【正文】 ...................39 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ......................................................................................40 溫度測(cè)量電路 ................................................................................40 濕度測(cè)量電路 ................................................................................41 CO2含量測(cè)量電路 .........................................................................42 第 6 章 總結(jié)和展望 ........................................................................................43 全文工作總結(jié) ..........................................................................................43 展望 ..........................................................................................................44 致 謝 ..................................................................................................................45 參 考文獻(xiàn) .............................................................................................................46 6 7 第 1 章 緒論 選題 目的和 意義 中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)來(lái)改變環(huán)境參數(shù)，使作物生長(zhǎng)在最適宜的環(huán)境條件下。 鑒于上述情況，本文提出的生物大棚環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)采用了多傳感器技術(shù)和 控制 系統(tǒng)相結(jié)合的測(cè)控方案。因此改變傳統(tǒng)的測(cè)控方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測(cè)控，建立符合我國(guó)國(guó)情的智能生物大棚 ，對(duì)加快我國(guó)溫室生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平及提高溫室的經(jīng)濟(jì)效益均具有重要意義。 我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的一些環(huán)境監(jiān)控設(shè)備，由于其測(cè)控的側(cè)重點(diǎn)與我國(guó)氣候條件不相匹配，且引進(jìn)價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用高，一次難于在我國(guó)大規(guī)模推廣和應(yīng)用。 基于 ARM 嵌入式的智能生物大棚 系統(tǒng)設(shè)計(jì) The Research of Intelligent Biological Greenhouse Basing on ARM architecture 專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 1 摘 要 生物大棚環(huán)境測(cè)控，即根據(jù)植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，調(diào)節(jié)生物大棚內(nèi)環(huán)境條件的總稱。進(jìn)行環(huán)境測(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化，科學(xué)化的基本保證，通過(guò)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物在不適應(yīng)生長(zhǎng)發(fā)育的反季節(jié)中，可獲得比室外 生 長(zhǎng)更優(yōu)的環(huán)境條件，達(dá)到作 物高產(chǎn) 的栽培目的。目前，國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)，自行建造的智能生物大棚，大部分測(cè)控水平較低，現(xiàn)代化管理水平不高，不能夠滿足作物全年高產(chǎn)栽培的要求。 因此在分析了生物大棚的環(huán)境參數(shù)，綜合測(cè)控特性，以及測(cè)控過(guò)程的非線性、大滯后的復(fù)雜過(guò)程后，綜合運(yùn)用傳 感器技術(shù)， gprs 技術(shù)等，自行研究和設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)用的生物大棚環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物大棚中 CO2濃度，溫度，濕度等的測(cè)控。其中，多傳感器的管理和融合系統(tǒng)更能完善、準(zhǔn)確的反映環(huán)境特征，以獲得最高的檢測(cè)精度和可靠的控制決策，使系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行 。整個(gè)系統(tǒng)效率高且容易擴(kuò)展，通用性和適用性較強(qiáng)?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制。在農(nóng)業(yè)種植問(wèn)題中，溫室環(huán)境與生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行 環(huán)境測(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。大棚內(nèi)的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長(zhǎng)。而當(dāng)今大多數(shù)對(duì)大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于 測(cè)控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。 目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對(duì)其性能要求也越來(lái)越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)大棚的自動(dòng)化程度要求也越來(lái)越高。 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究綜述 國(guó)外狀況 世界發(fā)達(dá)國(guó)家如荷蘭、美國(guó)、以色列等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫 8 室內(nèi)溫度、光照、水、氣、肥實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)調(diào)控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝形成了一整套完整的規(guī)范化技術(shù)體系。美國(guó)有發(fā)達(dá)的設(shè)施栽培技術(shù)，綜合環(huán)境控制技術(shù)水平非常高。以花卉溫室為例，溫室內(nèi)監(jiān)控項(xiàng)目包括室內(nèi) 氣溫、水溫、土壤溫度、鍋爐溫度、管道溫度、相對(duì)空氣濕度、保溫幕狀況、通窗狀況、泵的工作狀況、 CO2 濃度、 Ec 調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值、 pH 調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值；室外監(jiān)控項(xiàng)目包括大氣溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速、相對(duì)濕度等。 以園藝業(yè)著稱的荷蘭從 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)就開(kāi)始全面開(kāi)發(fā)溫室計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并不斷地開(kāi)發(fā)模擬控制軟件。荷蘭開(kāi)發(fā)的溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和必要的信息顯示，可繪制出設(shè)定參數(shù)曲線、修正值曲線以及測(cè)量的數(shù)據(jù)曲線，可以從數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)調(diào)出設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)參數(shù)以便于必要的數(shù)據(jù)查詢，并能直接對(duì)計(jì)算機(jī)串行口進(jìn)行操作，完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。 此外，國(guó)外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展?？刂埔竽茉谶h(yuǎn)離溫室的計(jì)算機(jī)控制室就能完成，即遠(yuǎn)程控制。 國(guó)內(nèi)狀況 我國(guó)農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開(kāi)始于 20 世紀(jì) 70 年代， 80 年代開(kāi)始應(yīng)用于溫室控制與管理領(lǐng)域。在此期間，中國(guó)科學(xué)院石家莊現(xiàn)代化研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所等單位也都側(cè)重不同領(lǐng)域，研究溫室設(shè)施的計(jì)算機(jī)控制與管理技術(shù)。 20 世紀(jì) 90 年代末，河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院的閆忠文研制了作物大棚溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，能對(duì)大棚內(nèi)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功“ WJG1”溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，采用了分布式控制系統(tǒng)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 設(shè)計(jì)研制的“山東省濟(jì)寧大型育苗溫室計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)分布式控制。我國(guó)設(shè)施栽培起步晚、基礎(chǔ)差，沒(méi)有將其作為整體工程問(wèn)題研究。 (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)。 (3) 溫室測(cè)控系統(tǒng)的通信仍然采用有線方式。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。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)。我國(guó)目前部分溫室的建筑材料主要是鋼材和玻璃。 (6) 機(jī)械化水平低，調(diào)控能力差，作業(yè)主要依靠人力。 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。 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)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。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。 (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。 (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。 12 嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。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。 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)的。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)。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。目前的嵌入式處理器主要包括： PowerPC、 Motorola 68000、ARM 系列等等。常見(jiàn)的有 8051。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)。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。內(nèi)核變大使得占用的資源增多，剪裁起來(lái)很麻煩。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。 (3) 任務(wù)調(diào)度 在嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)即線程。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。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。 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。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)。 (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。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。 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。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。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。 (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。這種方法實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)所采用的方法。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。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。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。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)。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。 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。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)。 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。 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。 (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。 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。 (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。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。 (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)