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1、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
2、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
3、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
4、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所示图1.1广义的无线传感器网络系统架构负责整个节点的电能供应。典型的无线传感器网络，图1.2典型的无线传感器网络模块框架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
5、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 模块框架如图1.2所示。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
6、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IO 口，并通过IO 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
7、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、“COS II，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。
8、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
9、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An
10、droid手机app模块四个部分，总体设计结 构图如图2.1所示。手机叩P廛站P匚机服务器图2.1总体设计结构图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
11、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。2.2.2 PWM控制电路11图2.2 TQ2440开发板本次设计是利用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OK。其电路原理图如图2.3所示。直流调速电机4IX动电路图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
12、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。:薜.也落L AC220V 通摄GFB5 LED11L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
13、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。q控制器期样X戏相.h 域程2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
14、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。手机AM模块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
15、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。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。
