嵌入式溫室大棚遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).docx

嵌入式溫室大棚遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，嵌入式技術(shù)，結(jié)合 Windows 遠(yuǎn)程桌面平臺(tái)以及手機(jī) APP 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。溫室現(xiàn)場(chǎng)使用SHT10傳感器采集溫濕度，并建立基于CC2430的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口向控制器傳遞信息。嵌入式控制器使用S3C2440處理器Linux2.6.30操作系統(tǒng)，外接觸控屏，主程序采用QT編程，具有良好的人機(jī)交互界面?？刂破髋渲?DM9000網(wǎng)卡，能夠通過RJ45網(wǎng)孔連接因特網(wǎng)。手機(jī)APP與嵌入式控制器通過PC機(jī)服務(wù)器建立TCP/IP連接。PC機(jī)服務(wù)器負(fù)責(zé)傳遞溫室內(nèi)環(huán)境信息與手機(jī)控制命令，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控桌面平臺(tái)，搭配 oracle數(shù)據(jù)庫，能夠存儲(chǔ)并查詢溫室環(huán)境信息。手機(jī)APP能夠替代觸摸屏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)，報(bào)警，設(shè)置參數(shù)等功能。關(guān)鍵字：溫室大棚，嵌入式，遠(yuǎn)程監(jiān)控隨著我國人民生活品質(zhì)的不斷提高，為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)工業(yè)技術(shù)的要求越來越高。設(shè)施農(nóng)業(yè)主要是使用各種方式改變作物的生長環(huán)境，擺脫自然氣候?qū)ψ魑锏氖`，提高作物的產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，提高資源的利用率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化，對(duì)提高人們的生活水平具有重要意義。國外設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較早，荷蘭、法國、英格蘭等國家早在十五世紀(jì)就有了簡(jiǎn)易的溫室種植作物。美國是溫室應(yīng)用最廣泛的國家之一，多為大型連棟溫室；以色列滴灌技術(shù)目前仍處于世界領(lǐng)先水平，其大型塑料溫室應(yīng)用十分廣泛；荷蘭花卉產(chǎn)業(yè)尤為發(fā)達(dá)，其溫室應(yīng)用主要為玻璃溫室。我國溫室大棚起步較晚，但是現(xiàn)在發(fā)展迅速，溫室大棚工程在我國將得到越來越廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)是微處理器時(shí)期的產(chǎn)物，被應(yīng)用于各種不同的對(duì)象體系。嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)發(fā)展道路不通，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)，電子技術(shù)等多種技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。嵌入式的使用在我們的日常生活可以說已經(jīng)無處不在，并已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用計(jì)算機(jī)數(shù)量。近年來發(fā)展最為迅猛的便是手機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可以根據(jù)成本與需求為其搭配不同的軟硬件。嵌入式系統(tǒng)被應(yīng)用在各種產(chǎn)業(yè)的各類電子產(chǎn)品中，在人類日常生活工作學(xué)習(xí)中扮演著重要角色。1 相關(guān)技術(shù)1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些節(jié)點(diǎn)通常成本較低，體積較小。這些節(jié)點(diǎn)被放置在觀測(cè)區(qū)域各個(gè)位置，采集處理觀測(cè)區(qū)域內(nèi)各個(gè)位置信息，并具有相互通信的功能，信息經(jīng)過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)或者直接發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)或基站，然后這些信息通過有線或者各種無線方式發(fā)送至上位機(jī)中。廣義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1.1所示圖1.1 廣義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)1.2 典型無線傳感器模塊典型無線傳感器模塊由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊構(gòu)成，其中傳感器模塊主要負(fù)責(zé)使用各類傳感器采集節(jié)點(diǎn)附近數(shù)據(jù)信息，并負(fù)責(zé)AD/DA轉(zhuǎn)換。處理模塊即無線傳感器模塊的CPU，可以嵌入微型操作系統(tǒng)，比如Tiny OS是專們?yōu)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)裁剪的精簡(jiǎn)系統(tǒng)。存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)對(duì)傳感器模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息或通信模塊發(fā)送來的其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，由于硬件資源限制，存儲(chǔ)功能一般有限，無線通信模塊負(fù)責(zé)收發(fā)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息或者控制命令。能量供應(yīng)模塊通常為電池功能，負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的電能供應(yīng)。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊框架如圖1.2所示。圖1.2 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊框架1.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊 TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。來自外部的11路模擬通道，它們的輸入的范圍是0-5V。但是需要下拉一個(gè)1.2K的電阻，否則會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)會(huì)波動(dòng)。然后TLC2543通過標(biāo)準(zhǔn)四線的SPI口與S3C4510連接，S3C4510沒有專門的SPI控制器，所以只需連接到它的四個(gè)IO口，并通過IO口來模擬SPI的時(shí)序。如圖所示，連接到CS腳且標(biāo)號(hào)為CSad的引腳作為片選端。在CSad端由高變低時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由低變高時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)禁止數(shù)據(jù)傳送和時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生；SCLK作為輸入/輸出時(shí)鐘端。其原理圖如圖1.3所示。圖1.3 TLC2543原理圖1.4 嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式系統(tǒng)分為硬件部分與軟件部分，組成如圖1.4所示。圖1.4 嵌入式系統(tǒng)的組成軟件部分包括應(yīng)用軟件層與系統(tǒng)軟件層，以及中間層。應(yīng)用軟件層即應(yīng)用程序，同通用計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序類似，嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用程序可以外接顯示屏，同樣可以具有圖形用戶接口，可以支持多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多線程并行。系統(tǒng)軟件層即嵌入式操作系統(tǒng)，又稱為內(nèi)核，如 LINUX、UNIX、COS，負(fù)責(zé)任不同任務(wù)之間的相互協(xié)調(diào)與調(diào)度，分配 CPU 使用時(shí)間管理設(shè)備等。中間層即硬件驅(qū)動(dòng)層，是嵌入式系統(tǒng)中軟件與硬件協(xié)調(diào)工作的橋梁，是軟件與硬件的接口，嵌入式操作系統(tǒng)將應(yīng)用軟件層的應(yīng)用指令下達(dá)至驅(qū)動(dòng)層，通過調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，由于中間層的存在，使得軟件開發(fā)可以與硬件開發(fā)脫離，軟件開發(fā)人員可以直接使用接口調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，忽略底層硬件，使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)更加便易。1.5 嵌入式處理器嵌入式處理器主要分為以下幾類：（1）嵌入式微處理器嵌入式微處理器（MPU）是在計(jì)算機(jī)通用處理器的基礎(chǔ)之上，去除應(yīng)用不需要的部分，只保留嵌入式應(yīng)用所需的功能硬件，具有 32 位以上處理能力，性能較高，成本較高，但與工控機(jī)相比已經(jīng)降低很大成本，同時(shí)可靠性得到更高的保證。（2）嵌入式微控制器單片機(jī)是最典型的嵌入式微控制器(MCU)。單片機(jī)種類繁多，價(jià)格低廉，自問世以來一直經(jīng)久不衰，其片上資源豐富，通常為 8 位或 16 位，具有較高可編程性，穩(wěn)定性高，適用于對(duì)外圍設(shè)備的控制，MCU 一直是嵌入式控制工業(yè)中的主流。（3）DSP 處理器嵌入式 DSP 處理器（EDSP）是特定用于信號(hào)處理的嵌入式處理器，被廣泛應(yīng)用于譜分析、數(shù)字濾波等對(duì)信號(hào)處理要求較高的領(lǐng)域。ESDP 編譯效率高，執(zhí)行指令的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于嵌入式微處理器，隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展，EDSP 被廣泛應(yīng)用于通信等更多領(lǐng)域。（4）嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）的主要特點(diǎn)是能夠無縫連接硬件軟件，系統(tǒng)集成度高，綜合性強(qiáng)，通常為具體應(yīng)用特制專用的，設(shè)計(jì)開發(fā)者不需為所需功能制作焊接電路板，可以通過使用片內(nèi)硬件描述語言，調(diào)用器件庫中的各類標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了生產(chǎn)效率與系統(tǒng)可靠性。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及硬件選型2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)該系統(tǒng)使用多個(gè)硬件平臺(tái)與操作系統(tǒng)，總系統(tǒng)分為無線采集模塊，嵌入式中央控制器模塊，PC機(jī)服務(wù)器模塊Android手機(jī)app模塊四個(gè)部分，總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型2.2.1 嵌入式中央控制器嵌入式中央控制器使用 TQ2440 開發(fā)板，如圖2.2所示。開發(fā)板應(yīng)用 S3C2440 芯片，ARM9 硬件開發(fā)平臺(tái)，LCD 觸摸屏為創(chuàng)群 7 寸屏，均采用 5V 供電。Nandflash 為 256M，SDRAM 64MB，處理器主頻 400MHZ，能夠支持 Linux 與 Wince 操作系統(tǒng)。匯聚節(jié)點(diǎn)接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后，通過 RS232 串口將數(shù)據(jù)信息傳遞給嵌入式中央控制器。開發(fā)板上載有 DM9000 網(wǎng)卡，具備介質(zhì)無關(guān)接口，其驅(qū)動(dòng)程序可以移植至 Linux系統(tǒng)，連接路由器時(shí)可以為嵌入式控制器分配 IP 地址，經(jīng)過調(diào)試，通過 RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口，可以連接上網(wǎng)并與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信。圖2.2 TQ2440 開發(fā)板2.2.2 PWM控制電路本次設(shè)計(jì)是利用PWM波來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其實(shí)并不是直接給電機(jī)一個(gè)信號(hào)就直接控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的，而是通過一個(gè)電路經(jīng)過斬波，整形，放大，加上一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的。信號(hào)從JP-ZL端輸入就OK。其電路原理圖如圖2.3所示。圖2.3 PWM控制電路原理圖2.2.3 其他本系統(tǒng)采用模擬的溫室大棚做測(cè)試，執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括卷簾、風(fēng)扇、加濕器、模擬加熱裝置。TQ2440 開發(fā)板 GPIO 口輸出電流過小，因此無法驅(qū)動(dòng)外圍風(fēng)扇、卷簾、加濕器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，故需要使用三極管進(jìn)行電流放大。系統(tǒng)外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)均是220V 交流供電，使用繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的通斷控制。如圖2.4所示。圖2.4 外圍電器控制3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1嵌入式控制器開發(fā)流程本系統(tǒng)的嵌入式控制器模塊開發(fā)流程如圖3.1所示。系統(tǒng)開發(fā)分為 PC 端與嵌入式主板端。圖3.1嵌入式控制器開發(fā)流程3.2嵌入式控制器主程序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的中央控制器采用 QT 編寫，具有良好的人機(jī)交互界面。農(nóng)戶可以通過 LCD 觸摸屏選擇自動(dòng)或手動(dòng)控制外圍設(shè)備?？刂破鞑捎枚嗑€程設(shè)計(jì)模式，兩個(gè)線程。主線程實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面顯示，網(wǎng)絡(luò)查詢以及各功能模塊控制，線程二負(fù)責(zé)采集匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)與 TCP 網(wǎng)絡(luò)連接。程序流程圖如圖3.2所示。其中線程一監(jiān)聽界面各個(gè)按鍵，線程二讀取串口數(shù)據(jù)，每次讀取 20 位，并建立網(wǎng)絡(luò)連接。圖3.2 程序流程圖3.3 PC機(jī)服務(wù)器模塊本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是一套溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，方案為 Android 手機(jī) APP 對(duì)溫室大棚嵌入式中央控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，采用 C/S 架構(gòu)。從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與本文選用硬件的角度來看，即是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)進(jìn)程之間的通信，也就是手機(jī) app 進(jìn)程與嵌入式中央控制器主程序進(jìn)程之間的通信，把手機(jī)與嵌入式主板各看成一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)，要實(shí)現(xiàn)這兩臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的通信功能。在本系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)手機(jī) APP 對(duì)嵌入式中央控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，必須在中間建一橋梁，作為 server，手機(jī) APP 與嵌入式控制器同時(shí)作為 client 訪問該服務(wù)器，數(shù)據(jù)信息與控制指令需經(jīng)過服務(wù)器的中轉(zhuǎn)。如圖3.3所示。圖3.3 服務(wù)器中轉(zhuǎn)3.4 手機(jī) APP 模塊設(shè)計(jì)手機(jī) APP 通過數(shù)據(jù)連接上網(wǎng)，采用 java 編寫，通過 Android 下的 socket 網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)服務(wù)器進(jìn)程的網(wǎng)絡(luò)通信。手機(jī) APP 功能結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。圖3.4 手機(jī) APP 功能結(jié)構(gòu)圖4 系統(tǒng)測(cè)試在控制器外接 LCD 觸摸屏中可以看到各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集到的溫濕度信息，如圖4.1所示?？梢栽诒窘缑孢M(jìn)行自動(dòng)控制與手動(dòng)控制的切換，能夠通過開關(guān)按鈕控制模擬溫室中的卷簾、風(fēng)扇等外圍設(shè)備，在自動(dòng)控制下，能夠設(shè)定溫室內(nèi)溫度與濕度的目標(biāo)值，并能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢，并能夠生成圖像。圖4.1 LCD 觸摸屏顯示手機(jī)端可以成功地控制模擬溫室內(nèi)風(fēng)扇、卷簾、加濕器等外圍設(shè)備，并同樣具有參數(shù)設(shè)置的功能；可以設(shè)置溫度濕度閾值，數(shù)據(jù)異常時(shí)，手機(jī)會(huì)響鈴，即播放 mp3。如圖4.2所示。圖4.2 手機(jī)端顯示與控制圖5 結(jié)論本系統(tǒng)架構(gòu)分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊、嵌入式控制器模塊、PC 機(jī)服務(wù)器模塊、手機(jī) APP 模塊。經(jīng)測(cè)試，手機(jī) APP 具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室數(shù)據(jù)信息、控制外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)、報(bào)警、設(shè)置參數(shù)的功能，能夠?qū)厥掖笈镞M(jìn)行監(jiān)控