基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)設計

PAGE21目錄摘要 1關鍵詞 1Abstract 1Keywords 11研究背景 11.1研究的意義 11.2國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 21.3研究內容 22.溫室控制系統(tǒng)設計 32.1整體構架 32.2主要技術 33系統(tǒng)硬件設計方案 43.1基于S3C2440的控制器 43.2USB無線網(wǎng)卡 53.3無線路由器 53.4USB攝像頭 53.5UDA1341音頻解碼芯片 63.6DHT11溫室度傳感器模塊 63.7AD采樣 73.8PWM波產(chǎn)生器 73.9三極管電子開關 73.10硬件框圖 73.11模擬溫室圖 84系統(tǒng)軟件設計方案 94.1溫室端 94.1.1Uboot移植 94.1.2Linux移植 94.1.3制作文件系統(tǒng) 94.1.4Linux驅動的編寫 104.1.5V4L2視頻采集 114.1.6基于SOCKET編寫SERVER控制主程序 114.1.7移植MADPLAY播放器 124.1.8軟件構架圖 134.2PC端 144.3安卓端 155總結 16致謝 17參考文獻: 18

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)設計電子信息科學與技術專業(yè)學生指導教師鄒修國摘要：隨著信息技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，通過物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)對溫室的遠程控制是智能農(nóng)業(yè)的一個發(fā)展趨勢，本設計主要研究的是基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)，采用以ARM9為核心的S3C2440微控制器作為溫室端的主控制器并且移植了Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了PC機，安卓手機通過網(wǎng)絡對溫室的實時視頻監(jiān)控、溫濕度光強采集及控制。傳統(tǒng)的智能溫室需要工作人員進行本地操縱和看護，本設計解決了這個問題，實現(xiàn)了對溫室的遠程操縱和看護，做到足不出戶種好田。關鍵詞：溫室；物聯(lián)網(wǎng)；linux；控制系統(tǒng)DesignofGreenhouseControlSystemBasedonInternet

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ThingsStudentmajoringinElectronicInformationScienceandTechnologySongShuoTutorZouXiuguoAbstract:Withtherapiddevelopmentofinformationtechnologyandnetworktechnology,usingnetworkingtoachievethegreenhouseremotecontrolisadevelopmenttrendofintelligentagriculture.thisstudywasdesignedprimarilyThingsgreenhousecontrolsystembasedontheuseinthecoreoftheS3C2440ARM9microcontrollerasthehostcontrollersideofthegreenhouseandtransplantedlinuxoperatingsystem,realizedthePCandAndroidphoneviaanetworkofreal-timevideomonitoringofgreenhousetemperatureandhumidityacquisitionandcontroloflightintensity.Traditionalintelligentgreenhouserequiremanipulationoflocalstaffandcaregivers,thisdesignsolvesthisproblem.therealizationofgreenhouseremotemanipulationandcare,sothatdonotgoouttoplantthefinefields.Keywords:greenhouse;internet

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things;linux;controlsystems引言隨著計算機技術、傳感器技術和網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展以及整個社會信息化程度的快速提高，智能化農(nóng)業(yè)也取得了飛速的發(fā)展［１］。物聯(lián)網(wǎng)－一種把物體與電腦、手持設備通過互聯(lián)網(wǎng)連起來的通訊網(wǎng)絡。換而言之，物聯(lián)網(wǎng)連接著實物對象與智能化設備的網(wǎng)絡，對象的連接信息的采集，傳輸，計算過程不需要人的參與和干涉［２］。物聯(lián)網(wǎng)是嵌入式技術與互聯(lián)網(wǎng)技術的完美融合，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大量的傳感器節(jié)點構成了一張全方位，地毯式，高精度的監(jiān)控網(wǎng)絡，為了幫助作業(yè)人員快速地發(fā)現(xiàn)問題并且精確地捕捉發(fā)生問題的具體位置，可以通過各種傳感器來采集與農(nóng)作物生長有關的各種信息，數(shù)字智能控制系統(tǒng)在耕作、播種、施肥、灌溉和其他領域的業(yè)務的應用可以最大化的提高資源的農(nóng)業(yè)投入的效率?；谖锫?lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控已成現(xiàn)代信息化農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個熱點問題。精準農(nóng)業(yè)做為一種基于信息和知識管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)信息化是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展的趨勢，而農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化的基礎，從而提高工作效率，超越了地域的局限［３］。嵌入式技術與互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展為農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的研究提供了一個方向，思路。1研究背景1.1研究的意義傳統(tǒng)的溫室，作業(yè)人員獲取溫室信息的途徑比較少，主要是通過人工測量的方式來獲取溫室環(huán)境和作物信息，需要耗費大量的人力、物力來調控溫室環(huán)境，要求作業(yè)人員隨時看管溫室，不但浪費大量人力物力而且也無法達到對溫室的精準控制［４］。半自動話的溫室也要求作業(yè)人員長期看護。而基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室，不僅可以精確地控制、捕獲溫室環(huán)境，作業(yè)人員可以在全球任意一個有互聯(lián)網(wǎng)的角落進行溫室的遠程監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)也可以實現(xiàn)自動信息獲取與調控。通過配備無線傳感節(jié)點，每個無線傳感節(jié)點可監(jiān)測各類環(huán)境參數(shù)［５］。為了實現(xiàn)所有溫室測試地點信息的獲取、調控和分析處理，并以簡單明了的圖表和曲線方式顯示給各個溫室的操作人員，可由無線方式將信息傳回，并根據(jù)不同植物的需求來提供各種不同的聲光和短信報警信號，實現(xiàn)溫室統(tǒng)一化、網(wǎng)絡化式遠程管理［６］。

此外，在產(chǎn)品收獲后通過智能軟件對收集信息的處理可以得到植物在不同階段的環(huán)境影響因素，然后反饋到下一輪的生產(chǎn)，不斷積累和進步，從而得到質量更好的產(chǎn)品［７］。1.2國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、嵌入式技術和傳感器技術的不斷發(fā)展，智能農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)已經(jīng)得到快速發(fā)展［８］。物聯(lián)網(wǎng)技術在采集農(nóng)作物土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)、土壤含水量信息以及溫度信息、濕度信息，有關土地的氮濃縮量、濕度信息、和土壤pH值等方面正在發(fā)揮出越來越大的作用，通過科學監(jiān)測，科學種植，科學防災從而幫助提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)綜合效益，不斷轉型升級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。在現(xiàn)代溫室中，集群式的傳感器組成了一張功能各異的監(jiān)控網(wǎng)絡，通過各種傳感器采集的溫室內信息，用戶能夠及時地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題并且可以準確地獲取問題發(fā)生的具體位置。這種新型的種植方式使農(nóng)業(yè)向智能化現(xiàn)代化方式發(fā)展［９］。目前，在我國出現(xiàn)了一大批高性能、低成本的溫濕度和植物營養(yǎng)息采集傳感器，它們正在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)領域發(fā)揮著不可替代的作用，解決了快速獲取溫室中各種植物生長相關信息的技術難點。比如具有自主知識產(chǎn)權的可以精確地分析營養(yǎng)液和農(nóng)作物的養(yǎng)分信息傳感器；高精度智能稱重傳感器測量系統(tǒng)的智能化成功地解決了監(jiān)控系統(tǒng)的效率和精度問題。在現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)溫室里，通過各種傳感器獲取對應的傳感器信息，并將信息傳給上位機，由上位機控制執(zhí)行部件作用于溫室環(huán)境，從而保證農(nóng)作物一直都處在一個適宜的、良好的生長環(huán)境中［１０］?；谖锫?lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在發(fā)達國家的發(fā)展更是十分地迅速，已經(jīng)被應用到農(nóng)業(yè)的各個領域中，如土地資源的合理利用、綠色食品的監(jiān)管、植物生長環(huán)境監(jiān)測等相關領域，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫室控制應用的研究也相繼開展，并取得了一定的成績。

荷蘭的蔬菜溫室的智能化水平堪稱是世界一流，溫室內的濕度補給量、光照補給量、溫度補給量等參數(shù)都是由上位機自動計算出來的，其所需數(shù)據(jù)都來自溫室內的環(huán)境數(shù)據(jù)采集車，每2小時就能將溫室內營養(yǎng)液的含量以及植物的生長信息測定一次，溫室的蔬菜產(chǎn)量與質量都比傳統(tǒng)生產(chǎn)方式提高了8～10倍，而所耗費的人力卻大大減少了。

美國、法國和日本等國家主要綜合了嵌入式技術、傳感器技術和互聯(lián)網(wǎng)技術等現(xiàn)代化技術構建了現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，建立了一個全國范圍內的農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)，做到了對農(nóng)業(yè)環(huán)境的全面獲取和控制，從而確保農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)智能化發(fā)展。例如，美國已形成了生態(tài)環(huán)境信息采集-信息傳輸處理-信息發(fā)布的分層體系結構。2008年，法國建立了比較完備的、可以指導施肥、施藥、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的農(nóng)業(yè)區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)。1.3研究內容本設計的主要工作如下：（1）了解ARM9體系結構和學習S3C2440微控制器。（2）無線網(wǎng)絡以及攝像頭的應用。（3）音頻解碼芯片、溫濕度模塊、PWM輸出及AD采樣的學習。（4）Uboot、Linux的移植及嵌入式文件系統(tǒng)的制作。（5）Linux下驅動程序的編寫。（6）V4L2視頻采集的研究。（7）Socket編程的研究。（8）MFC編程的研究。（9）安卓開發(fā)平臺的搭建及軟件的開發(fā)。2.溫室控制系統(tǒng)設計2.1整體構架本設計中，個人PC機、安卓手機和溫室主控制器通過無線路由器相連，通過個人PC機和安卓手機可以通過網(wǎng)絡對溫室的進行溫度，濕度，光強的控制以及實時視頻流監(jiān)控，如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)整體構架2.2主要技術嵌入式系統(tǒng)的定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應于對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分［１１］。軟件部分分為嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序兩個部分。嵌入式操作系統(tǒng)起著進程調度，內存管理，設備管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡通訊等作用，并且銜接了應用程序與硬件，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及各種操作的實現(xiàn)。系統(tǒng)專用功能通過應用程序實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)起源于60年代，最早應用于軍事領域。70年代末期誕生的單片機成為嵌入式系統(tǒng)應用的堅實基礎［１２］。隨著微電子技術的發(fā)展以及處理器設計水平的提高，以ARM、DSP等32位處理器己經(jīng)在移動通訊、手持設備等領域占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。一般來說以32位以上的處理器為核心的系統(tǒng)才稱為嵌入式系統(tǒng)，由嵌入式硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式應用軟件三部分組成的專用計算機系統(tǒng)［１３］?，F(xiàn)如今時代，人們工作的各個領域都能看到嵌入式系統(tǒng)的影子，生活中，人們已經(jīng)離不開嵌入式系統(tǒng)了，嵌入式處理器已占嵌入式處理器市場份額的94％。而基于Linux的嵌入式系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展，不僅繼承了Linux源碼開放、內核穩(wěn)定高效、軟件豐富等優(yōu)勢，還支持大量的處理器構架和硬件平臺、占有運存小、成本低廉、結構緊湊等特點［１４］。本設計的溫室端主控制器系統(tǒng)采用了ARM9處理器+LINUX操作系統(tǒng)。Android中文名字為安卓，是在Linux內核基礎上開發(fā)并優(yōu)化了jvm的操作系統(tǒng)［１５］，本設計用Eclipse集成開發(fā)環(huán)境并且使用Java語言開發(fā)了基于安卓操作系統(tǒng)的溫室客戶端操作軟件，實現(xiàn)了用安卓手機遠程控制溫室。VC++6.0是Microsoft公司推出的用于開發(fā)Windows桌面程序集成開發(fā)環(huán)境，并且添加了微軟基礎類庫MFC。MFC不僅給程序開發(fā)人員提供了Windows桌面程序下的應用程序框架，還提供了創(chuàng)建應用程序的大量組件，這樣以來，開發(fā)Windows桌面程序就變得很簡單，所以節(jié)省了大量的時間。另外，它提供了大量的代碼，指引用戶編程時去實現(xiàn)某些技術和功能［１６］。因此，使用VC++提供的高度智能化的應用程序開發(fā)工具和MFC基礎類庫，可使我們高效地開發(fā)應用程序。微軟基礎類庫由C++類庫和MFC基礎類庫等兩部分組成，前者是是MFC類庫的主體部分，這些類是MFC桌面程序程序開發(fā)的框架。后者是前者更高層次的封裝，它們都是MFC進行Windows桌面程序開發(fā)時不可或缺的組成部分。正是由于MFC面向對象的開發(fā)思想使得我們編程變得容易和便于維護，基本上我們程序所需的功能，庫中的很多對象都提供了，這使得桌面程序開發(fā)者大大減少了代碼量，從而保證了程序有很好的可讀性和維護性［１８］。本設計使用VC++6.0使用了MFC類庫并且還移植了GDI+多媒體庫開發(fā)了PC端溫室客戶端操作軟件。實現(xiàn)了PC機通過網(wǎng)絡對溫室進行遠程控制。3系統(tǒng)硬件設計方案3.1基于S3C2440的控制器S3C2440基于ARM920T核心，采用32位精簡指令集，功耗較低，且全靜態(tài)設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用，采用了新的總線架構如先進微控制總線構架。

主要功能有以下幾點：

本文采用的主控制板如圖3-1所示：圖3-1ARMS3C2440開發(fā)板3.2USB無線網(wǎng)卡本設計采用SAGEM（薩基姆，如圖3-2所示）型號：XG-760A，頻率范圍為2.4G~2.4835GHz，傳輸率為54M/48M/36M/24M/18M/11M/5.5M/2M/1M，接口類型為USB2.0兼容USB1.X，天線類型為OnePIFAAntenna，適用網(wǎng)絡為802.11g（54M）802.11b（11M），加密方式為WEP64/128bits，USB主控芯片為ZD1211，本設計所用的內核中有此無線網(wǎng)卡的驅動，但是由于成本問題，廠家并沒有把無線網(wǎng)卡的固件固化在無線網(wǎng)卡中，也就是說，無線網(wǎng)卡只有RAM和存有基本功能程序的ROM，為了讓無線網(wǎng)卡能夠正常工作，還得去官網(wǎng)下載相應的固件，當無線網(wǎng)卡驅動程序工作時，無線網(wǎng)卡驅動程序會自動把此固件加載到到無線網(wǎng)卡的RAM中，無線網(wǎng)卡運行RAM中的程序后就能夠進行正常地工作。圖3-2USB無線網(wǎng)卡3.3無線路由器本設計采用TP-LINK路由器，加密方式為WEP64，SSID為：song，密碼為：1111111111，溫室主控板一開機便會自動連接此無線熱點，PC機、安卓手機與溫室的主控器通過此路由器組成無線局域網(wǎng)進行通訊。3.4USB攝像頭常見的CMOS攝像頭可分為數(shù)字量輸出攝像頭和模擬量輸出攝像頭。數(shù)字量輸出攝像頭叫做數(shù)字攝像頭，模擬量輸出的攝像頭叫做模擬攝像頭。數(shù)字攝像頭的輸出信號可以直接被微處理器獲取。模擬攝像頭的輸出信號必須轉換成數(shù)字信號并加以壓縮后才可以被微處理器獲?。郏保梗?。目前市場上的攝像頭基本是USB接口的，這種產(chǎn)品占據(jù)著大部分的攝像頭市場。在此之前還有過一種攝像頭曾經(jīng)風靡一時，不過得與視頻采集卡配合使用，已經(jīng)過時了。由于個人計算機的迅速普及再加上USB接口的傳輸速度遠遠高于串口、并口的速度，因此市場上大多都是USB接口的數(shù)字攝像頭［２０］。USB攝像頭的工作原理大致為：景物通過鏡頭（LENS）聚焦后生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為不同的電壓信號，經(jīng)過A/D（模數(shù)轉換）轉換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，再送到數(shù)字信號處理芯片（DSP）中進行壓縮處理，最后USB主控芯片通過USB傳輸協(xié)議進行圖片傳輸［２１］。本設計采用中星微USB攝像頭，USB主控芯片為ZC0301，linux內核自帶了此款USB攝像頭驅動程序。這款攝像頭支持640*480的高清圖片拍攝，有很好的穩(wěn)定性和色彩效果，并可以調節(jié)曝光度等等視頻采集參數(shù)。內置DSP數(shù)字信號處理器，將原始RGB圖片壓縮為jpeg格式圖片后通過USB接口輸出。3.5UDA1341音頻解碼芯片UDA1341（如圖3-3所示）是一款性價比很高的音頻解碼芯片采用IIS傳輸協(xié)議，可以采集音頻信號（模數(shù)轉換）和播放音頻信號（數(shù)模轉換），使用IIS數(shù)字音頻接口與CPU進行通訊，還提供了音頻信號處理的功能。被大量應用于嵌入式多媒體立體聲音播放領域。本設計通過UDA1341音頻解碼芯片外接了一個音響，用于播放音樂促進植物生長。圖3-3UDA13413.6DHT11溫室度傳感器模塊DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用先進的半導體技術及溫度測量技術不但具有極高的可靠性還具超高的穩(wěn)定性使之成為了一款具有高精確信號輸出（單總線協(xié)議）的溫濕度傳感器。傳感器使用半導體技術在其內部集成了感濕電路和測溫電路，并與一個高性能8位單片機相連接。校準系數(shù)是以數(shù)據(jù)的形式存在于DHT11內部存儲器中的，而且在出廠時都被校驗過，可以放心使用。傳感器使用單總線串行接口，只需要一根線就能夠進行數(shù)據(jù)通訊，節(jié)省布線成本，使用方便。另外，超低功耗使之更適用于嵌入式領域。該產(chǎn)品有三個引腳，VCC，GND，DATA采用3.3v或5v供電，溫濕度信息通過DATA信號線一位一位的傳給微處理器，每次傳輸5個字節(jié)，本設計采用DHT11溫濕度傳感器來采集溫室內溫濕度信息，用C語言基于linux混雜設備驅動模型開發(fā)了驅動程序用于采集溫度、濕度信息進而進行對其科學控制。3.7AD采樣S3C2440的具有8通道模擬輸入的10位模數(shù)轉換器（ADC），A/D轉換器用于將模擬信號轉換成數(shù)字信號。本設計采用S3C2440的模擬輸入的0號通道，當光強變化時，光敏電阻的阻值會發(fā)生變化，從而引起電壓的變化，通過采集光敏電阻的電壓值進而進行數(shù)據(jù)處理轉換從而獲得光強度，反饋給用戶。3.8PWM波產(chǎn)生器S3C2410A片內有5個16位定時器。本設計采用S3C2440的定時器0，用于輸出PWM波控制溫室光照強度，同時還實現(xiàn)了呼吸燈的效果。3.9三極管電子開關8050三極管最大集電極電流(A)：0.5A，直流電增益：10to60，由于S3C2440的GPIO驅動能力弱，本設計采用8050三極管做電子開關（如圖3-4所示），用來控制模擬溫室的照明燈光的電磁繼電器，模擬加熱器的電磁繼電器，模擬噴水器的電磁繼電器和模擬通風機的電磁繼電器。圖3-4三極管開關電路3.10硬件框圖本設計采用三星公司的基于ARM9的S3C2440微控制器，連接了DHT11溫濕度傳感器模塊，用于采集溫室內溫濕度信息、感光模塊用于采集光照強度、通風機用于給溫室通風、噴水器用于給農(nóng)作物澆灌、加熱器用于給溫室增溫、UDA1341音頻解碼芯片用于給植物播放音樂、USB攝像頭用于采集實時視頻、USB無線網(wǎng)卡用于連接互聯(lián)網(wǎng)、照明燈用于照明，如圖3-5所示。圖3-5系統(tǒng)硬件構架3.11模擬溫室圖本設計用亞克力板做了一個模擬溫室如圖3-6所示，配備了USB攝像頭、通風機、加熱器、噴水器、音響、亮度可調照明燈、光強監(jiān)測系統(tǒng)等等，攝像頭實時拍攝溫室內的圖像，通風機用于給溫室通風，當溫度不夠高時，用戶可以開啟加熱器給溫室增溫，當植物需要補水時，用戶可以開啟噴水器，還可以在適當?shù)臅r候給植物播放音樂和展現(xiàn)呼吸燈，讓農(nóng)作物更好的成長，同時溫濕度傳感器和光強度傳感器也會實時地把信息傳給用戶。圖3-6模擬溫室圖4系統(tǒng)軟件設計方案4.1溫室端4.1.1Uboot移植U-Boot，全稱UniversalBootLoader，用于引導操作系統(tǒng)啟動。U-Boot有與Linux內核很相似的源碼目錄、編譯形式，事實上，U-Boot中的很多設備驅動程序就是一些Linux內核驅動程序的簡化，比如NANDFLASH，網(wǎng)卡等等驅動程序，如果在linux驅動框架下重新整理這些驅動程序，便可以在linux下使用［２２—２３］。本設計采用1.1.6版的UBOOT，交叉編譯器為4.3.3。使用vmware6.0虛擬機軟件裝了比較好用的linux發(fā)行版Fedora10操作系統(tǒng)。移植步驟：（1）在虛擬機中新建一個開發(fā)板的相應目錄和文件（2）修改SDRAM的配置（3）增加對S3C2440的支持（4）編譯UBOOT映象4.1.2Linux移植Linux使用GPL，所有對嵌入式Linux感興趣的人都可以從互聯(lián)網(wǎng)上免費下載其內核并移植到特定的平臺和開發(fā)移植相應的應用程序。嵌入式Linux的發(fā)展變得極為迅速。富士通已經(jīng)在銷售基于Linux操作系統(tǒng)的消費類電子產(chǎn)品，例如個人PDA等，IBM也打算在手持機上裝載Linux操作系統(tǒng)，摩托羅拉則計劃在其未來推出基于Linux操作系統(tǒng)的手機［２４］?！癓inux標準庫”組織現(xiàn)在也在嵌入式領域開展了對Linux進行標準化的工作，但在以前都是對在X86上運行的Linux進行標準化的。嵌入式Linux標準吸取了“Linux標準庫”以及Unix組織中有益的元素［２５］。本設計采用版的linux內核，交叉編譯器為4.3.3。使用vmware6.0虛擬機軟件裝了比較好用的linux發(fā)行版Fedora10操作系統(tǒng)。主要操作步驟如下：（1）獲取linux系統(tǒng)源碼（2）解壓系統(tǒng)源碼到虛擬機中（3）在系統(tǒng)中添加對ARM處理器的支持（4）修改平臺輸入時鐘（5）修改機器碼（6）NandFlash驅動移植（7）移植Yaffs文件系統(tǒng)（8）配置和編譯內核4.1.3制作文件系統(tǒng)BusyBox為嵌入式Linux提供了一個標準的單個可執(zhí)行工具集。有些人將BusyBox稱為Linux工具里的瑞士軍刀［２６］。BusyBox包含了一些例如cat和echo等常用的工具也包含了例如grep、find、mount以及telnet等一些功能更大、更復雜的工具。BusyBox集成壓縮了Linux的許多常用的工具和命令通俗的講它好像就是linux的一個大的工具箱。

BrucePerens在1996年為DebianGNU/Linux編寫了一個GNU/Linux系統(tǒng)的引導程序，它可以安裝在安裝盤和急救盤上，后來發(fā)展為BusyBox。

先到相關網(wǎng)站下載busybox源代碼，然后操作如下：（1）配置busybox配置busybox的配置程序和linux內核菜單配置方式簡直一模一樣下面是編譯busybox時的配置功能選項。

必須選定此選項，這樣才可以把busybox編譯成靜態(tài)鏈接的可執(zhí)行文件，運行時才不需要其他函數(shù)庫的支持。否則在單個linux內核的情況下它不能夠正常工作，必需要添加其他庫文件到文件系統(tǒng)中才能運行，比較麻煩，因此建議選擇此選項。

Don'tuse/usr

必須選定此選項，用來告訴程序不要安裝在系統(tǒng)路徑中。

（2）編譯并安裝busybox

編譯好后在busybox目錄下生成子目錄_install，里面的內容：

其中可執(zhí)行文件busybox在bin目錄下，其他的都是指向他的符號鏈接。生成這些文件后使用yaffs映象工具生成根文件系統(tǒng)映象，然后通過UBOOT下載到開發(fā)板的NANDFLASH中，自此完整的嵌入式linux系統(tǒng)構建起來了，最后由linux內核啟動時自動掛載此文件系統(tǒng)映象，然后從該文件系統(tǒng)中獲取驅動文件并插入內核，最后獲取應用程序并且使之運行。4.1.4Linux驅動的編寫（1）編寫GPIO口驅動程序本設計使用了三個GPIO口，GPG0（用于控制加熱器），GPG1（用于控制噴水器），GPG10（用于控制通風電機），以字符設備驅動模型編寫了此驅動程序，設備名為song_gpio，主設備號為231。應用程序使用open函數(shù)打開此設備，然后調用ioctl函數(shù)便可對IO口的電平進行控制，從而實現(xiàn)對加熱器，噴水器，通風電機的控制。（2）編寫AD模塊驅動程序本設計使用了S3C2440片內AD模塊，用于采集光照強度，同樣以字符設備驅動模型編寫了此驅動程序，設備名為song_adc。光強的變化會引起光敏電阻阻值的變化，從而引起電壓的變化，應用程序通過獲得光敏的電壓值來計算當前的光照強度，從而反饋給作業(yè)人員。（3）編寫PWM模塊驅動程序本設計使用了S3C2440片內PWM模塊，用于控制溫室照明，以混雜設備驅動模型編寫了此驅動程序，設備名為song_pwm。應用程序通過調用驅動程序改變PWM輸出波的占空比，從而改變照明燈獲取的功率，從而使光照強度變得可調。（4）編寫DHT11模塊驅動程序本設計使用了DHT11溫濕度傳感器模塊，這款傳感器采用單總線傳輸協(xié)議，本設計也是以混雜設備驅動模型編寫了此驅動程序，設備名為song_dht11。為了減少誤差，在本設計中應用程序獲取了五次溫濕度信息之后進行冒泡排序，有效值取中間值，進行格式處理后發(fā)給PC機和安卓手機，讓操作人員實時了解溫室內的溫濕度信息。4.1.5V4L2視頻采集VideoforLinuxtwo(Video4Linux2)簡稱V4L2，是V4L的改進版。V4L2是linux操作系統(tǒng)下用于采集視頻，圖片數(shù)據(jù)的API接口，在遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有著廣泛的應用，配合符合V4L2框架的驅動程序和對應的視頻采集設備，可以實現(xiàn)圖片、視頻等信息的采集［２７］。V4L2在include/linux/videodev.h文件中定義了一些標準數(shù)據(jù)結構，應用程序和驅動程序通過ioctl函數(shù)和這些標準數(shù)據(jù)結構進行數(shù)據(jù)通訊從而獲得圖像數(shù)據(jù)［２８］。V4L2規(guī)范中不僅定義了輸入/輸出方法(Input/Output)，圖像的格式(ImageFormats)等通用API接口，還定義了Linux內核驅動處理視頻信息如VideoCapture，VideoOutput，VideoOverlay，VideoOutputOverlay，Codec等一系列接口(Interfaces)。V4L2支持內存映射方式(mmap)和直接讀取方式(read)來采集數(shù)據(jù)，內存映射方式一般用于連續(xù)視頻數(shù)據(jù)的采集，直接讀取方式常用于靜態(tài)圖片數(shù)據(jù)的采集，本設計采用內存映射方式采集視頻，所以，重點討論內存映射方式的視頻采集［２９］。應用程序通過V4L2接口采集視頻數(shù)據(jù)分為以下幾個步驟：（1）打開攝像頭設備，使用阻塞方式打開，通過ioctl函數(shù)和v4l2_format數(shù)據(jù)結構初始化視頻圖像的大小和格式等參數(shù)。（2）使用ioctl函數(shù)讓驅動程序申請若干視頻采集的幀緩沖區(qū)，并用mmap函數(shù)將這些幀緩沖區(qū)從內核空間映射到用戶空間，以便于應用程序直接讀取視頻數(shù)據(jù)。（3）打開視頻。（4）通過ioctl函數(shù)讓驅動程序開始采集視頻數(shù)據(jù)。（5）停止視頻采集。應用程序與驅動程序對圖像緩沖區(qū)的整個處理過程，如圖4-1所示。圖4-1視頻采集輸入和輸出隊列示意圖因為本設計采用這款中星微USB攝像頭傳回來的原始圖像數(shù)據(jù)就是jpeg格式，linux內核中自帶了用v4l2框架編寫的驅動程序，因此應用程序可以直接獲取USB攝像頭采集到的圖片數(shù)據(jù)，因為本設計所采用的處理器核心為ARM9，它的多媒體數(shù)據(jù)處理能力很有限，因此本設計沒有進行幀間壓縮，為了減輕處理器負擔所以本設計沒采用的視頻數(shù)據(jù)流格式為為mjpeg（運動靜止圖像壓縮技術）。實際工作過程中幀率差不多為5幀/s，所占帶寬不到100kB/s。4.1.6基于SOCKET編寫SERVER控制主程序Socket也叫作“套接字”，上層應用程序通過“套接字”向網(wǎng)絡發(fā)出數(shù)據(jù)包或者接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包從而實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊。拿J2SDK來說，ServerSocket被用于SERVER端，Socket用于CLIENT端是建立連接時而使用的。Socket和ServerSocket類庫都在java.net包中。當CLIENT連接SERVER成功時，CLIENT和SERVER都會得到一個套接字實例，通過對這個實例的讀寫，即可完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸。對于一個CONNECT來說，套接字跨平臺的，不會因為在服務器端或在客戶端而產(chǎn)生不同，也不會因為處理器的不同而不同。根據(jù)操作系統(tǒng)所提供的網(wǎng)絡編程API，SOCKET編程一般可可以分為如下三個步驟：SERVER監(jiān)聽，CLIENT請求連接，SERVER確認連接。SEVER監(jiān)聽：創(chuàng)建SERVERSOCKET實時處于等待連接的狀態(tài)。CLIENT請求：指客戶端通過IP地址和端口號設置套接字然后請求到要連接的服務器端的目標套接字。SERVER確認：是指當SERVER監(jiān)聽到CLIENT請求，新建1個CONNECT，然后把SERVER的描述結構體發(fā)給CLIENT，CLIENT確認表示已建成連接［３０］。流式Socket（SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)報式Socket（SOCK_DGRAM）是套接字常用的兩種類型。前者是一種面向連接的套接字，用于面向連接的TCP網(wǎng)絡應用，為可靠性傳輸；后者是一種無連接的套接字，對應于無連接的UDP網(wǎng)絡應用，用于傳輸速度快但可靠性要求不高的場合。程序可以調用Socket函數(shù)來建立套接字，這個函數(shù)返回一個套接字句柄，供應用程序讀寫，實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊。socket函數(shù)原型為：intsocket(intway,inttype,intprotocol)；way代表所使用的協(xié)議族類型，一般情況下設為PF_INET，同時這個函數(shù)也允許程序使用低層的IP協(xié)議，一般情況下protocol設為0。Socket函數(shù)會返回給應用程序一個整型的socket描述符，應用程序可以根據(jù)實際情況對之讀取或寫入數(shù)據(jù)。Socket句柄指向socket描述符表入口，實際上它就是一個指向操作系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)結構的指針。當應用程序調用Socket函數(shù)時，socket的子系統(tǒng)的實現(xiàn)部分將建立一個Socket返回給應用程序。網(wǎng)絡應用程序之間的一個網(wǎng)絡連接包括了五種信息并且存在于Socket數(shù)據(jù)結構中分別是：傳輸層協(xié)議、本地IP地址、本地端口號、目標IP地址和目標端口號。本設計的溫室主控板與PC機、安卓手機通訊都是基于socket套接字的，本設計實現(xiàn)了多線程socket編程，每次被PC機或安卓手機連接時，都會自動創(chuàng)建一個線程進行單獨處理，因此主控端可以同時連接多個PC終端和安卓終端，主控板通過USB無線網(wǎng)卡，把視頻數(shù)據(jù)、溫濕度光強信息發(fā)給PC機和安卓手機，PC機和安卓手機通過控制字對溫室進行控制。在實驗階段由于發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)本身視頻傳輸所占帶寬并不高，采用UDP并不能明顯改善用戶體驗，因此本設計采用可靠性較高的TCP協(xié)議并自主設計了視頻幀傳輸格式，每一次傳輸圖像數(shù)據(jù)前，首先傳輸固定的四個字節(jié)，用于表示當前幀的大小，從而告訴接收端此次要接收多少個字節(jié)，接收端接收到一幅圖片數(shù)據(jù)后即調用相應的顯示圖像函數(shù)進行顯示，循環(huán)此過程，就會顯示出實時視頻流。本設計自主設計了溫濕度信息和光強信息的傳輸幀格式，應用程序每次獲得溫濕度信息、光強度信息后都把這三個數(shù)據(jù)進行封包，每個封包都有固定的長度，而且每隔100ms便會向終端發(fā)送一次，因此接收端很容易就可以解析出包中的溫濕度信息和光強信息并且有很高的實時性。PC機和安卓手機是通過一個字節(jié)8位的控制字進行控制溫室操作的，一個字節(jié)8個bit，共可以表示256種信號，比如終端給溫室控制器發(fā)送1時就代表開噴水器，發(fā)2時就代表關噴水器。4.1.7移植MADPLAY播放器Madplay是一個常用的嵌入式MP3音樂播放器采用MAD算法，解碼效果在同類軟件中還是非常出色的，而且還支持命令行操作。該多媒體播放應用程序的實現(xiàn)方式與同類應用相比有很好的通用性，只需要很小幅度的修改就能移植到不同的嵌入式平臺上，可廣泛使用在各種多媒體播放器中［３１］。madplay的移植需過程：（1）編譯zlib（2）編譯libid3tag（3）編譯libmad（4）編譯madplay當終端發(fā)出“播放音樂”指令時，應用程序會先vfork一個進程，并且保存其進程ID，然后使用exec族函數(shù)載入madplay播放器的可執(zhí)行映象，從而實現(xiàn)音樂的播放，促進植物更好的生長，當用戶發(fā)出“關閉音樂“指令時，應用程序會向之前保存的那個進程ID發(fā)送一個kill信號，殺死那個音樂播放線程，從而停止播放音樂。4.1.8軟件構架圖圖4-2是系統(tǒng)軟件構架圖，視頻采集應用采用多線程編程、V4L2編程和網(wǎng)絡編程等技術用來采集視頻流傳給PC機和安卓手機，從而實現(xiàn)實時視頻監(jiān)控，SERVER控制應用用來接收PC機和安卓手機的指令完成對溫室內通風機、噴水器、加熱器、照明燈、音樂播放器的控制，溫濕度采集應用用來把溫濕度數(shù)據(jù)傳給PC機和安卓手機，MADPLAY播放器用于播放MP3歌曲，開機流水燈應用用來指示開機完成，呼吸燈應用用來實現(xiàn)燈光的催眠效果。本設計采用了版的linux內核，內核可搶占，實時性較高。GPIO驅動用來驅動與通風機、噴水器、加熱器相連的IO口，AD驅動用來采集實時光照強度，PWM驅動用來驅動照明系統(tǒng)，并使照明系統(tǒng)實現(xiàn)亮度可調節(jié)，DHT11驅動用來驅動溫濕度傳感器模塊從而獲取溫濕度的實時數(shù)據(jù)信息，UDA1341驅動用來驅動音頻解碼芯片，用來播放音樂。USB無線網(wǎng)卡驅動用來驅動USB無線網(wǎng)卡，從而進行網(wǎng)絡通訊，USB攝像頭驅動用來驅動USB攝像頭從而獲取圖像數(shù)據(jù)，進行實時視頻監(jiān)控。 圖4-2系統(tǒng)軟件構架

4.2PC端本人事先學習了WINDOWS下C++語言及其編程，隨后為了簡化程序開發(fā)，移植了GDI+多媒體庫，以便于直接解壓并顯示jpeg格式的圖像幀，并且使用了微軟基礎類庫MFC大大地提高了開發(fā)效率。最后融合了多線程編程、SOCKET編程、信號編程和定時器編程完成了PC端軟件的設計。本設計用VC++6.0設計了如圖4-3的PC端控制程序，左側為實時視頻流，實時顯示了溫室內的情況，右側為控制信息，IP為溫室主控板的IP地址，如果溫室控制板有公有IP便可以實現(xiàn)在全球任何一個聯(lián)網(wǎng)的地方通過PC機和安卓手機進行溫室管理。實時溫度，實時濕度，實時光強為溫室內的實時溫度，實時濕度和實時光強。設置溫濕度為智能模式下要維持的一個數(shù)值，開啟智能模式時，當溫室內溫度高于這個值，通風機便會自動打開，低于此溫度，加熱器就會自動打開。播放音樂用于打開溫室端的音樂播放器，開始噴水，開始增溫，開始通風分別控制噴水器，加熱器和通風機。開燈用于開啟溫室的照明，并且光強可調，另外還實現(xiàn)了一個催眠呼吸燈的效果，用于促進植物生長。圖4-3PC端控制界面

4.3安卓端本人事先學習了JAVA語言，隨后搭建了安卓開發(fā)環(huán)境并且學習了安卓多線程編程、安卓SOCKET編程以及安卓多媒體編程最后融合了這幾種編程方法，用Eclipse集成開發(fā)環(huán)境設計了如圖4-4的安卓端控制程序，左側為實時視頻流，用于實時顯示溫室內的當前情況，右側為控制信息，IP為溫室主控板的IP地址，如果此IP為公有IP，便可以在全球任何一個聯(lián)網(wǎng)的角落對溫室進行實時管理，實時溫度，實時濕度，實時光強實時顯示著溫室內的溫度，濕度和光強。設置溫濕度為智能模式下要維持的一個數(shù)值，開啟智能模式時，當溫室內溫度高于這個值，通風機便會自動打開，低于此溫度，加熱器就會自動打開。播放音樂用于打開溫室端的音樂播放器，用于促進植物的良好成長。開始噴水，開始增溫，開始通風分別控制噴水器，加熱器和通風機。開燈用于開啟溫室的照明，并且光強可調，另外還實現(xiàn)了一個催眠呼吸燈的效果，用于促進植物生長。圖4-4安卓端控制界面

5總結 經(jīng)過幾個月的刻苦研究與實踐，在本次畢業(yè)設計中我完成了以下工作：（1）學會了ARM9內核的S3C2440控制器，熟悉了NandFlash,網(wǎng)卡，攝像頭的原理。（2）學會移植Uboot、Linux,以及制做嵌入式文件系統(tǒng)。（3）學會了Linux下GPIO、ADC、PWM、單總線器件的驅動程序編寫。（4）學會了Linux下應用程序開發(fā)：多進程編程、SOCKET編程、V4L2編程。（4）實踐了匯編和C語言。（4）熟悉了計算機網(wǎng)絡的知識。（5）學會了C++語言和用VC++的MFC編程。（6）學會JAVA語言和安卓開發(fā)。通過本次畢業(yè)設計的研究，我確實學到了很多東西，掌握了許多以前不懂的知識，認識了物聯(lián)網(wǎng)技術，提高了自學能力，鞏固了我的專業(yè)知識基礎，更擴展了我的知識面。基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)設計基本實現(xiàn)了預定的設計要求，但還可以進行不斷的修改和完善，由于設計時間短僅僅開發(fā)了C/S構架的PC客戶端和安卓客戶端，計劃在未來時間內增加B/S結構，這樣就可以兼容所有的手持設備了。

致謝經(jīng)過堅持不懈的努力，并在老師、同學的幫助之下，我圓滿地完成了畢業(yè)設計的工作。在這里我衷心的向所有給予我關心和幫助的老師、同學致以最真誠的感謝！本畢業(yè)設計的研究及學位論文的撰寫都是在鄒修國老師的悉心指導下完成的。他嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和誨人不倦的治學精神以及精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。在整個畢業(yè)設計中，鄒修國老師始終給予我精心的指導和不懈的支持，對我的畢業(yè)設計幫助頗多。他寬以待人的高尚品格，為我樹立了榜樣，并將使我受益終生。鄒修國老師不僅在學業(yè)上給我以耐心指導，同時還在思想、生活上給我無微不至的關懷。在此，謹向鄒修國老師致以最崇高的敬意和最誠摯的感謝。最后，感謝母校提供良好的學習平臺，感謝母校每一位老師對我四年學習、生活的支持和鼓勵，謝謝你們的教誨。

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