【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 產(chǎn)管理不配套，生產(chǎn)不規(guī)范，難以形成大規(guī)模商品生產(chǎn)。 (2) 我國(guó)現(xiàn)有的溫室控制系統(tǒng)仍以控制一個(gè)溫室為主，沒(méi)有基于溫室群的控制系統(tǒng)。這樣降低了生產(chǎn)管理的效率。 (3) 溫室測(cè)控系統(tǒng)的通信仍然采用有線方式。我國(guó)溫室測(cè)控系統(tǒng)的通信主要有 485 總線以及 CAN 總線等有線方式。這些有線 通信方式不僅使得溫室內(nèi)的信號(hào)線和動(dòng)力線錯(cuò)綜復(fù)雜，而且導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低，安裝維護(hù)工作量變大，同時(shí)也不利于農(nóng)業(yè)機(jī)器人等移動(dòng)設(shè)備的作業(yè)，難以達(dá)到溫室生產(chǎn)的“工廠化農(nóng)業(yè)”水平。 (4) 缺少基于農(nóng)業(yè)專家知識(shí)的上位機(jī)管理系統(tǒng)。我國(guó)目前的溫室控制系統(tǒng)中，一些上位機(jī)只限于存儲(chǔ)采集的歷史數(shù)據(jù)，沒(méi)有根據(jù)農(nóng)業(yè)專家知識(shí)的實(shí) 10 時(shí)控制管理系統(tǒng)。 (5) 設(shè)施水平低，抵御自然災(zāi)害的能力差。我國(guó)目前部分溫室的建筑材料主要是鋼材和玻璃。但沒(méi)有形成國(guó)家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和工廠系列的產(chǎn)品，且應(yīng)用率僅占設(shè)施栽培面積的 10％ ，而絕大部分由農(nóng)民自行建造的 塑料日光溫室也只能起到一定的保溫作用，根本不能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光照等環(huán)境因子的調(diào)控。 (6) 機(jī)械化水平低，調(diào)控能力差，作業(yè)主要依靠人力。生產(chǎn)管理主要靠經(jīng)驗(yàn)和單因子定性調(diào)控。 研究?jī)?nèi)容和研究方法 本課題主要是研究一種智能的 控制系統(tǒng)，通過(guò) 傳感器來(lái)采集到生物大棚中的溫度，濕度，光照等環(huán)境參數(shù)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)生物的最適應(yīng)值的時(shí)候，通過(guò)該控制系統(tǒng)通過(guò) gprs 發(fā)短信等途徑通知用戶，再通過(guò)用戶來(lái)控制相關(guān)環(huán)境參數(shù)，從而使生物生長(zhǎng)在最適應(yīng)的環(huán)境條件下，達(dá)到農(nóng)作物能夠增產(chǎn)的效果。 研究方法是通過(guò)溫度傳感器，濕度傳感 器等來(lái)進(jìn)行對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集，通過(guò) gprs 來(lái)實(shí)現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)傳送給用戶。 關(guān)鍵字：嵌入式 ； 傳感器 ； gprs； arm 11 第 2 章 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù) 嵌入式 什么是嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能，對(duì)可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)是集軟、硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”。嵌入式系統(tǒng)的硬件部分包括處理器 /微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和 I/O 端口、圖形控制器等。這種系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，它不 像硬盤(pán)那樣有大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而大多使用 EPROM、 EEPROM 或閃存 Flash Memory 作為存儲(chǔ)程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)則控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)： (１ )嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，嵌入式 CPU 與通用型的最大不同就是，嵌入式 CPU 大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、小體積、高集成度等特點(diǎn)，能夠把通用 CPU 中許多由板卡完成的 任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，因此，器件的移動(dòng)能力大大增強(qiáng)，同時(shí)跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來(lái)越緊密。 (２ )嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的選擇更具有競(jìng)爭(zhēng)力。 (３ )因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，所以，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，一般都具有較長(zhǎng)的生命周期。 (４ )為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)之中，而不是 存貯于磁盤(pán)等載體中。 嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，即使在設(shè)計(jì)完成后，用戶也不能對(duì)其中的程序進(jìn)行修改，而是必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 12 嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到我們生活中的每個(gè)角落，工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費(fèi)電子??，而恰恰由于這種范圍的擴(kuò)大，使得“嵌入式系統(tǒng)”更加難于明確定義 雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風(fēng)靡起來(lái)的，但是這個(gè)概念并非新近才出現(xiàn)。從20 世紀(jì)七十年代單片機(jī)的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近 30 年的發(fā)展歷史。 作為一個(gè)系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)的。 70 年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車(chē)、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬(wàn)種產(chǎn)品可以通過(guò)內(nèi)嵌電子裝置來(lái)獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)的應(yīng)用只是使用８位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。 嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 嵌入式系統(tǒng)通常包括構(gòu)成軟件的基本運(yùn)行環(huán)境的硬件和操作系統(tǒng)兩部分。嵌入式系統(tǒng)的運(yùn) 行環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合決定了嵌入式系統(tǒng)具有區(qū)別于其它操作系統(tǒng)的一些特點(diǎn)。 (1) 嵌入式處理器 嵌入式處理器可以分為三類：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式 DSP（ Digital Signal Processor）。嵌入式微處理器就是和通用計(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的 CPU。在應(yīng)用中，一般是將微處理器裝配在專門(mén)設(shè)計(jì)的電路板上，在母板上只保留和嵌入式相關(guān)的功能即可，這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。目前的嵌入式處理器主要包括： PowerPC、 Motorola 68000、ARM 系列等等。 嵌入式微控制器又稱 為單片機(jī)，它將 CPU、存儲(chǔ)器（少量的 RAM、 ROM或兩者都有）和其它外設(shè)封裝在同一片集成電路里。常見(jiàn)的有 8051。 嵌入式 DSP 專門(mén)用來(lái)對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、 FFT、譜分析、圖像處理的分析等領(lǐng)域， DSP正在大量進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)。 (2) 微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 13 大多數(shù)操作系統(tǒng)至少被劃分為內(nèi)核層和應(yīng)用層兩個(gè)層次。內(nèi)核只提供基本的功能，如建立和管理進(jìn)程、提供文件系統(tǒng)、管理設(shè)備等，這些功能以系統(tǒng)調(diào)用方式提供給用戶。一些桌面操作系統(tǒng)，如 Windows、 Linux 等，將許多功能引入內(nèi) 核，操作系統(tǒng)的內(nèi)核變得越來(lái)越大。內(nèi)核變大使得占用的資源增多，剪裁起來(lái)很麻煩。 大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)采用了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只提供基本的功能，比如：任務(wù)的調(diào)度、任務(wù)之間的通信與同步、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理等。其它的應(yīng)用組件，比如網(wǎng)絡(luò)功能、文件系統(tǒng)、 GUI 系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進(jìn)程或函數(shù)調(diào)用的方式工作。因而系統(tǒng)都是可裁減的，用戶可以根據(jù)自己的需要選用相應(yīng)的組件。 (3) 任務(wù)調(diào)度 在嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)即線程。大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務(wù)。多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)實(shí)際是靠 CPU 在多個(gè)任務(wù)之間切換、調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都有其 優(yōu)先級(jí)，不同的任務(wù)優(yōu)先級(jí)可能相同也可能不同。任務(wù)的調(diào)度有三種方式：可搶占式調(diào)度、不可搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。不可搶占式調(diào)度是指，一個(gè)任務(wù)一旦獲得 CPU 就獨(dú)占 CPU 運(yùn)行，除非由于某種原因，它決定放棄CPU 的使用權(quán)；可搶占式調(diào)度是基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的，當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)可以隨時(shí)讓位給優(yōu)先級(jí)更高的處于就緒態(tài)的其它任務(wù)；當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上任務(wù)有同樣的優(yōu)先級(jí)，不同任務(wù)輪轉(zhuǎn)地使用 CPU，直到系統(tǒng)分配的 CPU 時(shí)間片用完，這就是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。 目前，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度法，對(duì)相同 優(yōu)先級(jí)的任務(wù)則采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。 (4) 硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí) 有些嵌入式系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求較高，稱之為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。有兩種類型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運(yùn)行得越快越好；硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，一旦系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就可能會(huì)引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤，一般在工業(yè)控制中應(yīng)用較多。 (5) 內(nèi)存管理 針對(duì)有內(nèi)存管理單元 （ MMU） 的處理器設(shè)計(jì)的一些桌面操作系統(tǒng)，如 14 Windows、 Linux， 使用了虛擬存儲(chǔ)器的概念。虛擬內(nèi)存地址被送到 MMU。在這里，虛擬地址被映射為物理地址，實(shí)際存儲(chǔ)器被分割為相同大小的頁(yè)面，采用分頁(yè)的方式載入進(jìn)程。一個(gè)程序在運(yùn)行之前，沒(méi)有必要全部裝入內(nèi)存，而是僅將那些當(dāng)前要運(yùn)行的部分頁(yè)面裝入內(nèi)存運(yùn)行。 大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)針對(duì)沒(méi)有 MMU 的處理器設(shè)計(jì)，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù) ,采用的是實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。因而對(duì)于內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，它對(duì)地址的訪問(wèn)不需要經(jīng)過(guò) MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址；而且，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行 前，系統(tǒng)必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間。 由此可見(jiàn)，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員不得不參與系統(tǒng)的內(nèi)存管理。從編譯內(nèi)核開(kāi)始，開(kāi)發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開(kāi)發(fā)板到底擁有多少內(nèi)存；在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應(yīng)用程序需要運(yùn)行空間的大小。另外，由于采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，用戶程序同內(nèi)核以及其它用戶程序在一個(gè)地址空間，程序開(kāi)發(fā)時(shí)要保證不侵犯其它程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作，或?qū)е缕渌绦虻倪\(yùn)行異常；因而，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員對(duì)軟件中的一些內(nèi)存操作要格外小心。 (6) 內(nèi)核加載方式 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核可以在 Flash 上直接運(yùn)行，也可以加載到內(nèi)存中運(yùn)行。 Flash 的運(yùn)行方式，是把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫(xiě)到 Flash 上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從 Flash 的某個(gè)地址開(kāi)始執(zhí)行。這種方法實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)所采用的方法。內(nèi)核加載方式是把內(nèi)核的壓縮文件存放在 Flash 上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開(kāi)始執(zhí)行。這種方式相對(duì)復(fù)雜一些，但是運(yùn)行速度可能更快，因?yàn)?RAM 的存取速率要比 Flash 高。 由于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制，嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)用戶程序采用靜態(tài)鏈接的形式。在嵌入式系統(tǒng)中 ，應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼編譯、鏈接生成一個(gè)二進(jìn)制影像文件來(lái)運(yùn)行。 相對(duì)于在 Windows 環(huán)境下的開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有著很多的不同。不同的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)帶來(lái)了許多附加的開(kāi)發(fā)復(fù)雜性。 15 嵌入式系統(tǒng)的特征 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去市場(chǎng)。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約，這些也是各個(gè)半導(dǎo)體廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。 和通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體 裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用對(duì)處理器的選擇面前更具有競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式處理器要針對(duì)用戶的具體需求，對(duì)芯片配置進(jìn)行裁剪和添加才能達(dá)到理想的性能；但同時(shí)還受用戶訂貨量的制約。因此不同的處理器面向的用戶是不一樣的，可能是一般用戶，行業(yè)用戶或單一用戶。 嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期。嵌入式系統(tǒng)中的軟件，一般都固化在只讀存儲(chǔ)器中，而不是以磁盤(pán)為載體，可以隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長(zhǎng)。另外，各個(gè)行業(yè)所以嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長(zhǎng)。另外，各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品，和通用計(jì)算機(jī)軟件不同，很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強(qiáng)調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。 嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性，一個(gè)體系一般要存在 810 年的時(shí)間。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開(kāi)發(fā)工具、庫(kù)函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識(shí)系統(tǒng)，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會(huì)輕易地放棄一種處理器。 嵌入式系統(tǒng)通常包括構(gòu)成軟件的基本運(yùn)行環(huán)境的硬件和操作系統(tǒng)兩部分。 嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合決定了嵌入式系統(tǒng)具有區(qū)別于其它操作系統(tǒng)的一些特點(diǎn)。 (1) 專用、軟硬件可剪裁可配置 從嵌入式系統(tǒng)定義可以看出，嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用的，和通用系統(tǒng)最大的區(qū)別在于嵌入式系統(tǒng)功能專一。根據(jù)這個(gè)特性，嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件可以根據(jù)需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)、量體裁衣、去除冗余，以實(shí)現(xiàn)低成本、高性能。 16 也正因如此，嵌入式系統(tǒng)采用的微處理器和外圍設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)不具通用。 (2) 低功耗、高可靠性、高穩(wěn)定性 嵌入式系統(tǒng)大多用在特定場(chǎng)合，要么是環(huán)境條件惡劣，要么要求其長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具 有高可靠性、高穩(wěn)定性、低功耗等性能。 (3) 軟件代碼短小精悍 由于成本和應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，通常嵌入式系統(tǒng)的硬件資源（如內(nèi)存等）都比較少，因此對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)也提出了較高的要求。嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)尤其要求高質(zhì)量，要在有限資源上實(shí)現(xiàn)高可靠性、高性能的系統(tǒng)。雖然隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，在高端嵌入式產(chǎn)品上也開(kāi)始采用嵌入式操作系統(tǒng)，但其和 PC 資源比起來(lái)還是少得可憐，所以嵌入式系統(tǒng)的軟件代碼依然要在保證性能的情況下，占用盡量少的資源，保證產(chǎn)品的高性價(jià)比，使其具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 (4) 代碼可固化 為了提高執(zhí) 行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存儲(chǔ)于磁盤(pán)中。 (5) 實(shí)時(shí)性 很多采用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用具有實(shí)時(shí)性要求，所以大多嵌入式系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)性系統(tǒng)。但需要注意的是嵌入式系統(tǒng)不等于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 (6) 弱交互性 嵌入式系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)大，而且要求使用靈活方便，一般不需要類