【技術分享】淺談基于Apollo2 mcu的智慧農業系統

日期:2019-07-08 作者:潤欣科技創研社 返回列表

導語


智慧農業系統是未來農業發展的趨勢所在,它能夠通過傳感器,實時檢測作物的各種生長狀況,和各類環境數據。通過聯網與大數據的比對獲取,並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。


在在智能農業發展的道路上,一直存在一個難關。那就是關于智能硬件供電問題。數據采集接口由智能硬件提供,面對超大範圍的組網,電纜不可能布置到每一個點上。那麽對于智能硬件功耗的要求就非常高。


Ambiq 擁有的亞閥值功率優化技術專利,使得其能耗比性能相當的mcu 低個5至10倍,這個技術重新定義了“低功耗”。正因爲這個技術,Apollo2 mcu 也是最適合智慧農業智能硬件的主mcu 。 14位的ADC,6組 I²C接口,2組UART,等豐富的外設接口,能夠保證各類傳感器的需求。


智能硬件低功耗設計及各類驅動接口


1、低功耗設計


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


1562305491553038.png



Am_hal_pwrctrl_memory_enable 主要是針對flash 和 SRAM。可選大小如下;

         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主要是對外設接口的使能,可選範圍:

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,接口使用完之後進行斷電關閉。


2、使用spi接口點亮OLED屏


首先是開啓IOM_0_2的POWER(根據個人選擇那組IO決定)緊接著進行初始化SPI,初始化OLED,執行顯示代碼,關閉OLED,關閉SPI POWER。粗略流程如下:


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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別。需要修改的是Mode 選擇(AM_HAL_IOM_SPIMODE/ AM_HAL_IOM_I2CMODE),和對應的GPIO口配置。而速率,時鍾極性和相位,讀寫的字符長度都是在config裏面進行修改。


1562305537611084.png


3、UART是常用的異步串口通信協議,傳輸數據是以字節形式,一位位串行輸出。


(1)幾個重要的位置


1) 起始位:先發出一個邏輯“0”的信號,表示傳輸字符開始。


2) 數據位:緊接著起始位之後。數據靠時鍾進行定位,數據位的個數可以由用戶決定。


3) 奇偶校驗位:數據位加上這一位後,使得“1”的位數應爲偶數(偶校驗)或奇數(奇校驗),以次來校驗數據傳送的正確性。


4)停止位:它是一個字符數據的結束標志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。停止位不僅僅是表示傳輸的結束,並且提供設備之間時鍾的校准。


4.png

圖1


各個位的配置,在am_hal_uart_config_t中完成:

 

5.png


(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:


第一:串口數據傳輸,有可能會被各類更高優先級的中斷打斷,所以爲了保證數據的完整性,應該設置中斷保護機制。


第二:因爲串口輸出需要一定的打印時間,如果時間不足,同樣會導致數據不完整或者丟失。可以調用以下方法解決:


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轉換


通常是指一個將模擬信號轉變爲數字信號。這是一個,把經過與標准量比較處理後的模擬量轉換成以二進制數值表示的一個過程。故任何一個ADC轉換都需要一個參考模擬量作爲轉換的標准,比較常見的參考標准爲最大的可轉換信號大小。


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

 

-內部參考電壓1.5V     AM_HAL_ADC_REF_INT_1P5

-內部參考電壓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進行料需采集,延時基本爲0


2)模式1,ADC在樣本采集之間是關閉的,但是不需要重新校准,延時<50us


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


三種模式的主要差異,是轉換間隔,模式一適用于長時間,不間斷的進行轉換,模式二是短間隔,中間從新啓動ADC轉換快速。模式三轉換中間可以完全關閉ADC,但是重新啓動時也需要重新配置校准ADC。


6.png

圖2

 

(3)代碼配置


考慮到環境數據不會快速改變,所以這裏選用模式2 。通過軟件定時器喚醒ADC進行檢測,從而達到最低功耗的效果。配置ADC代碼如下:(參考電壓 內部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 模式的時候,需要注意,當定時器觸發中斷的時候,time_ISR裏面需要重新配置ADC,adc_config完成之後,才能進行定時器觸發,執行順序不能顛倒:


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(4)電壓十六進制轉換成10進制數值並顯示


由datasheet的資料顯示(圖3),ADC檢測MAX電壓爲VDDH,而VDDH爲3.3V。所以ADC的檢測範圍應該爲 0~3.3V ,超過3.3V只會顯示最大值3.3V。長時間檢測超過標准範圍的電壓值,可能對引腳甚至芯片造成破壞。



1562305643843366.png

圖3


14位精度下,采集次數爲1 的轉換代碼可以通過以下實現:


    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,最大值爲3.298,並不能達到3.3的最大值。小數點後面的精度,是根據檢測的次數所決定的。(如圖4)選擇爲14.6模式,采集次數選擇(圖5),次數越多,小數點精度越高。在使用128次采集的時候要特別注意,得到的累加值是大于FIFO通道容量的,需要進行移位操作。

9.png      

圖4

 

10.png


圖5


組網通信與雲服務器

 

1、設備間組網與添加節點

 

針對于使用場景的不同,大範圍農田可以選擇使用SX1260/ SX1278 LORA進行組網。小範圍類似大棚,可以選用ZigBee或者藍牙mesh。ZigBee和藍牙mesh都有自組網功能,數據交換和節點添加相對簡單。

 

如果選用的LORA模塊,筆者個人建議使用應答模式的星型網組網(圖6)。每個節點的地址使用Apollo2 mcu 自帶的chip ID作爲參照。數據交替通過主節點對單個節點發出心跳指令,子節點喚醒後獲取各類數據並上傳,然後等待應答,如果應答超時,既丟包,重複發送如果仍無法收到,將會發給備用主節點報錯。


同理,如果主節點發送心跳指令沒有數據應答,會進行等待、重發,長時間無應答會將該地址節點踢出循環列表同時給服務器發出報錯。


1562305694534497.png

圖6

 

LORA通信暫不支持自組網功能。該功能相對簡單,主節點廣播發出添加節點模式,子節點待命等待主節點單個檢索地址。每個檢索完畢的地址,都會退出添加節點模式。當主節點檢索完所有已知節點後,會二次發出新節點廣播。二次收到的新節點就主動循環給主節點發送自己的地址。直到主節點發送應答才結束。


2、設備與服務器通信


TCP(Transmission Control Protocol) 傳輸控制協議。TCP是主機對主機層的傳輸控制協議,提供可靠的連接服務,采用三次握確認建立一個連接。TCP標志位有6種 標示:


SYN(synchronous建立連接)

ACK(acknowledgement 確認)

PSH(push傳送)

FIN(finish結束)

RST(reset重置)

URG(urgent緊急)

Sequence number(順序號碼)

Acknowledge number(確認號碼)。

 

流程如圖7所示:


第一次握手:客戶端發送syn包(syn=j)到服務器,並進入SYN_SEND狀態,等待服務器確認;


第二次握手:服務器收到syn包,必須確認客戶的SYN(ack=j+1),同時自己也發送一個SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此時服務器進入SYN_RECV狀態;


第三次握手:客戶端收到服務器的SYN+ACK包,向服務器發送確認包ACK(ack=k+1),此包發送完畢,客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態,完成三次握手。握手完成後,兩台主機開始傳輸數據了。


12.png

圖7

 

主節點,通過轉接口模塊接入互聯網,同時模塊設置好TCP/IP 協議進行傳輸。對于服務端的TCP/IP 協議,筆者使用的是SocketAsyncEventArgs類進行編寫。SocketAsyncEventArgs是.net提供的關于異步socket類。也就是高性能複用IO。對比與傳統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:


13.png


啓動,socket監聽代碼:


14.png

 图9


在使用socket通信時,如果長時間沒有數據交互。服務器是會直接斷連。筆者這裏使用雙應答模式。服務器向智能硬件發送心跳包,智能硬件應答並上傳數據。如果中間因爲網絡或者各方面原因失去連接。智能硬件會根據定時器設置主動向服務器發送確認連接信號,如果無應答,既斷連。智能硬件將會重新啓動TCP協議。多次連接失敗將會發出鏈接異常警報,提醒人工進行排查。

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