项目将开发一种农作物生长环境数据探测器，使用云连接套件并搭载ADI提供的土壤水分、pH 值和温度测量评估板和3通道光检测评估板，去田园的农作物之间采集光、水分、温度、湿度、土壤pH值等数据，同时定位采集地点，将生长环境数据连同位置等信息通过Wi-Fi模块上传到Azure LoT。其定位将通过UWB定位模块实现。在云连接套件中，Cyclone V的FPGA部分主要用于数据处理、无线通信等，而HPS部分主要用于控制从设备、执行算法，当然这二者之间可以互补，项目将逐步优化，把需要反复执行的数据处理等工作尽量交给FPGA部分，HPS部分则侧重协调调度和控制。本项目的预计使用场景是大规模大棚种植园。

Demo Video

Project Proposal

1. High-level project introduction and performance expectation

  项目将开发一种农作物生长环境数据探测器。

  探测器将使用云连接套件并搭载ADI提供的土壤水分、pH 值和温度测量评估板和3通道光检测评估板，去田园的农作物之间采集光、水分、温度、湿度、土壤pH值等数据，并通过Wi-Fi模块上传处理后的数据到Azure LoT。探测器带有定位模块，定位将通过UWB定位模块组成的定位系统实现，包括三个基站和一个定位标签，标签安装于云连接套件上。在云连接套件中，FPGA部分主要用于拓展接口，如UART、IIC等，此外FPGA还被用于处理一些信号，如而HPS部分主要用于控制各个从器件的数据，当然这二者之间可以互补，项目将逐步优化，把需要反复执行的数据处理等工作尽量交给FPGA部分，HPS部分则侧重协调调度和控制。

  对于UWB定位，项目将设置三个及以上的位置固定的无线信号定位基站，基站的具体数量视应用场地的几何参数和定位维度决定，需要确保基站的信号覆盖到整个场地。一般情况下，如果场地是较为平整的平面，在保证基站安装高度足够大的前提下，结合基站的安装位置参数就可以实现三维定位。

2. Block Diagram

3. Expected sustainability results, projected resource savings

• 每次测量，记录位置、三通道光检测数据、温度、土壤湿度、土壤pH值。
• 通过UWB定位模块搭配传感器探测数据，可以较为准确的记录测量位置。
• 测得的数据以TXT格式保存在文件系统中。
• 通过RFS卡中的ESP8266模块，网络访问记录到的数据文件。

4. Design Introduction

1. 设计目的：降低农作物生长环境数据检测的人力成本和硬件成本，加速农业机械化向智能化方向发展。在分布式测量系统中，需要将较多的传感器固定在指定地点，再通过有线连接或无线通信传回数据，这种方式成本较高，结构复杂，只适合实验场地，并不适合农业用地。通过定位模块搭配传感器探测数据，相较于分布式传感器可以极大地减少硬件开支（尤其是传感器的开支），还能兼顾位置信息。
2. 应用场景：大棚种植园，或是其他较为平坦的需要采集信息的场地。
3. 目标用户：上述应用场景的负责人等。
4. Intel FPGA采用异构架构设计，兼顾微处理器的多任务处理能力和高速信号处理、数字电路定制化的优点，对于多变的用户需求表现出极好的适配能力。

5. Functional description and implementation

1. UWB定位功能：首先需要至少三个及以上的UWB定位基站通信，探测器和每个基站都具有一个UWB模块，用于定位。探测器的UWB定位模块作为标签（tag）是被定位方，定位基站的UWB模块（anchor）在初始化时，会互相测算彼此的距离，以三个anchor所在平面为x-o-y平面、以其中之一为坐标系原点建立坐标系。通过测量tag和三个anchor的距离，得到tag相对于原点anchor的坐标，并通过作为tag的定位模块的串口发送回主机。
2. 数据探测功能：通过官方提供的ADI评估板插件，接入到DE10-NANO的Arduino接口，将插件作为SPI从设备，配合函数库，对数据进行访问。
3. UDP服务器功能：将RFS子卡安装于GPIO排插上，通过HPS的串口发送AT指令访问ESP8266模块，将ESP8266配置为UDP协议下的串口—WiFi直传模式，创建一个线程监听网络上的数据请求，当监听到时，线程会读取存储数据的文本文件，将数据传送到发起方。

6. Performance metrics, performance to expectation

该农作物生长环境数据探测器的预计参数和指标：

1、定位精度达到1cm；

2、测量数据项包括：RGB三通道光强（单位mV），土壤湿度、温度、pH值；

3、数据上传到Azure loT，并保持实时更新；

4、作为基站的UWB定位模块使用太阳能供电；

实际达到的指标：

1、定位精度达到cm级别；

2、测量数据项有：RGB三通道光强（单位mV）；

3、数据没有上传到Azure loT，只能支持简单的UDP协议访问；

4、作为基站的UWB定位模块使用电池供电；

7. Sustainability results, resource savings achieved

8. Conclusion

       通过定位模块搭配传感器探测数据，可以极大地减少硬件开支（尤其是传感器的开支），降低成本同时获取较为精准的定位数据。同时，FPGA搭配HPS的SoC可以灵活地扩展外部设备，例如传感器，可以实现该探测器的可持续性发展。本项目采用的定位是UWB定位，可以为多个设备提供定位服务，同时通过增加UWB定位基站可以扩大定位范围。UWB定位基站可以使用太阳能供电或太阳能辅助供电，因为农作物生长地区一般阳光充足。根据机器人采集到的数据，可以及时调整通风、温湿度、光照强度等，增加农作物产量，将更多的二氧化碳纳入到生物圈的碳循环中，减缓温室效应。

       设计的最终目的是：在尽可能减少资源使用的前提下，帮助农业从业者更好的种植农作物，更多的将二氧化碳固定到农作物中，减少温室效应和提升农作物产量。