淺談基于Apollo2 mcu的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

上海潤欣科技股份有限公司

導(dǎo)語

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)所在，它能夠通過傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)作物的各種生長狀況，和各類環(huán)境數(shù)據(jù)。通過聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的比對(duì)獲取，并通過智能硬件提供適合作物生長的最佳溫度，濕度，酸堿鹽等。

在在智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的道路上，一直存在一個(gè)難關(guān)。那就是關(guān)于智能硬件供電問題。數(shù)據(jù)采集接口由智能硬件提供，面對(duì)超大范圍的組網(wǎng)，電纜不可能布置到每一個(gè)點(diǎn)上。那么對(duì)于智能硬件功耗的要求就非常高。

Ambiq 擁有的亞閥值功率優(yōu)化技術(shù)專利，使得其能耗比性能相當(dāng)?shù)?a target="_blank">mcu 低個(gè)5至10倍，這個(gè)技術(shù)重新定義了“低功耗”。正因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)，Apollo2 mcu 也是最適合智慧農(nóng)業(yè)智能硬件的主mcu 。 14位的ADC，6組 I2C接口，2組UART，等豐富的外設(shè)接口，能夠保證各類傳感器的需求。

智能硬件低功耗設(shè)計(jì)及各類驅(qū)動(dòng)接口

1、低功耗設(shè)計(jì)

Apollo2 mcu 可以直接使用官方移植好的FreeRTOS。系統(tǒng)中通過以下設(shè)定，選擇需要保留的FLASH，SRAM大小。同時(shí)也能夠選擇各類外設(shè)接口的開斷電。

Am_hal_pwrctrl_memory_enable 主要是針對(duì)flash 和 SRAM?？蛇x大小如下;

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_CACHE

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_CACHE_DIS

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_FLASH512K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_FLASH1M

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM8K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM16K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM24K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM32K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM64K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM96K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM128K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM160K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM192K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM224K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_SRAM256K

AM_HAL_PWRCTRL_MEMEN_ALL (the default, power-up state)

而am_hal_pwrctrl_periph_enable主要是對(duì)外設(shè)接口的使能，可選范圍：

AM_HAL_PWRCTRL_PWRONSTATUS_IOS_UARTS

AM_HAL_PWRCTRL_PWRONSTATUS_IOM_3_5

AM_HAL_PWRCTRL_PWRONSTATUS_IOM_0_2

AM_HAL_PWRCTRL_PWRONSTATUS_ADC

AM_HAL_PWRCTRL_PWRONSTATUS_PDM

如果客戶沒有連續(xù)采集或者傳輸要求，在低功耗模式下，都按最小flash和SRAM保留，接口使用完之后進(jìn)行斷電關(guān)閉。

2、使用spi接口點(diǎn)亮OLED屏

首先是開啟IOM_0_2的POWER（根據(jù)個(gè)人選擇那組IO決定）緊接著進(jìn)行初始化SPI，初始化OLED，執(zhí)行顯示代碼，關(guān)閉OLED，關(guān)閉SPI POWER。粗略流程如下：

Apollo2 MCU 的SPI和I2C 是共用IOM接口，所以在配置上面沒有太大的區(qū)別。需要修改的是Mode 選擇（AM_HAL_IOM_SPIMODE/ AM_HAL_IOM_I2CMODE），和對(duì)應(yīng)的GPIO口配置。而速率，時(shí)鐘極性和相位，讀寫的字符長度都是在config里面進(jìn)行修改。

3、UART是常用的異步串口通信協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)是以字節(jié)形式，一位位串行輸出。

（1）幾個(gè)重要的位置

1） 起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”的信號(hào)，表示傳輸字符開始。

2） 數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)靠時(shí)鐘進(jìn)行定位，數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)可以由用戶決定。

3） 奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)），以次來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。

4）停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供設(shè)備之間時(shí)鐘的校準(zhǔn)。

圖1

各個(gè)位的配置，在am_hal_uart_config_t中完成：

（2）Apollo2 mcu ，UART的初始化程序如下：

uart_init(uint32_t ui32Module)

{

// Make sure the UART RX and TX pins are enabled

am_bsp_pin_enable(COM_UART_TX);

am_bsp_pin_enable(COM_UART_RX);

//

// Power on the selected UART

//

am_hal_uart_pwrctrl_enable(ui32Module);

am_hal_uart_clock_enable(ui32Module);

//

// Disable the UART before configuring it.

//

am_hal_uart_disable(ui32Module);

//

// Configure the UART.

//

am_hal_uart_config(ui32Module, &g_sUartConfig);

//

// Enable the UART FIFO.

//

am_hal_uart_fifo_config(ui32Module, AM_HAL_UART_TX_FIFO_1_2 | AM_HAL_UART_RX_FIFO_1_2);

am_hal_uart_enable(ui32Module);

}

（3） 在使用串口需要注意兩點(diǎn)：

第一：串口數(shù)據(jù)傳輸，有可能會(huì)被各類更高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷，所以為了保證數(shù)據(jù)的完整性，應(yīng)該設(shè)置中斷保護(hù)機(jī)制。

第二：因?yàn)榇谳敵鲂枰欢ǖ拇蛴r(shí)間，如果時(shí)間不足，同樣會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整或者丟失。可以調(diào)用以下方法解決：

Void uart_transmit_delay(uint32_t ui32Module)

{

//

// Wait until busy bit clears to make sure UART fully transmitted last byte

//

while ( am_hal_uart_flags_get(ui32Module) & AM_HAL_UART_FR_BUSY );

}

使用例子如下列代碼：

am_util_stdio_printf("Hello World!\t\n\n");

uart_transmit_delay(ui32Module);

4、ADC轉(zhuǎn)換

通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)。這是一個(gè)，把經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)量比較處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成以二進(jìn)制數(shù)值表示的一個(gè)過程。故任何一個(gè)ADC轉(zhuǎn)換都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。

（1）Apollo mcu 的最大可轉(zhuǎn)換信號(hào)為3.3V，但他的參考電壓分提供四種參考類型：

-內(nèi)部參考電壓1.5V AM_HAL_ADC_REF_INT_1P5

-內(nèi)部參考電壓2V AM_HAL_ADC_REF_INT_2P0

-外部參考電壓1.5V AM_HAL_ADC_REF_EXT_1P5

-外部參考電壓2V AM_HAL_ADC_REF_EXT_2P0

這4部分，可以在代碼配置當(dāng)中選擇：

sADCConfig.ui32Reference = AM_HAL_ADC_REF_INT_2P0;

（2）Apollo2 mcu提供的三種工作模式：

1）模式0，ADC進(jìn)行料需采集，延時(shí)基本為0

2）模式1，ADC在樣本采集之間是關(guān)閉的，但是不需要重新校準(zhǔn)，延時(shí)<50us

3）模式2，ADC在樣本采集之間完全斷電，需要重新校準(zhǔn)（初始化ADC），延時(shí)<600us

三種模式的主要差異，是轉(zhuǎn)換間隔，模式一適用于長時(shí)間，不間斷的進(jìn)行轉(zhuǎn)換，模式二是短間隔，中間從新啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換快速。模式三轉(zhuǎn)換中間可以完全關(guān)閉ADC，但是重新啟動(dòng)時(shí)也需要重新配置校準(zhǔn)ADC。

圖2

（3）代碼配置

考慮到環(huán)境數(shù)據(jù)不會(huì)快速改變，所以這里選用模式2 。通過軟件定時(shí)器喚醒ADC進(jìn)行檢測(cè)，從而達(dá)到最低功耗的效果。配置ADC代碼如下：（參考電壓 內(nèi)部2.0V 、14位精度、LPOWER2模式、掃描一次）

Void adc_config(void)

{

am_hal_adc_config_t sADCConfig;

//

// Enable the ADC power domain.

//

am_hal_pwrctrl_periph_enable(AM_HAL_PWRCTRL_ADC);

//

// Set up the ADC configuration parameters. These settings are reasonable

// for accurate measurements at a low sample rate.

//

sADCConfig.ui32Clock = AM_HAL_ADC_CLOCK_HFRC;

sADCConfig.ui32TriggerConfig = AM_HAL_ADC_TRIGGER_SOFT;

sADCConfig.ui32Reference = AM_HAL_ADC_REF_INT_2P0;

sADCConfig.ui32ClockMode = AM_HAL_ADC_CK_LOW_POWER;

sADCConfig.ui32PowerMode = AM_HAL_ADC_LPMODE_0;

sADCConfig.ui32Repeat = AM_HAL_ADC_NO_REPEAT;

am_hal_adc_config(&sADCConfig);

am_hal_adc_int_enable(AM_HAL_ADC_INT_CNVCMP);

// Set up an ADC slot

am_hal_adc_slot_config(0, AM_HAL_ADC_SLOT_AVG_1 |

AM_HAL_ADC_SLOT_14BIT |

AM_HAL_ADC_SLOT_CHSEL_SE0 |

AM_HAL_ADC_SLOT_ENABLE);

am_hal_adc_enable();

}

使用LPOWER2 模式的時(shí)候，需要注意，當(dāng)定時(shí)器觸發(fā)中斷的時(shí)候，time_ISR里面需要重新配置ADC，adc_config完成之后，才能進(jìn)行定時(shí)器觸發(fā)，執(zhí)行順序不能顛倒：

（4）電壓十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制數(shù)值并顯示

由datasheet的資料顯示（圖3），ADC檢測(cè)MAX電壓為VDDH，而VDDH為3.3V。所以ADC的檢測(cè)范圍應(yīng)該為 0~3.3V ，超過3.3V只會(huì)顯示最大值3.3V。長時(shí)間檢測(cè)超過標(biāo)準(zhǔn)范圍的電壓值，可能對(duì)引腳甚至芯片造成破壞。

圖3

14位精度下，采集次數(shù)為1 的轉(zhuǎn)換代碼可以通過以下實(shí)現(xiàn)：

if (ui32Status & AM_HAL_ADC_INT_CNVCMP)

{

g_ui16ADCVDD_code = am_hal_adc_fifo_pop();

//g_ui16ADCVDD_code = AM_HAL_ADC_FIFO_SAMPLE(g_ui16ADCVDD_code);

am_util_stdio_printf("g_ui16ADCVDD_code= 0x%05X\t\n",g_ui16ADCVDD_code);

fVBATT = ((float)g_ui16ADCVDD_code) * 3.3f / 1024.0f / 64.0f ; // 2^16

am_util_stdio_printf("VDD= %.3f\t\n",fVBATT);

}

但如果只是單次檢測(cè)，最大值為3.298，并不能達(dá)到3.3的最大值。小數(shù)點(diǎn)后面的精度，是根據(jù)檢測(cè)的次數(shù)所決定的。（如圖4）選擇為14.6模式，采集次數(shù)選擇（圖5），次數(shù)越多，小數(shù)點(diǎn)精度越高。在使用128次采集的時(shí)候要特別注意，得到的累加值是大于FIFO通道容量的，需要進(jìn)行移位操作。

? ? ??

圖4

圖5

組網(wǎng)通信與云服務(wù)器

1、設(shè)備間組網(wǎng)與添加節(jié)點(diǎn)

針對(duì)于使用場(chǎng)景的不同，大范圍農(nóng)田可以選擇使用SX1260/ SX1278 LORA進(jìn)行組網(wǎng)。小范圍類似大棚，可以選用ZigBee或者藍(lán)牙mesh。ZigBee和藍(lán)牙m(xù)esh都有自組網(wǎng)功能，數(shù)據(jù)交換和節(jié)點(diǎn)添加相對(duì)簡單。

如果選用的LORA模塊，筆者個(gè)人建議使用應(yīng)答模式的星型網(wǎng)組網(wǎng)（圖6）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址使用Apollo2 mcu 自帶的chip ID作為參照。數(shù)據(jù)交替通過主節(jié)點(diǎn)對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出心跳指令，子節(jié)點(diǎn)喚醒后獲取各類數(shù)據(jù)并上傳，然后等待應(yīng)答，如果應(yīng)答超時(shí)，既丟包，重復(fù)發(fā)送如果仍無法收到，將會(huì)發(fā)給備用主節(jié)點(diǎn)報(bào)錯(cuò)。

同理，如果主節(jié)點(diǎn)發(fā)送心跳指令沒有數(shù)據(jù)應(yīng)答，會(huì)進(jìn)行等待、重發(fā)，長時(shí)間無應(yīng)答會(huì)將該地址節(jié)點(diǎn)踢出循環(huán)列表同時(shí)給服務(wù)器發(fā)出報(bào)錯(cuò)。

圖6

LORA通信暫不支持自組網(wǎng)功能。該功能相對(duì)簡單，主節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)出添加節(jié)點(diǎn)模式，子節(jié)點(diǎn)待命等待主節(jié)點(diǎn)單個(gè)檢索地址。每個(gè)檢索完畢的地址，都會(huì)退出添加節(jié)點(diǎn)模式。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)檢索完所有已知節(jié)點(diǎn)后，會(huì)二次發(fā)出新節(jié)點(diǎn)廣播。二次收到的新節(jié)點(diǎn)就主動(dòng)循環(huán)給主節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的地址。直到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答才結(jié)束。

2、設(shè)備與服務(wù)器通信

TCP(Transmission Control Protocol) 傳輸控制協(xié)議。TCP是主機(jī)對(duì)主機(jī)層的傳輸控制協(xié)議，提供可靠的連接服務(wù)，采用三次握確認(rèn)建立一個(gè)連接。TCP標(biāo)志位有6種 標(biāo)示：

SYN(synchronous建立連接)

ACK(acknowledgement 確認(rèn))

PSH(push傳送)

FIN(finish結(jié)束)

RST(reset重置)

URG(urgent緊急)

Sequence number(順序號(hào)碼)

Acknowledge number(確認(rèn)號(hào)碼)。

流程如圖7所示：

第一次握手：客戶端發(fā)送syn包(syn=j)到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn)；

第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認(rèn)客戶的SYN（ack=j+1），同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)；

第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN＋ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=k+1)，此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手。握手完成后，兩臺(tái)主機(jī)開始傳輸數(shù)據(jù)了。

圖7

主節(jié)點(diǎn)，通過轉(zhuǎn)接口模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)模塊設(shè)置好TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行傳輸。對(duì)于服務(wù)端的TCP/IP 協(xié)議，筆者使用的是SocketAsyncEventArgs類進(jìn)行編寫。SocketAsyncEventArgs是.net提供的關(guān)于異步socket類。也就是高性能復(fù)用IO。對(duì)比與傳統(tǒng)socket，使用該類編寫的Server性能和吞吐量都有很大的提升。初始化代碼如下：

啟動(dòng)，socket監(jiān)聽代碼：

圖9

在使用socket通信時(shí)，如果長時(shí)間沒有數(shù)據(jù)交互。服務(wù)器是會(huì)直接斷連。筆者這里使用雙應(yīng)答模式。服務(wù)器向智能硬件發(fā)送心跳包，智能硬件應(yīng)答并上傳數(shù)據(jù)。如果中間因?yàn)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)或者各方面原因失去連接。智能硬件會(huì)根據(jù)定時(shí)器設(shè)置主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)連接信號(hào)，如果無應(yīng)答，既斷連。智能硬件將會(huì)重新啟動(dòng)TCP協(xié)議。多次連接失敗將會(huì)發(fā)出鏈接異常警報(bào)，提醒人工進(jìn)行排查。