這是一系列文章的第四部分，使用示例智能灌溉項(xiàng)目來探索大多數(shù)現(xiàn)實(shí)世界控制系統(tǒng)（特別是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)）的問題類型和設(shè)計(jì)問題隨著智能應(yīng)用使用的連接設(shè)備數(shù)量的增加，尤其是傳感器和執(zhí)行器的增加，保持系統(tǒng)穩(wěn)定和高效運(yùn)行的復(fù)雜性也隨著時(shí)間的推移而提高。

當(dāng)設(shè)備在地理上廣泛分布且環(huán)境條件可能顯著不同時(shí)，這種復(fù)雜性會(huì)進(jìn)一步放大。

為了減輕用戶戰(zhàn)略假設(shè)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的戰(zhàn)術(shù)需求之間可能出現(xiàn)的更大差距，設(shè)計(jì)人員需要更多深入探索數(shù)據(jù)記錄和分析。然而，并非所有數(shù)據(jù)都是良好的數(shù)據(jù)，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)的成熟，開發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員需要辨別以避免數(shù)據(jù)過載。

本文將定義三種類型的數(shù)據(jù)以及如何將其應(yīng)用于灌溉應(yīng)用，但它可用于任何智能建筑或工業(yè)應(yīng)用。核心原則是相同的。然后，它將引入一個(gè)可用于分布式智能體系結(jié)構(gòu)的控制器，描述其與應(yīng)用程序相關(guān)的顯著屬性，并概述如何啟動(dòng)和運(yùn)行它。

智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

智能系統(tǒng)可以通過處理三種類型的數(shù)據(jù)來支持集中分析或執(zhí)行本地分析：規(guī)劃，參考和運(yùn)營數(shù)據(jù)。圖1顯示了一個(gè)框圖，它將連接的控制器和不同類型的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)。

圖1：顯示三者的方框圖數(shù)據(jù)類型 - 規(guī)劃，參考和運(yùn)營 - 以及它們與智能灌溉系統(tǒng)內(nèi)各種連接控制器的關(guān)系。 （使用Digi-Key的Scheme-it?繪制的圖表）

雖然系統(tǒng)控制器是計(jì)劃和參考數(shù)據(jù)的單一訪問點(diǎn)是有意義的，但它可能是使系統(tǒng)控制器更有意義的是將一些數(shù)據(jù)分發(fā)到連接的設(shè)備，以支持大型安裝的本地決策。

用戶將計(jì)劃數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)。這包括配置設(shè)置，設(shè)備拓?fù)洌?a target="_blank">算法選擇和調(diào)度信息。本文稱這些類型的信息規(guī)劃數(shù)據(jù)，因?yàn)樗涗浟擞脩粝Ｍ到y(tǒng)執(zhí)行的操作。當(dāng)這些數(shù)據(jù)存在差異時(shí)，它是用戶期望與系統(tǒng)實(shí)際設(shè)置執(zhí)行方式之間潛在問題的標(biāo)志。

在灌溉項(xiàng)目的上下文中，配置設(shè)置可能包括有關(guān)土壤類型，植物類型，噴灑器類型和日照的信息。相比之下，智能建筑應(yīng)用程序可能會(huì)指定環(huán)境和照明控制的工作時(shí)間和空閑超時(shí)。這些設(shè)置可能會(huì)影響算法的選擇。對于更簡單的安裝，算法可以保持靜態(tài)。更復(fù)雜的安裝可以允許根據(jù)當(dāng)前季節(jié)的天氣模式更改算法。

記錄連接設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)相鄰站點(diǎn)之間的協(xié)同作用，以便它們可以利用彼此的操作。例如，在灌溉中，知道風(fēng)很大可能通過從逆風(fēng)站開始灌溉和順風(fēng)工作可以提供一些效率，同時(shí)了解所輸送的水分可能會(huì)從一個(gè)站流到下一個(gè)站，從而縮短澆水時(shí)間。

計(jì)劃與執(zhí)行

參考數(shù)據(jù)由歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)組成，為系統(tǒng)性能的任何后續(xù)分析提供基線。歷史數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在本地或遠(yuǎn)程訪問的數(shù)據(jù)庫中，具體取決于其大小和復(fù)雜性。預(yù)測數(shù)據(jù)為預(yù)測系統(tǒng)在短期內(nèi)可能需要響應(yīng)的環(huán)境變化提供了基礎(chǔ)。如果預(yù)測數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間幾乎沒有偏差，那么系統(tǒng)可能會(huì)按預(yù)期執(zhí)行。但是，運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史或預(yù)測數(shù)據(jù)之間很可能會(huì)出現(xiàn)偏差，并且這種偏差會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，運(yùn)營商需要重新評估規(guī)劃數(shù)據(jù)以更好地適應(yīng)這些差異。

獲取歷史數(shù)據(jù)的最簡單方法是收集運(yùn)營數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)以備將來參考。當(dāng)運(yùn)行環(huán)境經(jīng)歷一個(gè)常規(guī)的變化周期（例如季節(jié)變化），同時(shí)植物和土壤混合物保持穩(wěn)定時(shí)，這提供了最大的價(jià)值。

獲取有關(guān)環(huán)境如何的準(zhǔn)確預(yù)測數(shù)據(jù)change支持智能系統(tǒng)的最高效運(yùn)行。對于智能灌溉系統(tǒng)，有許多天氣預(yù)報(bào)服務(wù)可供參考。這些公司將大型氣象站網(wǎng)絡(luò)與廣泛的天氣信息數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，為灌溉系統(tǒng)所在地提供最相關(guān)的信息。對于智能建筑應(yīng)用，訪問預(yù)測數(shù)據(jù)的一個(gè)示例是系統(tǒng)與會(huì)議安排系統(tǒng)集成，例如會(huì)議室。

操作性地將它們連接在一起

操作數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)記錄活動(dòng)的核心，它將兩種其他類型的數(shù)據(jù)與現(xiàn)在和現(xiàn)在的戰(zhàn)術(shù)現(xiàn)實(shí)聯(lián)系起來。主動(dòng)算法將基于收集的傳感器數(shù)據(jù)做出資源和執(zhí)行器決策。在較大的安裝中，也可以將收集的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來供以后分析。

記錄收集的傳感器數(shù)據(jù)的過程可以生成和驗(yàn)證消耗報(bào)告。消費(fèi)報(bào)告讓用戶知道系統(tǒng)提高效率的程度，并確定它是否提供了合理安裝它的價(jià)值。

數(shù)據(jù)記錄還可以與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而改善系統(tǒng)的性能。能夠檢測問題何時(shí)開始盡早顯現(xiàn)。如果之前遇到過問題，那么歷史數(shù)據(jù)已經(jīng)包含導(dǎo)致問題的行為，允許系統(tǒng)更早地識(shí)別它。如果以前沒有遇到過這個(gè)問題，那么運(yùn)營數(shù)據(jù)將顯示出與預(yù)期行為的偏差，這應(yīng)該標(biāo)志著運(yùn)營商調(diào)查存在差異的原因。

通過本地內(nèi)存的靈活性

有幾種方法可以執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄。一種方法是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將所有收集的數(shù)據(jù)匯集到中央控制器中。此方法的一個(gè)問題是，如果在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)連接設(shè)備之間的通信因任何原因發(fā)生故障，數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失。

為地理位置分散的應(yīng)用程序記錄數(shù)據(jù)的更健壯的方法是在每個(gè)連接的設(shè)備上本地收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，然后在稍后，更方便的時(shí)間將其傳輸?shù)街醒肟刂破鳌＿@不僅將系統(tǒng)的主要操作與支持分析功能斷開連接，而且還可以保持站之間的通信線路為專用操作或數(shù)據(jù)記錄打開。

Microchip Technology的PIC18F46K40微控制器（MCU）提供足夠的處理和通信性能，以及足夠大的本地存儲(chǔ)器，以支持大多數(shù)規(guī)模的灌溉項(xiàng)目的連接設(shè)備。 MCU支持多種選項(xiàng)，包括40引腳PDIP或UQFN封裝，并可在高達(dá)64 MHz的頻率下運(yùn)行，提供16 MIPS。它們包括高達(dá)64k字節(jié)的程序閃存，3728字節(jié)的數(shù)據(jù)SRAM和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM存儲(chǔ)器（圖2）。

圖2 ：Microchip Technology的PIC18F46K40 MCU是處理灌溉項(xiàng)目輸入和數(shù)據(jù)的理想選擇。它們還具有高耐用性非易失性存儲(chǔ)器，Microchip的XLP低功耗技術(shù)以及獨(dú)立于核心處理器的外設(shè)。 （圖像來源：Microchip Technology）

程序存儲(chǔ)器的閃存單元最多可進(jìn)行10,000次擦除/寫入循環(huán)。控制器可以在內(nèi)部軟件控制下寫入自己的程序存儲(chǔ)空間。位于受保護(hù)的引導(dǎo)塊中的引導(dǎo)加載程序例程使連接的設(shè)備可以在現(xiàn)場更新自身。這使系統(tǒng)能夠輕松更新其使用的灌溉/蒸發(fā)算法，以便他們始終從最新的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中獲益并融入其中。大程序存儲(chǔ)器支持將程序閃存分成兩半以支持安全字段更新。

數(shù)據(jù)EEPROM的額定最大擦除/寫入周期為100k。大而高耐久性的非易失性存儲(chǔ)器允許系統(tǒng)安全地收集和存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使每個(gè)控制器能夠管理和存儲(chǔ)擴(kuò)展傳感器組的數(shù)據(jù)。它還使系統(tǒng)能夠在本地存儲(chǔ)和保留數(shù)據(jù)更長的時(shí)間，因?yàn)槎啻僮鲾?shù)據(jù)可以同時(shí)駐留在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

這些微控制器具有Microchip的超低功耗特性（XLP）技術(shù)支持1.8 V時(shí)低至50 nA的典型睡眠電流。雖然系統(tǒng)可通過線路提供電源，但這樣可以使安裝延長每個(gè)連接設(shè)備的任何電池供電備份的使用壽命。獨(dú)立核心外設(shè)能夠在沒有代碼或微控制器CPU監(jiān)督的情況下處理其任務(wù)，以保持運(yùn)行。

Microchip的PIC18Fxxxxx微控制器能夠以最少的連接和外部組件工作（圖3） 。必須連接所有VDD和VSS引腳。如果電源走線長度超過六（6）英寸，則設(shè)計(jì)應(yīng)使用儲(chǔ)能電容器為本地電源供電。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)連接電源和設(shè)備的走線電阻以及器件運(yùn)行時(shí)器件消耗的最大電流來確定槽電容的大小。

圖3：使用Microchip PIC18F46K40微控制器的建議最小連接圖。 （圖像來源：Microchip Technology）

除電源引腳外，設(shè)計(jì)人員還必須連接 MCLR 引腳（主復(fù)位），以便微控制器可以支持器件復(fù)位和器件編程和調(diào)試。添加所示組件有助于提高應(yīng)用程序?qū)﹄妷簳航档奶摷購?fù)位的抵抗力。 R1和C1的具體值需要根據(jù)應(yīng)用和PCB要求進(jìn)行調(diào)整。與 MCLR 引腳相關(guān)的任何元件都應(yīng)放置在引腳的0.25英寸（6 mm）范圍內(nèi)。

如果微控制器支持在線串行編程和調(diào)試，還必須連接PGC和PGD引腳（圖3中未明確顯示）。保持連接器和引腳之間的距離盡可能短。建議不要在這些引腳上使用上拉電阻，串聯(lián)二極管和電容，因?yàn)樗鼈儠?huì)干擾編程器/調(diào)試器與器件的通信。但是，如果在最終設(shè)計(jì)中需要它們，則應(yīng)在編程和調(diào)試期間將其刪除。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的電子和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員越來越需要理解和優(yōu)化數(shù)據(jù)。但是，知道并非所有數(shù)據(jù)都必須是良好的數(shù)據(jù)，獲取正確的數(shù)據(jù)對提高系統(tǒng)效率至關(guān)重要。

本文討論了獲取和應(yīng)用三種類型的數(shù)據(jù)：規(guī)劃數(shù)據(jù)告訴系統(tǒng)用戶如何認(rèn)為系統(tǒng)配置及其運(yùn)行方式。參考數(shù)據(jù)為系統(tǒng)提供了預(yù)期系統(tǒng)行為的基礎(chǔ)。最后，操作數(shù)據(jù)關(guān)閉控制循環(huán)，以便用戶和系統(tǒng)可以比較和分析系統(tǒng)的實(shí)際行為及其預(yù)期行為，以找到提高穩(wěn)定性和提高效率的機(jī)會(huì)。

使用分布式處理方法低功耗MCU，設(shè)計(jì)人員可以平衡處理能力，低功耗和成本。 PIC18F46K40就是這樣一款MCU。此外，它具有足夠的非易失性存儲(chǔ)器來收集，維護(hù)和使用數(shù)據(jù)。它還有助于MCU從主處理單元卸載一些外設(shè)功能，以減少延遲并提高整體系統(tǒng)效率。