嵌入式温室大棚远程测控系统的设计与实现

嵌入式温室大棚远程测控系统的设计与实现摘要：本文设计实现了一种基于嵌入式的温室大棚远程监控系统，应用无线传感器网络技 术，嵌入式技术，结合 Windows 远程桌面平台以及手机 APP 远程网络监控。温室现场使用 SHT10传感器采集温湿度，并建立基于CC2430的Zigbee无线传感器网络，汇聚节点通过串 口向控制器传递信息。嵌入式控制器使用S3C2440处理器Linux2.6.30操作系统，外接触控 屏，主程序采用QT编程，具有良好的人机交互界面。控制器配置DM9000网卡，能够通过 RJ45网孔连接因特网。手机APP与嵌入式控制器通过PC机服务器建立TCP/IP连接。PC机 服务器负责传递温室内环境信息与手机控制命令，并具有远程监控桌面平台，搭配 oracle 数据库，能够存储并查询温室环境信息。手机APP能够替代触摸屏实现远程实时监测，控制 外围执行机构，报警，设置参数等功能。关键字：温室大棚，嵌入式，远程监控随着我国人民生活品质的不断提高，为满足人们日益增长的需求，设施农业 对工业技术的要求越来越高。设施农业主要是使用各种方式改变作物的生长环境 摆脱自然气候对作物的束缚，提高作物的产量，改善作物品质，提高资源的利用 率，达到经济效益的最大化，对提高人们的生活水平具有重要意义。国外设施农 业起步较早，荷兰、法国、英格兰等国家早在十五世纪就有了简易的温室种植作 物。美国是温室应用最广泛的国家之一，多为大型连栋温室；以色列滴灌技术目 前仍处于世界领先水平，其大型塑料温室应用十分广泛；荷兰花卉产业尤为发达， 其温室应用主要为玻璃温室。我国温室大棚起步较晚，但是现在发展迅速，温室 大棚工程在我国将得到越来越广泛的应用。嵌入式系统是微处理器时期的产物， 被应用于各种不同的对象体系。嵌入式系统与通用计算机发展道路不通，它是计 算机技术，电子技术等多种技术相互结合的产物。嵌入式的使用在我们的日常生 活可以说已经无处不在，并已经远远超过通用计算机数量。近年来发展最为迅猛 的便是手机产业的发展，可以根据成本与需求为其搭配不同的软硬件。嵌入式系 统被应用在各种产业的各类电子产品中，在人类日常 生活工作学习中扮演着重要角色。1 相关技术1.1 无线传感器网络无线传感器网络由多个节点构成，这些节点通常成本较低，体积较小。这些 节点被放置在观测区域各个位置，采集处理观测区域内各个位置信息，并具有相 互通信的功能，信息经过各个节点的跳转或者直接发送至汇聚节点或基站，然后 这些信息通过有线或者各种无线方式发送至上位机中。广义的无线传感器网络系 统架构如图1.1 所示i传廐的网或卫气；斟占川户图 1.1 广义的无线传感器网络系统架构1.2典型无线传感器模块典型无线传感器模块由传感器模块、处理器模块、无线通信模块构成，其中 传感器模块主要负责使用各类传感器采集节点附近数据信息，并负责AD/DA转换。 处理模块即无线传感器模块的CPU，可以嵌入微型操作系统，比如Tiny OS是专 们为无线传感器网络裁剪的精简系统。存储器负责对传感器模块发送过来的数据 信息或通信模块发送来的其他节点的数据信息进行存储，由于硬件资源限制，存 储功能一般有限，无线通信模块负责收发各个节点的数据信息或者控制命令。能 量供应模块通常为电池功能，负责整个节点的电能供应。典型的无线传感器网络 模块框架如图1.2 所示。图 1.2 典型的无线传感器网络模块框架1.3 A/D 转换模块TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D 转换过程。来自外部的11路模拟通道，它们的输入的范围是0-5V。但是需要下 拉一个1.2K的电阻，否则会导致输入信号会波动。然后TLC2543通过标准四线 的SPI 口与S3C4510连接，S3C4510没有专门的SPI控制器，所以只需连接到它 的四个10 口，并通过10 口来模拟SPI的时序。如图所示，连接到CS脚且标号 为CSad的引脚作为片选端。在CSad端由高变低时，内部计数器复位。由低变高 时，在设定时间内禁止数据传送和时钟信号的产生；SCLK作为输入/输出时钟端。 其原理图如图1.3所示。图 1.3 TLC2543 原理图1.4 嵌入式系统组成嵌入式系统分为硬件部分与软件部分，组成如图 1.4 所示图 1.4 嵌入式系统的组成软件部分包括应用软件层与系统软件层，以及中间层。应用软件层即应用程 序，同通用计算机应用程序类似，嵌入式系统中的应用程序可以外接显示屏，同 样可以具有图形用户接口，可以支持多线程技术，实现多线程并行。系统软件层 即嵌入式操作系统，又称为内核，如LINUX、UNIX、MCOSn,负责任不同任务 之间的相互协调与调度，分配 CPU 使用时间管理设备等。中间层即硬件驱动层， 是嵌入式系统中软件与硬件协调工作的桥梁，是软件与硬件的接口，嵌入式操作 系统将应用软件层的应用指令下达至驱动层，通过调用硬件驱动实现对外围设备 的驱动，由于中间层的存在，使得软件开发可以与硬件开发脱离，软件开发人员 可以直接使用接口调用驱动程序，忽略底层硬件，使嵌入式系统开发更加便易。1.5 嵌入式处理器嵌入式处理器主要分为以下几类： （1）嵌入式微处理器嵌入式微处理器（MPU）是在计算机通用处理器的基础之上，去除应用不需要的 部分，只保留嵌入式应用所需的功能硬件，具有 32 位以上处理能力，性能较高， 成本较高，但与工控机相比已经降低很大成本，同时可靠性得到更高的保证。（ 2）嵌入式微控制器单片机是最典型的嵌入式微控制器（MCU）。单片机种类繁多，价格低廉，自问世 以来一直经久不衰，其片上资源丰富，通常为8 位或16 位，具有较高可编程性， 稳定性高，适用于对外围设备的控制， MCU 一直是嵌入式控制工业中的主流。（ 3） DSP 处理器嵌入式DSP处理器（EDSP）是特定用于信号处理的嵌入式处理器，被广泛应用 于谱分析、数字滤波等对信号处理要求较高的领域。 ESDP 编译效率高，执行指 令的速度远远快于嵌入式微处理器，随着其技术的不断发展， EDSP 被广泛应用 于通信等更多领域。（4）嵌入式片上系统（SOC） 嵌入式片上系统（SOC）的主要特点是能够无缝连接硬件软件，系统集成度高， 综合性强，通常为具体应用特制专用的，设计开发者不需为所需功能制作焊接电 路板，可以通过使用片内硬件描述语言，调用器件库中的各类标准，大大提高了 生产效率与系统可靠性。2 系统总体设计及硬件选型2.1 系统总体设计该系统使用多个硬件平台与操作系统，总系统分为无线采集模块，嵌入式中 央控制器模块， PC 机服务器模块 Android 手机 app 模块四个部分，总体设计结 构图如图2.1 所示。7鑒节点嵌入式中央控制器LCD触控畀图 2.1 总体设计结构图乎机叩卩基姑卩匚机服务器执行机构2.2 系统硬件设计与选型2.2.1 嵌入式中央控制器嵌入式中央控制器使用 TQ2440 开发板，如图 2.2所示。开发板应用 S3C2440 芯片， ARM9 硬件开发平台， LCD 触摸屏为创群 7 寸屏，均采用 5V 供电。 Nandflash 为 256M, SDRAM 64MB,处理器主频 400MHZ,能够支持 Linux 与 Wince 操作系统。汇聚节点接收到其他节点发送的数据信息后，通过 RS232 串口将数 据信息传递给嵌入式中央控制器。开发板上载有 DM9000 网卡,具备介质无关接 口，其驱动程序可以移植至Linux系统，连接路由器时可以为嵌入式控制器分配 IP地址，经过调试，通过RJ45网络接口，可以连接上网并与远程服务器通信。图 2.2 TQ2440 开发板2.2.2 PWM 控制电路本次设计是利用 PWM 波来控制电机的转速，其实并不是直接给电机一个信号 就直接控制直流电机的转速的，而是通过一个电路经过斩波，整形，放大，加上 一个驱动电路构成的。信号从JP-ZL端输入就0K。其电路原理图如图2.3所示。 直流调速电机駅动电路CIS?图 2.3PWM 控制电路原理图2.2.3 其他 本系统采用模拟的温室大棚做测试，执行结构包括卷帘、风扇、加湿器、模拟加热装置。TQ2440开发板GPIO 口输出电流过小，因此无法驱动外围风扇、 卷帘、加湿器等执行机构，故需要使用三极管进行电流放大。系统外围执行机构 均是220V交流供电,使用继电器控制电路实现弱电对强电的通断控制。如图2.4 所示。GPB5LED11瞇也港AC220V图 2.4 外围电器控制3系统软件设计与实现3.1 嵌入式控制器开发流程本系统的嵌入式控制器模块开发流程如图3.1所示。系统开发分为PC端与 嵌入式主板端。图 3.1 嵌入式控制器开发流程3.2 嵌入式控制器主程序设计该系统的中央控制器采用 QT 编写，具有良好的人机交互界面。农户可以通 过 LCD 触摸屏选择自动或手动控制外围设备。控制器采用多线程设计模式，两 个线程。主线程实现人机界面显示，网络查询以及各功能模块控制，线程二负责采集汇聚节点接收数据与 TCP 网络连接。程序流程图如图 3.2 所示。其中线程 一监听界面各个按键，线程二读取串口数据，每次读取 20 位，并建立网络连接。 I工和皑限N历 M询I吳焰finish信Th 城程2新建client对擦 异申请加入网络存储数抓井发 送至n er ver中撕处理逊捉库杳询 T楼庁戊取串II数抓 钱仁！ 2 FVJ始化佶动戦程2惊f刖了-梯序乖統初蛤化.界rfri最示图 3.2 程序流程图3.3 PC 机服务器模块本文设计实现的是一套温室大棚远程监控系统，方案为 Android 手机 APP 对温室大棚嵌入式中央控制器的远程监控，采用 C/S 架构。从计算机网络与本 文选用硬件的角度来看，即是实现网络中两个进程之间的通信，也就是手机app 进程与嵌入式中央控制器主程序进程之间的通信，把手机与嵌入式主板各看成一 台通用计算机，要实现这两台通用计算机的通信功能。在本系统中，要实现手机 APP对嵌入式中央控制器的远程监控，必须在中间建一桥梁，作为server，手 机 APP 与嵌入式控制器同时作为 client 访问该服务器，数据信息与控制指令需 经过服务器的中转。如图 3.3 所示。图 3.3 服务器中转3.4 手机 APP 模块设计丁机APP模块手机 APP 通过数据连接上网，采用 java 编写，通过 Android 下的 socket 网 络编程实现与PC机服务器进程的网络通信。手机APP功能结构如图3.4所示。远程发送控制抬令叭铃报警图 3.4 手机 APP 功能结构图4 系统测试在控制器外接 LCD 触摸屏中可以看到各个节点所采集到的温湿度信息，如 图 4.1 所示。可以在本界面进行自动控制与手动控制的切换，能够通过开关按钮 控制模拟温室中的卷帘、风扇等外围设备，在自动控制下，能够设定温室内温度 与湿度的目标值，并能够进行数据库查询，并能够生成图像。图 4.1 LCD 触摸屏显示手机端可以成功地控制模拟温室内风扇、卷帘、加湿器等外围设备，并同样 具有参数设置的功能；可以设置温度湿度阈值，数据异常时，手机会响铃，即播 放 mp3 。如图 4.2 所示。.ME樋貼TT4审唱压反希图 4.2 手机端显示与控制图5 结论本系统架构分为无线传感器网络模块、嵌入式控制器模块、 PC 机服务器模 块、手机 APP 模块。经测试，手机 APP 具有实时监测温室数据信息、控制外围 执行机构、报警、设置参数的功能，能够对温室大棚进行监控功能。温室内数据 信息经 STH10 传感器采集，经 Zigbee 无线传感器网络能够发送至嵌入式控制器。 在温室大棚现场使用基于 ARM9 的嵌入式中央控制器，嵌入式主控程序使用 qt 编程，嵌入式主板外接LCD触摸屏，具有良好的人机交互界面。通过Socket网 络编程能够实现嵌入式控制器、手机 APP 与 PC 机服务器建立连接，温室数据与 控制指令能够经过 PC 机服务器进行中转，发送至手机 APP 与嵌入式控制器。服 务器能够对温室数据信息进行存储与查询。