這是一系列文章的第四部分，使用示例智能灌溉項目來探索大多數現實世界控制系統（特別是物聯網系統）的問題類型和設計問題隨著智能應用使用的連接設備數量的增加，尤其是傳感器和執行器的增加，保持系統穩定和高效運行的復雜性也隨著時間的推移而提高。

當設備在地理上廣泛分布且環境條件可能顯著不同時，這種復雜性會進一步放大。

為了減輕用戶戰略假設與系統動態變化的戰術需求之間可能出現的更大差距，設計人員需要更多深入探索數據記錄和分析。然而，并非所有數據都是良好的數據，并且隨著物聯網的成熟，開發人員和設計人員需要辨別以避免數據過載。

本文將定義三種類型的數據以及如何將其應用于灌溉應用，但它可用于任何智能建筑或工業應用。核心原則是相同的。然后，它將引入一個可用于分布式智能體系結構的控制器，描述其與應用程序相關的顯著屬性，并概述如何啟動和運行它。

智能系統數據類型

智能系統可以通過處理三種類型的數據來支持集中分析或執行本地分析：規劃，參考和運營數據。圖1顯示了一個框圖，它將連接的控制器和不同類型的數據相互關聯。

圖1：顯示三者的方框圖數據類型 - 規劃，參考和運營 - 以及它們與智能灌溉系統內各種連接控制器的關系。 （使用Digi-Key的Scheme-it?繪制的圖表）

雖然系統控制器是計劃和參考數據的單一訪問點是有意義的，但它可能是使系統控制器更有意義的是將一些數據分發到連接的設備，以支持大型安裝的本地決策。

用戶將計劃數據輸入系統。這包括配置設置，設備拓撲，算法選擇和調度信息。本文稱這些類型的信息規劃數據，因為它記錄了用戶希望系統執行的操作。當這些數據存在差異時，它是用戶期望與系統實際設置執行方式之間潛在問題的標志。

在灌溉項目的上下文中，配置設置可能包括有關土壤類型，植物類型，噴灑器類型和日照的信息。相比之下，智能建筑應用程序可能會指定環境和照明控制的工作時間和空閑超時。這些設置可能會影響算法的選擇。對于更簡單的安裝，算法可以保持靜態。更復雜的安裝可以允許根據當前季節的天氣模式更改算法。

記錄連接設備的拓撲結構可以實現相鄰站點之間的協同作用，以便它們可以利用彼此的操作。例如，在灌溉中，知道風很大可能通過從逆風站開始灌溉和順風工作可以提供一些效率，同時了解所輸送的水分可能會從一個站流到下一個站，從而縮短澆水時間。

計劃與執行

參考數據由歷史數據和預測數據組成，為系統性能的任何后續分析提供基線。歷史數據可以存儲在本地或遠程訪問的數據庫中，具體取決于其大小和復雜性。預測數據為預測系統在短期內可能需要響應的環境變化提供了基礎。如果預測數據與歷史數據之間幾乎沒有偏差，那么系統可能會按預期執行。但是，運行數據和歷史或預測數據之間很可能會出現偏差，并且這種偏差會隨著時間的推移而增加。當發生這種情況時，運營商需要重新評估規劃數據以更好地適應這些差異。

獲取歷史數據的最簡單方法是收集運營數據并存儲以備將來參考。當運行環境經歷一個常規的變化周期（例如季節變化），同時植物和土壤混合物保持穩定時，這提供了最大的價值。

獲取有關環境如何的準確預測數據change支持智能系統的最高效運行。對于智能灌溉系統，有許多天氣預報服務可供參考。這些公司將大型氣象站網絡與廣泛的天氣信息數據庫相結合，為灌溉系統所在地提供最相關的信息。對于智能建筑應用，訪問預測數據的一個示例是系統與會議安排系統集成，例如會議室。

操作性地將它們連接在一起

操作數據表示數據記錄活動的核心，它將兩種其他類型的數據與現在和現在的戰術現實聯系起來。主動算法將基于收集的傳感器數據做出資源和執行器決策。在較大的安裝中，也可以將收集的傳感器數據存儲起來供以后分析。

記錄收集的傳感器數據的過程可以生成和驗證消耗報告。消費報告讓用戶知道系統提高效率的程度，并確定它是否提供了合理安裝它的價值。

數據記錄還可以與歷史數據進行比較，從而改善系統的性能。能夠檢測問題何時開始盡早顯現。如果之前遇到過問題，那么歷史數據已經包含導致問題的行為，允許系統更早地識別它。如果以前沒有遇到過這個問題，那么運營數據將顯示出與預期行為的偏差，這應該標志著運營商調查存在差異的原因。

通過本地內存的靈活性

有幾種方法可以執行數據記錄。一種方法是在系統運行時將所有收集的數據匯集到中央控制器中。此方法的一個問題是，如果在系統運行時連接設備之間的通信因任何原因發生故障，數據可能會丟失。

為地理位置分散的應用程序記錄數據的更健壯的方法是在每個連接的設備上本地收集和存儲數據，然后在稍后，更方便的時間將其傳輸到中央控制器。這不僅將系統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據記錄打開。

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器，以支持大多數規模的灌溉項目的連接設備。 MCU支持多種選項，包括40引腳PDIP或UQFN封裝，并可在高達64 MHz的頻率下運行，提供16 MIPS。它們包括高達64k字節的程序閃存，3728字節的數據SRAM和1024字節的數據EEPROM存儲器（圖2）。

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

程序存儲器的閃存單元最多可進行10,000次擦除/寫入循環。控制器可以在內部軟件控制下寫入自己的程序存儲空間。位于受保護的引導塊中的引導加載程序例程使連接的設備可以在現場更新自身。這使系統能夠輕松更新其使用的灌溉/蒸發算法，以便他們始終從最新的經驗教訓中獲益并融入其中。大程序存儲器支持將程序閃存分成兩半以支持安全字段更新。

數據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器允許系統安全地收集和存儲各種數據。大數據存儲器使每個控制器能夠管理和存儲擴展傳感器組的數據。它還使系統能夠在本地存儲和保留數據更長的時間，因為多代操作數據可以同時駐留在數據存儲器中。

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

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，則設計應使用儲能電容器為本地電源供電。設計人員應根據連接電源和設備的走線電阻以及器件運行時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，設計人員還必須連接 MCLR 引腳（主復位），以便微控制器可以支持器件復位和器件編程和調試。添加所示組件有助于提高應用程序對電壓暫降的虛假復位的抵抗力。 R1和C1的具體值需要根據應用和PCB要求進行調整。與 MCLR 引腳相關的任何元件都應放置在引腳的0.25英寸（6 mm）范圍內。

如果微控制器支持在線串行編程和調試，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，串聯二極管和電容，因為它們會干擾編程器/調試器與器件的通信。但是，如果在最終設計中需要它們，則應在編程和調試期間將其刪除。

結論

物聯網時代的電子和嵌入式系統開發人員越來越需要理解和優化數據。但是，知道并非所有數據都必須是良好的數據，獲取正確的數據對提高系統效率至關重要。

本文討論了獲取和應用三種類型的數據：規劃數據告訴系統用戶如何認為系統配置及其運行方式。參考數據為系統提供了預期系統行為的基礎。最后，操作數據關閉控制循環，以便用戶和系統可以比較和分析系統的實際行為及其預期行為，以找到提高穩定性和提高效率的機會。

使用分布式處理方法低功耗MCU，設計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器來收集，維護和使用數據。它還有助于MCU從主處理單元卸載一些外設功能，以減少延遲并提高整體系統效率。