朱紹朋，鄧銘輝，馮　江

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，哈爾濱　150030)

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基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究

朱紹朋，鄧銘輝，馮江

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為了對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的污染情況進(jìn)行監(jiān)測，并能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的獲取信息，提出了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境的遠(yuǎn)程信息采集系統(tǒng)，并最終得到了實(shí)現(xiàn)。開發(fā)了以ARM9系列的S3C2440處理器、GPRS模塊和傳感器等組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境信息的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和信息的實(shí)時(shí)采集。同時(shí)，通過GPRS模塊構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞，完成了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)可將結(jié)果在客戶端的上位機(jī)軟件顯示，有效地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)存在的傳輸距離受限及數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)性等問題。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測；嵌入式系統(tǒng)；GPRS；傳感器

0引言

環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)的承受能力越來越脆弱。因此，解決環(huán)境污染問題已經(jīng)迫在眉睫，準(zhǔn)確地獲取環(huán)境信息變得越來越重要。本文采取嵌入式微處理器S3C2440為核心作為硬件系統(tǒng)的平臺(tái)，同時(shí)嵌入Linux的操作系統(tǒng)并利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；下位機(jī)傳感器接收環(huán)境信息作為監(jiān)測點(diǎn)，檢測紫外線輻射、SO2含量等環(huán)境信息；最終讓數(shù)據(jù)在上位機(jī)(網(wǎng)頁)上顯示出來，切實(shí)有效地解決了以往系統(tǒng)面臨的信號(hào)傳輸?shù)母蓴_、傳輸過程的沖突等問題，從而使信息能夠準(zhǔn)確的傳輸?shù)玫搅吮ＷC。

本著成本要低、功耗要小、實(shí)時(shí)性要好的應(yīng)用需求，利用嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[1]。以處理器S3C2440為核心并嵌入Linux系統(tǒng),結(jié)合紫外線輻射、SO2等傳感器，采集并處理農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的信息，并通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控端，利用瀏覽器獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線顯示。對(duì)于農(nóng)田環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，采用“B/S”模式來實(shí)現(xiàn)，在電腦或手機(jī)瀏覽器上輸入網(wǎng)址即可對(duì)田間的環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)測[2]。

1嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

嵌入式硬件平臺(tái)的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的選擇都是非常重要的。系統(tǒng)主要是從功耗(越低越好)、穩(wěn)定性和兼容性等因素來對(duì)硬件系統(tǒng)的平臺(tái)進(jìn)行擇優(yōu)選取。整個(gè)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由下位機(jī)(嵌入式服務(wù)器、傳感器等)和上位機(jī)(網(wǎng)頁)組成。其中，下位機(jī)具體包括嵌入式微處理器 S3C2440、GPRS通訊模塊、紫外線輻射傳感器和SO2傳感器等[3]，上位機(jī)則由瀏覽器組成。硬件整體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1　微控制器

從性能和成本等方面考慮，最終采用FL2440開發(fā)板作為系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)穩(wěn)定性好且具有豐富的硬件接口，支持多種操作系統(tǒng)，采用超低功耗的、處理的能力非常強(qiáng)的及穩(wěn)定性非常好的ARM微處理器S3C2440作為系統(tǒng)的控制核心。S3C2440的主頻是400MHz，其主頻可倍頻至533MHz，支持3.3V或5V電壓供電，容括了實(shí)驗(yàn)所需的所有要求。

開發(fā)版內(nèi)集成了64M的ROM和256M的NAND Flash。Flash/ROM主要用于存儲(chǔ)軟件的程序和嵌入式系統(tǒng)，其擁有64M的能夠提供中等容量存儲(chǔ)的SD卡接口，USB HOST能夠提供大容量的USB硬盤存儲(chǔ)，IDE能夠做總線的擴(kuò)展口。

1.2　傳感器

本著成本必須低、功耗必須小、體積必須小、實(shí)時(shí)性要好的產(chǎn)品供應(yīng)需求，選取的傳感器型號(hào)分別為KODENSHI SO2傳感器和Lzw-r4紫外線輻射傳感器。其中，SO2傳感器的工作電壓在5V左右，輸出為數(shù)字型的信號(hào)，溫度的范圍為-20～50℃，特點(diǎn)是傻瓜式兩線接線方式。該模塊的性能特點(diǎn)是具有穩(wěn)定性和可靠性，并且具有過壓保護(hù)和過流保護(hù)。紫外線輻射傳感器工作電壓一般在12～24V之間，其精確度大約為±3%rdg，工作溫度-40～80℃，特點(diǎn)是測量精度高、穩(wěn)定性好、傳輸距離長及抗外界干擾能力強(qiáng)。

1.3　無線通訊模塊

通信模塊采用SIM900A與電腦進(jìn)行TCP和UDP數(shù)據(jù)傳輸，前提是要保證電腦具有公網(wǎng)IP，否則無法實(shí)現(xiàn)通信。同時(shí)，需要在電腦端下載“網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手.exe”軟件。SIM900A采用的供電模式為單電源供電，供電的范圍在3.2~4.8V之間。該模塊不僅支持RS232串口，而且還支持LVTTL串口(即支持3.3V/5V的系統(tǒng))，支持5~24V的超寬工作范圍，這樣就更容易實(shí)現(xiàn)與嵌入式系統(tǒng)的連接。此模塊具有成本低、功耗小及簡單靈活的操作，當(dāng)模塊掉線以后可以自動(dòng)的進(jìn)行連接。其傳輸方式原理圖如圖2所示。

圖2　傳輸方式原理圖

2嵌入式系統(tǒng)的移植

一個(gè)好的硬件系統(tǒng)的平臺(tái)總是離不開軟件系統(tǒng)的支持。操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)方面的最核心部分，主要負(fù)責(zé)的是管理系統(tǒng)中的信息，對(duì)系統(tǒng)各部分之間進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)管理，保證系統(tǒng)之間友好的合作，給應(yīng)用程序提供穩(wěn)定的開發(fā)平臺(tái)。嵌入式操作系統(tǒng)有各種各樣的選擇,從實(shí)驗(yàn)的可行性考慮，選用嵌入式Linux系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)有自己非常多的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如源代碼公開對(duì)外開放、存在廣泛的技術(shù)支持、優(yōu)越的擴(kuò)展性能及對(duì)許多硬件都支持等。此次實(shí)驗(yàn)的硬件開發(fā)環(huán)境主要是ARM9提供的,將ARM Linux操作系統(tǒng)嵌入以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)與發(fā)送等。

2.1　ARM Linux系統(tǒng)的移植

每一個(gè)硬件平臺(tái)都必需帶有引導(dǎo)程序，嵌入式Linux有其獨(dú)特的引導(dǎo)程序。與經(jīng)常用到的標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)相比，要想啟動(dòng)嵌入式Linux，必須要從FLASH或ROM中啟動(dòng)。由于嵌入式Linux系統(tǒng)保存的位置和其它系統(tǒng)有所區(qū)別，因此標(biāo)準(zhǔn)的LILO不能直接引導(dǎo)其啟動(dòng)，故此本實(shí)驗(yàn)選擇了u-boot。此次實(shí)驗(yàn)使用的是開發(fā)板附帶的u-boot。圖3列出了ARM Linux移植步驟。

圖3　ARM Linux的移植步驟

2.2　ARM Linux的內(nèi)核及對(duì)文件系統(tǒng)的下載

首先通過下載串口將u-boot下載到嵌入式開發(fā)板上，然后將ARM Linux的內(nèi)核及其文件系統(tǒng)利用串口的方式下載下來。

由于系統(tǒng)的內(nèi)核及文件系統(tǒng)的映像文件通常都是非常大的，但對(duì)于串口的傳輸速度來說是相對(duì)比較慢的。為了提高傳輸速度，使用以太網(wǎng)模式來下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，下載前要配置u-boot中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

2.3　Linux驅(qū)動(dòng)程序

外圍的硬件設(shè)備是由Linux操作系統(tǒng)來控制的。當(dāng)將Linux操作系統(tǒng)定制并且最終移植好之后，所有的應(yīng)用程序都有了自己最基礎(chǔ)的運(yùn)行環(huán)境，但只有在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序下Linux控制設(shè)備才能正常運(yùn)行設(shè)備[4]。

內(nèi)核與硬件之間的橋梁是驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)備接口是由驅(qū)動(dòng)程序提供的。其作為一個(gè)中轉(zhuǎn)通道，充當(dāng)了應(yīng)用程序與內(nèi)核之間訪問的支架，使內(nèi)核的運(yùn)行變的更加的安全。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)安裝上之后，應(yīng)用程序就可以將硬件設(shè)備映射為一種可以進(jìn)行讀、寫、打開、分配和關(guān)閉等操作的特殊的設(shè)備文件。Linux驅(qū)動(dòng)程序的加載流程如圖4所示。

3遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了能夠使獲得的信息實(shí)時(shí)地在網(wǎng)頁上顯示出來，監(jiān)測系統(tǒng)必需具備WEB服務(wù)且系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測采用了B/S結(jié)構(gòu)，通過使用瀏覽器(計(jì)算機(jī)或手機(jī))來訪問系統(tǒng)所在的網(wǎng)頁地址,從而獲取采集的信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。B/S結(jié)構(gòu)的有其獨(dú)特的有點(diǎn)：①開發(fā)環(huán)境簡單，對(duì)于系統(tǒng)的部署和維護(hù)變得更加方便[5]；②與其他結(jié)構(gòu)相比共享性強(qiáng)，易于后期的擴(kuò)展，只需在手機(jī)或電腦上打開瀏覽器，在瀏覽器上輸入系統(tǒng)所在的網(wǎng)址就可獲取實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息。圖5為遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖。

圖4　Linux驅(qū)動(dòng)加載流程

圖5　嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)圖

3.1　B/S結(jié)構(gòu)的WEB遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

B/S結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是使用非常的方便，信息查詢服務(wù)非常的人性化，而且查詢是全方位的并且簡單易操作，能夠進(jìn)行功能擴(kuò)展并且維護(hù)起來非常的方便。因此，文章最終選用B/S結(jié)構(gòu)的Web監(jiān)控的方式來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。

WEB遠(yuǎn)程監(jiān)控采用B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，用戶只需通過使用Web瀏覽器，由GPRS模塊為其提供網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程訪問。其不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)在線查詢，而且可以利用PHP程序來對(duì)獲取的信息進(jìn)行一些基礎(chǔ)的控制操作，能夠更好地實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和瀏覽器之間信息的友好發(fā)送和接收。瀏覽器和服務(wù)器之間的通信流程如圖6所示。

圖6　服務(wù)器- 瀏覽器通訊流程

3.2　程序設(shè)計(jì)

PHP程序用有自己獨(dú)特的一方面，與其他程序設(shè)計(jì)是有所區(qū)別的，PHP做出的動(dòng)態(tài)頁面的執(zhí)行效率非常的高，是其它程序所無法實(shí)現(xiàn)的。PHP的執(zhí)行方法是將程序嵌入到HTML文檔中去，另一個(gè)特點(diǎn)是編譯后的代碼也可以執(zhí)行，編譯以后可以使代碼得到優(yōu)化運(yùn)行的效果以至于代碼運(yùn)行的速度加快[7]。PHP工作流程如圖7所示。

圖7　PHP工作流程示意圖

3.3　服務(wù)器通信服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器是系統(tǒng)的核心部分，是程序設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。在通信服務(wù)方面，其工作的一般過程為：首先，服務(wù)器啟動(dòng)后，服務(wù)器端程序會(huì)創(chuàng)建并綁定一個(gè)套接字，并且對(duì)地址進(jìn)行反復(fù)的循環(huán)偵聽連接；若服務(wù)器接收到瀏覽器程序的連接服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器就會(huì)立即啟動(dòng)相關(guān)程序與其進(jìn)行連接，并建立好連接關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和瀏覽器之間的響應(yīng)；通過Socket對(duì)象實(shí)現(xiàn)與瀏覽器之間的交流，將結(jié)果反饋至瀏覽器。服務(wù)器的通信流程如圖8所示。

圖8　服務(wù)器端通信流程圖

3.4　WEB監(jiān)控主界面的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

終端中運(yùn)行相應(yīng)的程序(服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集程序)，在監(jiān)控端上的瀏覽器(手機(jī)、電腦)內(nèi)輸入嵌入式服務(wù)器相應(yīng)網(wǎng)址，即進(jìn)入監(jiān)控的主界面。要想獲取采集信息，只需點(diǎn)擊網(wǎng)頁上對(duì)應(yīng)的按鈕，就會(huì)進(jìn)入子頁面，PHP程序調(diào)用傳感器采集程序，并將結(jié)果在網(wǎng)頁上顯示[8]。

4系統(tǒng)應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)的目的是在低成本的情況下對(duì)信息進(jìn)行準(zhǔn)確的獲取。系統(tǒng)的工作情況如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)設(shè)置主界面

本系統(tǒng)于2015年9月對(duì)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)附近的環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，并將獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)與國家環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)的靈敏度高，能完成環(huán)境實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測。表1列出的是實(shí)驗(yàn)一天的環(huán)境測量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)收集到的數(shù)據(jù)只是一天中東北農(nóng)業(yè)大學(xué)附近的部分?jǐn)?shù)據(jù)，所以經(jīng)過分析計(jì)算出來的數(shù)據(jù)只能代表所監(jiān)測時(shí)間范圍內(nèi)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)附近的環(huán)境信息，與相關(guān)部門發(fā)布的參考值存在偏差。

表1　系統(tǒng)測量數(shù)值表

5結(jié)論

1)給出了一種基于嵌入式操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境信息的精準(zhǔn)監(jiān)測，解決了以往傳統(tǒng)人工測量不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的問題。

2)以SIM900A模塊為系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)支持，實(shí)現(xiàn)GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸及對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并完成了準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測目的。

3)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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Mobile Internet Technology Based on Farmland Ecological Environment Research of Remote Monitoring System

Zhu Shaopeng， Deng Minghui， Feng Jiang

(School of Electric and Information, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：To accurate, real-time monitoring of the ecological environment of farmland pollution, proposed and implemented mobile Internet technology and real-time processing system based on rapid acquisition of farmland ecological environment. Developed a series of S3C2440 ARM9 processor, GPRS module and sensors and other components of data acquisition systems, the realization of the ecological environment of farmland automatic information collection, storage and transmission of information of the wireless network. And through the GPRS module embedded systems and Internet information exchange, completed the farmland ecological environment remote monitoring.The system can result in the client's PC software display, effectively solve the transmission distance is limited conventional monitoring system exists, there is no real time data and other issues.

Key words：agricultural ecological environment remote monitoring; embedded systems; GPRS; sensors

中圖分類號(hào)：S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0224-05

作者簡介：朱紹朋(1990-)，男，山東新泰人，碩士研究生，(E-mail)974017018@qq.com。通訊作者：鄧銘輝(1976-)，男，哈爾濱人，副教授，博士，(E-mail)markdmh@163.com。

基金項(xiàng)目：國家“863 計(jì)劃”項(xiàng)目(2012BAD20B06)

收稿日期：2015-10-26