陳文彬 杜云明 王焱俊 石廣博 譚 旺

佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院

基于ARM的溫室智能測(cè)控系統(tǒng)

陳文彬 杜云明 王焱俊 石廣博 譚 旺

佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院

為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚環(huán)境因子有效干預(yù)，促進(jìn)作物良好生長(zhǎng)，設(shè)計(jì)了一種以ARM處理器為核心的溫室環(huán)境智能測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器實(shí)時(shí)采集溫室的光照強(qiáng)度、空氣溫濕度和土壤水分濕度等環(huán)境參數(shù)，結(jié)合專(zhuān)家系統(tǒng)的作物生長(zhǎng)環(huán)境需求，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行判別分析處理，并以控制繼電器驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方式完成對(duì)環(huán)境因子的調(diào)節(jié)操作。 其控制簡(jiǎn)單，易于操作，可為作物生長(zhǎng)提供最佳環(huán)境，有利于提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

溫室大棚作為一種設(shè)施農(nóng)業(yè)，可為作物反季節(jié)生長(zhǎng)提供優(yōu)越的環(huán)境條件，在我國(guó)北方地區(qū)已經(jīng)成為冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。傳統(tǒng)的溫室管理主要依靠經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行控制，由于缺乏有效的信息化手段，使得對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度和調(diào)控穩(wěn)定性均不夠理想，作物難以在最佳環(huán)境下進(jìn)行生長(zhǎng)。為提高溫室管理的智能化，減少認(rèn)為干預(yù)和調(diào)控，在ARM平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一款自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物環(huán)境參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)保存和自動(dòng)操作等處理，為作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)提供有利環(huán)境條件。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本智能溫室測(cè)控系統(tǒng)以控制溫室的光照強(qiáng)度、空氣溫濕度和土壤水分濕度為目的，具有簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)和易于操作等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)以ARM（S3C2440）微處理器為作為主控制器，以AM2301為空氣溫濕度傳感器，BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器，SHT11土壤濕度傳感器作為溫室環(huán)境采集模塊；以12864液晶顯示屏作為顯示模塊，以DM9000以太網(wǎng)控制器作為網(wǎng)絡(luò)接入模塊；以電磁繼電器作為驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)加熱、補(bǔ)光、補(bǔ)水、通風(fēng)等外圍設(shè)備。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集模塊獲取的環(huán)境信息輸入到主控制器，通過(guò)以太網(wǎng)傳送至上位機(jī)并與專(zhuān)家系統(tǒng)的作物參數(shù)進(jìn)行比較，然后回傳控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)繼電器的通斷控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)環(huán)境因子的改善操作。在此過(guò)程中，顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)及外圍設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

AM2301溫濕度傳感器

AM2301溫濕度傳感器采用專(zhuān)用的數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)制作而成，是一款經(jīng)過(guò)數(shù)字校準(zhǔn)的溫濕度一體化的傳感器，可直接實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字輸出，具備良好的抗干擾性和穩(wěn)定性。AM2301傳感器與微處理器間的數(shù)據(jù)通信采用單總線模式實(shí)現(xiàn)，一次數(shù)據(jù)通信時(shí)間約為5ms左右，且每次傳送40bit的完整數(shù)據(jù)。完整數(shù)據(jù)包括濕度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中溫、濕度數(shù)據(jù)各占16bit，校驗(yàn)數(shù)據(jù)占8bit。另外在溫、濕度數(shù)據(jù)中，高八位顯示為整數(shù)數(shù)據(jù)，低八位顯示為小數(shù)數(shù)據(jù)。

完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：濕度高八位數(shù)據(jù)+濕度低八位數(shù)據(jù)+溫度高八位數(shù)據(jù)+溫度低八位數(shù)據(jù)+校驗(yàn)八位數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)上，當(dāng)不需要數(shù)據(jù)通信時(shí)，總線處于高電平狀態(tài)，等待主機(jī)（ARM）發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令。在通信開(kāi)始時(shí)，主機(jī)發(fā)出開(kāi)始信號(hào)，拉低總線并保持500us，以確保從機(jī)（AM2301）可以檢測(cè)到該信號(hào)。當(dāng)從機(jī)在總線上接收到主機(jī)的起始信號(hào)后，執(zhí)行從低功耗模式到高速模式的轉(zhuǎn)換，并等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)出響應(yīng)信號(hào)（一個(gè)80us的低電平）。主機(jī)釋放總線并延時(shí)20～40us后，讀取從機(jī)發(fā)出的響應(yīng)信號(hào)，接受40bit的數(shù)據(jù)，完成一次信號(hào)采集。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器

BH1750FVI是一種集成式環(huán)境光亮度傳感器，主要由光電二極管、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路、控制邏輯電路和接口電路等構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)16位數(shù)字信號(hào)輸出。該器件具有較高的分辨率，可以測(cè)量較大范圍（1|x－65535|x）的光強(qiáng)度變化。其與主機(jī)間的通信采用兩線式串行總線（IIC）接口實(shí)現(xiàn)。BH1750FVI可以通過(guò)將ADDR設(shè)置為高、低電平的方式，給出兩種不同形式的從屬地址，實(shí)現(xiàn)高大分辨率與低大分辨率模式的切換。結(jié)合溫室實(shí)際光照環(huán)境需求，本設(shè)計(jì)采用連續(xù)高大分辨率工作模式，其執(zhí)行指令為“00010001”。主、從機(jī)的數(shù)據(jù)通信由“寫(xiě)指令”和“讀取測(cè)量結(jié)果”兩個(gè)操作完成。

主機(jī)與從機(jī)間的數(shù)據(jù)通信時(shí)序?yàn)椋?/p>

數(shù)據(jù)采集模式設(shè)置ADDR=‘L’

最后，將讀取的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度數(shù)值，其轉(zhuǎn)換格式為：光照強(qiáng)度值=（High Byte數(shù)據(jù)×256+Low Byte數(shù)據(jù)）/1.2[1x]。

SHT11土壤濕度傳感器

SHT11是一款可自動(dòng)校準(zhǔn)的數(shù)字型土壤濕度傳感器，其主要通過(guò)一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件采集土壤水分信息，經(jīng)內(nèi)部14位的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字輸出。與主機(jī)間通信采用串行兩線（時(shí)鐘線SCK和數(shù)據(jù)線DATA）接口實(shí)現(xiàn)，因其通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議不兼容，需采用通用微處理器（設(shè)計(jì)中選用Atmega128）I/O接口模擬該通信時(shí)序。

SHT11濕度測(cè)試時(shí)序圖為：

通信啟動(dòng)后，主機(jī)發(fā)出8位測(cè)量命令碼（3個(gè)地址位和5個(gè)命令位），DATA總線等待從機(jī)（SHT11）的響應(yīng)。當(dāng)從機(jī)接收指令后，在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機(jī)的ACK；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，釋放總線開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后從機(jī)釋放DATA總線（DATA為低電平）。主機(jī)檢測(cè)到DATA總線被拉低后，發(fā)出時(shí)鐘序列，讀取2個(gè)8bit的測(cè)量數(shù)據(jù)和1個(gè)8bit的CRC奇偶校驗(yàn)碼。其中，在每個(gè)字節(jié)傳輸結(jié)束后，均需發(fā)出一個(gè)時(shí)鐘高電平ACK，并將DATA置為低電平，以確認(rèn)讀取成功。在測(cè)量和傳輸結(jié)束后，SHT11自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。

此時(shí)主機(jī)讀取的數(shù)據(jù)為“相對(duì)濕度”，需進(jìn)行線性補(bǔ)償修正后方可得到較為準(zhǔn)確的濕度值。濕度修正格式為：RHlinear=C1+C2×SORH+C3×SORH2。其中RHlinear為經(jīng)過(guò)線性補(bǔ)償后準(zhǔn)確的濕度值，SORH為測(cè)量的相對(duì)濕度值，C1、C2、C3為線性補(bǔ)償系數(shù)（可在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中查表獲取）。

信息顯示模塊和DM9000以太網(wǎng)控制器模塊

顯示模塊采用12864LCD液晶顯示屏作為系統(tǒng)人機(jī)交互界面，其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)陣ASCII字符集，完全可以滿足對(duì)溫室環(huán)境信息及數(shù)據(jù)的顯示需求。12864LCD的顯著特點(diǎn)是低電壓低功耗，與同類(lèi)型的點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，在電路結(jié)構(gòu)、顯示程序和價(jià)格等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與主機(jī)間的通信既可通過(guò)串口方式進(jìn)行，又可通過(guò)4位/8位并口方式實(shí)現(xiàn)（將PSB引腳設(shè)置為高電平時(shí)為并口通信，低電平時(shí)為串口通信）。通過(guò)將引腳RS、R/W、E設(shè)置為高低電平，可實(shí)現(xiàn)對(duì)指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取和顯示。

DM9000是一款帶有通用接口的高速以太網(wǎng)控制器，內(nèi)部集成了MAC、MMU和PHY，可提供8位/16位/32位三種不同的接入方式，支持IEEE 802.3u規(guī)范，可自適應(yīng)調(diào)整10/100M線路帶寬。另外還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制。實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)物理層（PHY）和網(wǎng)絡(luò)層（MAC）的功能。實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用16位接口通過(guò)總線方式與主控制器連接。測(cè)量數(shù)據(jù)可由主機(jī)以打包形式（UDP或IP）傳輸至DM9000，而后通過(guò)以太網(wǎng)接口（RJ45）將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，或者從上位機(jī)接受指令，響應(yīng)上位機(jī)的請(qǐng)求，完成對(duì)外圍設(shè)備操作的功能。

圖2　應(yīng)用程序流程圖

繼電器控制模塊

當(dāng)系統(tǒng)采集的環(huán)境參數(shù)不滿足作物生長(zhǎng)要求時(shí)，需要啟動(dòng)外圍設(shè)備（如：風(fēng)扇、水泵、加熱片、補(bǔ)光燈等）進(jìn)行補(bǔ)償。由于主控器發(fā)出的是弱電信號(hào)，無(wú)法驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備，因此需要借助繼電器引入強(qiáng)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和控制。其主要工作原理是：利用主控器發(fā)出的控制信號(hào)作為繼電器線圈的輸入，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)（控制信號(hào)高電平），電磁鐵在電磁場(chǎng)效應(yīng)下產(chǎn)生磁力，吸下銜鐵至“常開(kāi)觸點(diǎn)”，引入強(qiáng)電信號(hào)導(dǎo)通外圍設(shè)備電路，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)控制。當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)（控制信號(hào)低電平）失去磁力，彈簧將銜鐵拉起至“常閉觸點(diǎn)”，切點(diǎn)工作電路，實(shí)現(xiàn)停止控制。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：構(gòu)建開(kāi)發(fā)環(huán)境、外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)與移植、應(yīng)用程序編寫(xiě)與調(diào)試。構(gòu)建開(kāi)發(fā)環(huán)境部分主要給控制器配置操作系統(tǒng)，為驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的編寫(xiě)與移植提供平臺(tái)。設(shè)計(jì)中采用以linux 2.6.31為內(nèi)核的utu－linux系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)，采用arm－linuxgcc－4.3.2為交叉編輯器，根文件系統(tǒng)為yaffs2。驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序均采用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其中驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)主要編寫(xiě)傳感器、顯示器及風(fēng)扇、水泵、加熱片、補(bǔ)光燈等外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，然后加載到內(nèi)核中，以便于應(yīng)用程序調(diào)用這些驅(qū)動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)相關(guān)器件的控制。應(yīng)用程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將數(shù)據(jù)采集、信息顯示、以太網(wǎng)服務(wù)和外圍設(shè)備控制等進(jìn)行分開(kāi)設(shè)計(jì)，模塊間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和調(diào)用采用全局變量方式進(jìn)行。應(yīng)用程序的流程是先進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化，再進(jìn)行系統(tǒng)硬件的初始化，然后進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及處理。當(dāng)處理后的環(huán)境數(shù)據(jù)與上位機(jī)設(shè)定的閾值發(fā)生沖突時(shí)，給主控器的GPIO接口提供高電平，開(kāi)始啟動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行溫室環(huán)境的自動(dòng)控制來(lái)保證整個(gè)智能溫室大棚的環(huán)境始終在最合適的范圍內(nèi)，此程序循環(huán)運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的終止系統(tǒng)的信號(hào)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)停止工作。程序流程如圖2所示。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以ARM（S3C2440）處理器為控制核心，通過(guò)溫、濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器為主要信息采集器件對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)與上位機(jī)的交互，判斷環(huán)境參數(shù)是否滿足作物生長(zhǎng)要求。利用軟件系統(tǒng)和繼電器控制外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)控制。該系統(tǒng)功耗低、操作方便，具有實(shí)時(shí)、精確、可高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。