【正文】 10564 UDC** 學(xué) 號(hào) 20xx210007 密 級(jí) 學(xué) 位 論 文 基于 ARM 的茶園 WSNs 旱情監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) 鐘榮敏 指導(dǎo)教師姓名 王衛(wèi)星 教授 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩士 專業(yè)名稱 農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化 論文提交日期 20xx 年 3 月 論文答辯日期 20xx年 5 月 學(xué)院名稱 工程學(xué)院 學(xué)位授予日期 20xx年 6 月 答辯委員會(huì)主席 趙祚喜 教授 韋 崗 教授 洪添勝 教授 評(píng)閱人 2 摘 要 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ WSNs)的應(yīng)用研究方興未艾，深入到了包括農(nóng)業(yè)在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域。 本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)茶園 WSNs 旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性、實(shí)時(shí)性、可靠性和適應(yīng)性。有些地區(qū)的人均占有量甚至低于世界最貧水的國(guó)家埃及和以色列的水平。由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)際動(dòng)態(tài)管理；采用傳感器來(lái)監(jiān) 測(cè)土壤的墑情和農(nóng)作物的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。茶樹多生長(zhǎng)在山坡地，傳統(tǒng)的茶樹種植多“靠天吃飯”，若在茶園建立旱情 監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化控制，不僅可以提高水源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加茶葉的產(chǎn)量 和品質(zhì) ，降低茶葉成本。通過(guò)構(gòu)建不依賴于大量信號(hào)傳輸線和動(dòng)力線的 農(nóng)業(yè) WSNs 生態(tài)測(cè)控系統(tǒng) ， 既可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水肥、作物生長(zhǎng)和病蟲災(zāi)害等信息的精確測(cè)量 ， 為灌溉施肥、病蟲防治和作物收種等工作帶來(lái)巨大方便 ， 又可解決傳統(tǒng)測(cè)控設(shè)施建設(shè)成本高、安裝復(fù)雜、維護(hù)困難和影響作業(yè)環(huán)境等問(wèn)題 ， 同時(shí)大大提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化控制和管理水平。監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)狀況和控制溫室的環(huán)境。 網(wǎng)關(guān)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的的主要功能是 ： 一是及時(shí)獲取感知區(qū)域內(nèi)的信息并進(jìn)行處理，二是通過(guò)其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) ，如圖 。目前，國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于 WSNs 信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难芯繄?bào)道。 尤著宏等（ 20xx）針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)典型段地溫、變形監(jiān)測(cè)方面的特殊要求 , 設(shè)計(jì)了一種 WSN 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。 匡興紅等（ 20xx）提出一種基于 CC1010 的 RF 接口實(shí)現(xiàn)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信基于 SIM100E 的 GPRS 接口實(shí)現(xiàn)了與互聯(lián)網(wǎng)之間的 TCP/IP 連接的無(wú)線傳感 器網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了與外部網(wǎng)絡(luò)的可靠連接。對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證 了網(wǎng)關(guān)的信息處理和通信功能。它很好地克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)下 Zigbee 傳輸速率的瓶頸，降低了資源和處理時(shí) 間消耗，提高實(shí)時(shí)處理能力。 綜上所述，目前應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)比較成熟的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)主要有以下幾大類： ? 基于 Inter 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān) 使用 Intemet 的 WSNs 網(wǎng)關(guān)，人們從任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻獲取到數(shù)據(jù)的愿望成為現(xiàn)實(shí)。基于無(wú)線通信的 WSNs 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，比如說(shuō)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè) （ 陸志平 ， 20xx） 、軍隊(duì)指揮自動(dòng)化建設(shè) （張來(lái)潮， 20xx） 等均可以采用這種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。WSNs 要真正投入使用，則不能完全孤立存在，需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入外部網(wǎng)絡(luò)，提供用戶對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和監(jiān)測(cè)。 通過(guò)嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行管理操作，利用現(xiàn)有的公眾網(wǎng)絡(luò) (如以太網(wǎng)、 GPRS 或 CDMA 等 )實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器通信。 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)的接入，完成 WSNs 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)還可以適應(yīng) WSNs 部署的靈活性。茶園 WSNs 旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括三部分內(nèi)容： 設(shè)計(jì) 節(jié)點(diǎn) 采集茶園旱情 數(shù)據(jù)，建立 茶園旱情監(jiān)測(cè) WSNs網(wǎng)絡(luò) ， 對(duì)所組建成功的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能分析， 設(shè)計(jì) ZigBee 網(wǎng)絡(luò) Inter 遠(yuǎn)程接入 網(wǎng)關(guān) 。 本課題所研究的旱情 WSN 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是一個(gè)傳輸網(wǎng)關(guān)。 類似于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式 系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩大部分組成。 2)嵌入式系統(tǒng)涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電子技術(shù)、通信和軟件等各行各業(yè)。 4)高實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的基本要求。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到產(chǎn)品以后，還可以進(jìn)行軟件升級(jí)，它的生命周期與產(chǎn)品的生命周期幾乎一樣長(zhǎng)。各種各 樣的新型嵌入式系統(tǒng)設(shè)備在應(yīng)用數(shù)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通用計(jì)算機(jī)，任何一個(gè)普通人可能擁有從大到小的各種嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品。因此， WSNs 網(wǎng)關(guān) 具有和簇內(nèi)及簇外通信的功能，是一個(gè)功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)，有足夠的能量供給、大容量的內(nèi)存與較強(qiáng)的計(jì)算能力。 WSNs 網(wǎng)關(guān)還需要配備大容量的 FLASH 存儲(chǔ)器來(lái)安裝應(yīng)用程序和保存數(shù)據(jù)，以及 SDRAM 存儲(chǔ)器來(lái)運(yùn)行程序。 基于茶園旱情監(jiān)測(cè)的 WSNs 網(wǎng)關(guān)特征 茶園 一般 地處丘陵山區(qū) ，多 由連綿不斷的低矮山丘組成的 。 二是雙行條栽茶園，種植大行距為 150cm，小行距為 30cm，叢距 20cm， 每畝種植約 4450 叢。 此外， WSNs 網(wǎng)關(guān)能量的消耗主要集中在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳送數(shù)據(jù)。要使通信做到有效、可 靠，應(yīng) 保證網(wǎng)關(guān) 的通信方式是多樣化，并且是穩(wěn)定的，不受環(huán)境影響或影響很小。 11 常用 嵌入式處理器 PowerPC， MIPS和 ARM等 具有體積小、重量輕、成本低及可靠性高等特點(diǎn)， 從 ARM系列中選擇一款合適的來(lái)作為匯聚節(jié)點(diǎn)的中央處理器。 ARM7系列 微處理器的典型處理速度為 ， 常 見 的 ARM7 芯 片 系 統(tǒng) 主 時(shí) 鐘 為20MHz133MHz， ARM9系列微處理器的典型處理速度為 ，常見的ARM9的系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為 100MHz233MHz， ARM10最高可以達(dá)到 700MHz。 從對(duì) WSNs網(wǎng)關(guān) 功能分析結(jié)果考慮，處理器應(yīng)該具有較高的工作頻率及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器以滿足快速處理功能 ； 具有大量的 I/O接口，滿足擴(kuò)展性要求 ； 片內(nèi)集成眾多外設(shè)控制器，實(shí)現(xiàn)外設(shè)連接而不增加其他外部控制器 ； 要具有很好的電源管理功能，達(dá)到最小的功耗控制 。嵌入式軟件的核心就是嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（ RTOS）。 WinCE的缺點(diǎn)是 價(jià)格高、不開放源碼、而且缺乏實(shí)時(shí)性 (何宗健， 20xx)。 3） ?C/OSⅡ ?C/OSⅡ是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核， 適用于 8 位， 16 位和 32 位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)。它最初是由一名芬蘭學(xué)生 Linux Torvalds 開發(fā)的，后來(lái)成立了一個(gè)由他領(lǐng)導(dǎo)的內(nèi)核開發(fā)小組對(duì) Linux 內(nèi)核進(jìn)行了完善。 商業(yè)的嵌入式操作系統(tǒng)要付出昂貴的版權(quán)費(fèi)用， μ C/OSⅡ 比 較簡(jiǎn)單，在選用的 13 平臺(tái)功能較強(qiáng)大的情況下，不宜采用。 綜上所述， 本論文 選擇 基于 內(nèi)核 版本 Linux 作為 WSNs 茶園旱情監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng) 。該板主要 由S3C2410XCPU、 64M SDRAM、 64M FLASH， 100M 以太網(wǎng)卡接口 、 SD 卡接口、PCMCIA 接口 、串口 等部分組成， 只要擴(kuò)展出匯聚節(jié)點(diǎn)接口外加 PCMCIA 接口的GPRS 無(wú)線 上網(wǎng)卡就能完全滿足設(shè)計(jì)方案的 硬件 要求。 從 S3C2410X 的功能框圖可以看出 其 內(nèi)部還集成了豐富的外圍接口資源，包括 ： ? 1 個(gè) LCD 控制器（支持 STN 和 TFT 帶有觸摸屏的液晶 ） ? SDRAM 控制器 ， 3 個(gè) UART 通道 ? 4 個(gè) DMA 通道 圖 S3C2410X 功能框圖 16 ? 4 個(gè)具有 PWM 功能的計(jì)時(shí)器和 1 個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘 ? 8 通道的 10 位 ADC ? 觸摸屏接口 和 IIS 總線接口 ? 2 個(gè) USB 主機(jī)接口， 1 個(gè) USB 設(shè)備接口 ， 2 個(gè) SPI 接口 ? SD 接口和 MMC 接口 ? 看門狗計(jì)數(shù)器 ， 117 位通用 IO 口和 24 位外部中斷源 ? 8 通道 10 位 AD 控制器 ， 電源管理單元 S3C2410X 是 32 位的 RISC 處理器，其 32 位的地址總線尋址空間可 達(dá)到 4G，即0x00000000 － 0xFFFFFFFF 。 Bank6 和 Bank7 用于 ROM、 SRAM、 SDRAM，這兩個(gè) Bank大小是可變的，可以通過(guò)配置寄存器設(shè)置為 2MB、 4MB、 8MB、 16MB、 32MB、 64MB或者 128MB，但是兩個(gè)區(qū)間 大小必須相同， Bank7 的開始地址是 Bank6 的結(jié)束地址。 系統(tǒng) SDRAM 部分 開發(fā)板的內(nèi)存 SDRAM 采用 Hynix Semiconductor 公司的 HY57V561620 片，是4Banks 4M 16bit 結(jié)構(gòu)的，本系統(tǒng)采用兩片 HY57V561620T 擴(kuò)展成 16M 32bit(one word)內(nèi)存。 圖 系統(tǒng) FLASH 部分電路 18 圖 系統(tǒng) SDRAM 部分電路圖 SD 卡接口電路 S3C2410X 帶有 一個(gè) SD 卡接口， 嵌入式 開發(fā)板 擴(kuò)展出 SD 卡插槽， 接口 電路如圖 所示。 CS8900 可以工作在 MEM、 IO 和 DMA 三種模式，該開發(fā)板將 CS8900 配置為兩種模式： MEM 和 IO 模式。接口如圖 所示 。電路如圖 所示。電路如圖 所示。 圖 電源電路 匯聚節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì) 在本課題中，匯聚節(jié)點(diǎn) MICAz 通過(guò) DB51 針的連接器與 開發(fā) 板上的 DB9 串口COM2 連接，其中用于串行通信的信號(hào)為 TXC、 RXC，電源信 和地信號(hào)分別為 VCC和 GND。支 持 GPRS12 標(biāo)準(zhǔn)， 4 條上行通道和 4 條下行通道。 接口是 標(biāo)準(zhǔn) PCMCIA尺寸 。 本章小結(jié) 本章介紹了茶園 WSNs 旱情監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān) 所使用的嵌入式 開發(fā)板硬件資源和相關(guān)電路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)的接口電路 ，并 介紹了遠(yuǎn)程無(wú)線接入數(shù)據(jù)中心所用的網(wǎng)卡 aircard750。這一過(guò)程包含三個(gè)步驟：編譯、鏈接、定址 。 如上所述，嵌入式系統(tǒng) 軟件必須借助于其它的設(shè)備或平臺(tái)輔助開發(fā) ， 建立“宿主機(jī) — 目標(biāo)機(jī)”模式交叉開發(fā)平臺(tái)。 2)先將光盤掛 載，然后將 光盤目錄 /linux 中的 、 和 拷貝到 /usr/S3C2410/新建 目錄下： mount /dev/cdrom /mnt/cdrom mkdir /usr/s3c2410 */建立一個(gè)新目錄 cp /mnt/cdrom/linux/ /usr/S3C2410 cp /mnt/cdrom/linux/ /usr/S3C2410 3)然后進(jìn)入到該目錄，執(zhí)行解壓命令： cd /usr/S3C2410 tar xvzf \ tar xvzf \ 執(zhí)行該命令，將把 armlinuxgcc( 版本 和 ）分別安裝到 圖 交叉開發(fā)硬件環(huán)境 25 /usr/local/arm/ 和 /usr/local/arm/ 目錄，其中 版本是用來(lái)編譯 VIVI 的， 版本是用來(lái)編譯內(nèi)核的，兩個(gè)版本均可以用來(lái)編譯應(yīng)用程序 。 Bootloader 的移植 Bootloader 相當(dāng)于 PC 機(jī)主板上的 BIOS， 它是嵌入式系統(tǒng)上電后執(zhí)行的 第一個(gè)程序，并由它最終將操作系統(tǒng)啟動(dòng)起來(lái)并將控制權(quán)交給操作系統(tǒng) （孫天澤 ， 20xx）。 Bootloader 引導(dǎo)程序分為 stagel 和 stage2 兩個(gè)階段