基于嵌入式的大棚监控系统的研究与设计

基于嵌入式的大棚监控系统的研究与设计近年来全球气候变暖，各类气象灾害频率发生，我国的重要农业基地开始大力普及大棚种植技术。

大棚种植对棚内环境要求极其严格，而传统的大棚监控技术难以满足移动监控需求，对大棚进行移动的、及时的环境监控成为一个难题。

由于目前我国大棚种植普遍采用人工读取环境计度数，或是基于有线局域网的监控。

人工读取的监控方式，浪费了极大的人力物力；有线通信监控方式也存在布线复杂、监控中心必须有人值守等等问题。

管理人员一旦因特殊原因离开监控中心时，将无法及时获得大棚环境信息，无法对突发事件进行快速响应。

对于大型的大棚种植基地，管理人员迫切需要一种便于携带、快速反应的终端系统，实现大棚种植监控的全局化、移动化管理，降低运行成本、提高管理效率和更好的对大棚种植环境进行监督。

本文工作主要包括三个部分：1)本文分析了当前大棚监控方案的无法实施移动监控的缺陷，提出一种基于嵌入式的大棚监控系统方案。

该方案采用嵌入式设备与无线通信技术将采集端、服务器端、监控终端有效的结合起来，并说明其可行性。

2)为保证该大棚监控方案的有效实施与高可用性，对整个大棚监控系统进行技术分析，并对系统中采集终端、中心服务器、监控终端进行详细的设计，进而对整个监控系统有较清晰的逻辑思路，为大棚监控系统的实现提供技术支撑。

3)依照大棚监控系统的总体设计，本文最后对监控系统中主要模块完成开发实现，主要包括：采集终端的采集、上传和自动充电功能；中心服务器端的数据处理、通信模块；监控终端的界面设计、数据处理、无线通信模块。

并对系统的运行结果进行分析，以证明本文设计的基于嵌入式的监控方案的可行性和合理性。

关键词：嵌入式，无线网络，监控，手持终端，Linux1绪论1.1课题研究背景农业是整个国民经济不断发展与进步的重要支撑，是我国的最基本的国情，是关系着国家稳定发展最重要的基础产业，也是我国经济发展战略中的优先发展重点。

近几年，世界各地频繁发生自然灾害很大程度上威胁着我国农业的生产发展，在中国经济飞跃发展的时代，我国对于农业生产的安全性提出新的要求。

在十八大报告中就提出以城乡一体化的发展思路来推进农业生产，并强调其“重中之重”的战略地位。

报告中就关于坚持走中国特色新型农业现代化道路，大力发展现代农业的论述中，提出全国农业组织化、信息化、专业化发展来提高我国现代农业标准化建设[1]。

为推动农业科技创新，大力发展农业基础设施建设，国家将加大投入，推动农业适度规模经营和机械化发展，一定程度上开始大力普及先进的大棚种植技术。

然而，农业领域的科研离不开高科技技术的支持，农业大棚的监控实施方案也将跟随“十八大”农业战略方向更进一步。

随着我国大棚种植技术的普及，越来愈多的农业从业者开始采用大棚种植粮食、蔬菜、赶季节瓜果、名贵花卉、甚至喂养动物等。

在这样的趋势下，对于大棚种植的监控技术提出了更大的挑战和更高的要求。

特别是对于我国农业示范区大棚的监控，它的高标准建设促使并推动大棚监控技术往更全面、更高效、更便捷的方向发展。

农业大棚种植的规模化必将推动大棚监控一对多点的管理，而便捷的监控方式也是大棚种植监控领域发展的趋势。

对于一个面积达到几百亩以上的大型种植示范基地为例，大棚监控设备中需要连接的线缆复杂又难维护，对于这种规模化的分散监控点，这种有线的监控方式已经不能很好满足监控需求。

因此，迫使一种更高效、更便捷、更容易的大棚监控技术。

1.2课题研究现状在国内，大棚种植市场正逐渐被广泛普及。

2012年的西藏拉萨市就积极地大力地发展温室大棚建设，其规模也相当大，根据了解，拉萨市的七个县一个区的温室规模分别为城关区406栋、达孜县718栋、曲水县643栋、墨竹工卡县200栋、尼木县50栋、当雄县200栋、林周县300栋、堆龙德庆县483栋。

直到2012年底，建成了有3000栋温室。

根据拉萨市农牧局相关安全监督负责人介绍，拉萨市计划建设具备高寒两用暖棚，每个棚内总体面积可达360平方米；这种两用的暖棚不仅可以在夏天种植蔬菜水果，而且可以在冬天的时候作为牲畜的暖房，这样既能增加牲2畜的过冬存活率，还能提农业牧民的收入[2]。

同时也了解到，这些大棚监控基础设施建设也参吃不齐，由于大棚数量纵多，现有的监控大多都是每个大棚各自监控，且采用固定的监控地点，花费了巨大的人力物力资源。

若要全面的监控所有大棚，并及时获得大棚的环境数据，采用无线技术与嵌入式技术结合已成为未来的发展方向与趋势。

国外对温室大棚环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。

先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。

80年代末出现了分布式控制系统。

目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

从国内外温室大棚控制技术的发展状况来看，控制技术大致经历三个发展阶段：①手动控制：这是在温室大棚技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。

种植者既是温室大棚环境的传感器，又是对作物进行管理的执行机构，他们是环境控制的核心。

通过对温室大棚内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室大棚内环境。

种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。

但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。

②自动控制：这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室大棚环境因子的控制过程，控制相应设备进行加热、降温和通风等动作。

计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。

通过改变温室大棚环境设定目标值，可以自动地进行环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应。

目前我国绝大部分大型现代化温室大棚及引进的国外设备都属于这种控制方式。

③智能化控制：这是在温室大棚自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的专家控制系统技术。

温室大棚控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。

由此可见，温室大棚环境控制朝着基于作物生长模型、温室大棚综合环境因子分析模型和农业专家系统的信息自动采集及智能控制趋势发展。

国外的先进的监控系统设备产品，功能丰富，技术先进，但价格非常昂贵，它的设计标准也不同于我国，从基于国情和需求的不同，国外监控设备也并非完全适3合国内的监控要求。

通过以上国内外大棚种植与监控技术的信息知道，我国大棚监控技术比较落后，在大棚的规模化、组织化、智能化的方向上，促使我们开发研制出一种具备全面的、便于操作的、具备移动监控功能的大棚监控系统。

本人有幸于2012年以项目团队成员之一身份加入“多传感器数据采集与处理平台研制”项目团队，参与了基于嵌入式的大棚监控系统设计的工作中。

本文通过课题的研究设计，分析大棚种植监控技术的要求，学习监控系统项目的关键技术，并开发出具备有全面的、移动的大棚监控系统。

1.3课题研究内容本课题提出了一种基于嵌入式与无线通信技术的大棚监控系统的开发及应用方案，主要针对大棚种植的环境的状态进行监控。

通过将采集节点安置在大棚内监控区域上，通过传感器采集该处的环境值，反应大棚的环境情况。

监控区域安装辅助的带有环境控制的装置，进行相应的环境调节，防止出现环境恶劣的情况。

本文方案设计实现涉及的技术多，包括传感器技术、无线通信技术、嵌入式技术、计算机技术等，为了获得本系统所具备功能并考虑到监控覆盖范围、实时性、全面性、设备的成本费用等多方面的要求，提高研发效率，本课题将整个研发工作分为三个步骤：设计方案的论证、方案的设计与实现、综合测试与分析。

首先需要进行材料的收集整理研讨方案，然后进行方案的总体设计并逐一实现，对各实现模块进行调试，并完成综合测试。

这些步骤的实施需要方案的完整性，所以，本课题主要研究内容如下：①调研目前大棚监控技术存在的问题，并针对大棚监控指标以及实际应用来设计系统方案，确定该设计方案需要解决的问题以及使用的相关技术完善系统需求设计。

②通过对系统的需求分析，确定系统的实施方案，并完成整个系统的功能方案设计。

③学习嵌入式技术、无线通信技术、以及嵌入式Linux开发知识等完成系统的软件设计，包括采集终端、中心服务器、监控终端的相关软件设计。

④完成系统中模块的调试，以及系统功能综合测试。

1.4论文结构及章节安排本文主要完成了基于嵌入式的大棚监控系统的研究与设计。

在分析目前我国大棚监控系统的应用现状以及对比国外的监控技术、监控的参数指标的基础上，提出4了基于嵌入式的大棚监控系统的设计方案，本文的主要内容安排如下：第一章为绪论，介绍基于嵌入式的大棚监控系统的研究背景、国内外研究现状和本论文的主要研究内容，最后给出了本文组织结构及工作安排。

第二章为监控系统网络方案的分析和比较，通过分析比较有线监控与无线监控的优劣势，进而提出基于嵌入式的大棚监控终端的设计方案，并针对当前无线通信技术进行了分析比较，选择适用于本文的无线通信技术。

第三章首先对大棚监控系统进行需求分析，提出基于嵌入式的大棚监控系统的构架设计，并分析该构架的优势。

根据需求分析与构架设计，对大棚监控系统进行总体设计，包括采集终端、中心服务器、监控终端的功能分析与设计，为后期的基于嵌入式的大棚监控系统的开发实现提供设计支撑。

第四章根据大棚监控系统的总体设计完成关键技术的实现，包括：采集终端部分的数据采集、数据上传与自动充电；中心服务器部分的数据处理，通信实现；监控终端部分的终端界面实现、数据处理实现、无线通信实现；第五章对监控系统各功能部件的进行测试，证明该监控系统符合当初的设计要求，并达到基本的基于嵌入式的监控功能。

第六章是为全文的一个总结，并阐述对未来工作的展望。

5第一章监控系统网络方案分析与比较大棚监控系统是对大棚种植区域实施实时环境数据采集、环境情况监测和环境信息管理的平台，能对环境信息如温度、湿度、二氧化碳量、光照强度等指标进行感知、采集、传输和实时处理，并针对大棚环境情况进行调节管理。

大棚监控系统为大棚的种植安全生产、合理监控管理提供一个良好的处理平台，促进大棚种植的高质量产出。

为了设计出符合需求的大棚监控系统，首先对基于有线网络大棚监控系统网络方案与基于无线网络的大棚监控系统两种方案作出探讨与比较，明确基于无线网络的大棚监控系统在移动监控方面的优势[3]。