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

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、μCOSⅡ，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。