著廣泛的應(yīng)用前景。