基于ARM—Linux智能溫室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊立基++劉陽+王焱俊

摘 要：智能溫室已經(jīng)在全國范圍內(nèi)進(jìn)行了推廣，如何采用更加科學(xué)和高效的模式進(jìn)行管理是目前重點(diǎn)研究的對(duì)象?；贏RM-Linux的智能溫室利用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)溫室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能化操作，降低了溫室的人工管理成本，提高了溫室的管理效率，實(shí)現(xiàn)了溫室管理的信息化和智能化。

關(guān)鍵詞：智能溫室 嵌入式Linux 數(shù)據(jù)集 智能控制

中圖分類號(hào)：TP316.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（b）-0001-02

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，農(nóng)業(yè)溫室生產(chǎn)和管理的智能化成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要發(fā)展方向。溫室的作物種植通過控制光照、溫度、濕度和二氧化碳濃度，采用先進(jìn)的技術(shù)措施，為作物營造最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，促使作物快速生長(zhǎng)和盡早開花結(jié)果。溫室技術(shù)的發(fā)展使人們可以吃上反季節(jié)的蔬菜水果，觀賞到反季節(jié)的花卉，同時(shí)給溫室種植者帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。然而相比歐美發(fā)達(dá)國家先進(jìn)的溫室種植，我國的溫室種植還是簡(jiǎn)單的塑料薄膜技術(shù)，缺少先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和設(shè)備。溫室作物種植產(chǎn)量基本依賴農(nóng)戶種植經(jīng)驗(yàn)，許多生產(chǎn)種植過程中的不可預(yù)見性問題無法解決?；贏RM-Linux的智能溫室實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集和智能控制，實(shí)現(xiàn)了溫室的智能化和現(xiàn)代化。

1 智能溫室構(gòu)架設(shè)計(jì)

在兼容現(xiàn)在移動(dòng)終端、手持設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上附加了終端接入層，因此基于ARM-Linux的智能溫室的架構(gòu)總共分為4層：用戶交互層、軟件核心架構(gòu)層、傳輸層和采集層。

（1）用戶交互層：用戶通過這一層和智能溫室管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，通過PC端和智能移動(dòng)終端設(shè)備，對(duì)溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（2）軟件核心架構(gòu)層：這層是智能溫室大棚的核心架構(gòu)。通過嵌入式溫室大棚中的傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，形成最終的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型通過不同農(nóng)作物特點(diǎn)，形成用戶可讀的數(shù)據(jù)，并將分析的數(shù)據(jù)和網(wǎng)上大數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合農(nóng)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)和培育計(jì)劃，給用戶一個(gè)最終的解決方案。

（3）傳輸層：是一個(gè)網(wǎng)關(guān)，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制指令譯碼，并且對(duì)這些譯碼進(jìn)行路由封裝，形成一個(gè)數(shù)據(jù)單元，這種單元通過3G和GPRS方式進(jìn)行無線傳輸。

（4）采集層：負(fù)責(zé)大棚溫室作物生長(zhǎng)信息的采集。通過對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤、大氣、濕度和溫度這些要素設(shè)置傳感器，對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖诵募軜?gòu)層進(jìn)行分析，通過不同傳感器的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而控制肥料濃度和灌溉水量、風(fēng)機(jī)等一些參數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室控制管理的智能化和自動(dòng)化。

2 智能溫室功能設(shè)計(jì)

2.1 智能實(shí)時(shí)監(jiān)控

通過PC端或者移動(dòng)智能終端查看智能溫室作物生長(zhǎng)的土壤濕度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳的濃度和氧氣的濃度、空氣溫度等的實(shí)時(shí)環(huán)境信息，通過PC端查看溫室監(jiān)控視頻，并且還可以保存大棚環(huán)境錄像文件。

2.2 智能預(yù)警系統(tǒng)

（1）智能溫室系統(tǒng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，每個(gè)溫室不同環(huán)境參數(shù)設(shè)置閾值。如果超出閾值，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的設(shè)置，通過網(wǎng)絡(luò)用系統(tǒng)消息和手機(jī)短信等方式提醒相應(yīng)管理者。

（2）這些預(yù)警機(jī)制觸發(fā)的信息可根據(jù)用戶個(gè)人靈活配置，根據(jù)每個(gè)客戶需求可以配置不同的內(nèi)容，在最大程度上滿足所有客戶的個(gè)性化需求。

（3）可以根據(jù)保存的報(bào)警記錄查看當(dāng)前關(guān)聯(lián)的溫室設(shè)備，更加快速和及時(shí)地遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備，更加高效地處理溫室環(huán)境問題。

2.3 遠(yuǎn)程RPC控制

智能溫室系統(tǒng)通過目前最先進(jìn)的遠(yuǎn)程工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)，讓每個(gè)用戶足不出戶遠(yuǎn)程RPC控制智能溫室設(shè)備?？蛻艨梢宰约涸O(shè)置，讓每個(gè)溫室設(shè)備隨環(huán)境參數(shù)變化進(jìn)行自動(dòng)控制，比如說當(dāng)土壤濕度過高時(shí)，溫室排風(fēng)機(jī)開始工作。并且提供智能手持設(shè)備用戶交互端，讓每個(gè)客戶可以通過手機(jī)在任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程控制溫室的所有設(shè)備。

系統(tǒng)由信號(hào)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)控制器、傳感器、PC和3G信號(hào)轉(zhuǎn)換器等設(shè)備組成。信號(hào)控制和信號(hào)轉(zhuǎn)化器通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行無線連接，每個(gè)信號(hào)控制器和信號(hào)轉(zhuǎn)化器下面可同時(shí)連接多部終端設(shè)備，并且所有智能手持終端、計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)，非異步工作。信號(hào)控制器和信號(hào)轉(zhuǎn)化器與計(jì)算機(jī)或智能手持設(shè)備中斷，則通過移動(dòng)或3G或有線通訊網(wǎng)絡(luò)連接或串口連接。

信號(hào)控制器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器在智能溫室大棚中處于比較核心的地位，幾乎所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)都要匯集到信號(hào)轉(zhuǎn)換器中，所有對(duì)終端的控制指令也都要通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器向下發(fā)送。計(jì)算機(jī)終端機(jī)通過局域網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)直接打開信號(hào)轉(zhuǎn)化器和信號(hào)控制器后，可進(jìn)行系統(tǒng)配置、采集網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)查看、圖表的繪制、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等操作。信號(hào)控制器也具備遠(yuǎn)距離傳輸能力，智能溫室通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器將所有的設(shè)置數(shù)據(jù)以及采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器上，這種模式支持多用戶同時(shí)登陸網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對(duì)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

2.4 智能溫室數(shù)據(jù)分析

智能溫室大棚可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且可以和以往保存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)支持圖表和列表兩種不同方式查看，每個(gè)客戶都可以通過計(jì)算機(jī)或智能手持移動(dòng)設(shè)備查看歷史數(shù)據(jù)曲線。和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的服務(wù)器數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，智能溫室大棚系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對(duì)相互關(guān)系進(jìn)行分析，給出更適合農(nóng)作物生長(zhǎng)、最能提高農(nóng)作物產(chǎn)量的環(huán)境參數(shù)和輔助決策。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 嵌入式環(huán)境搭建

3.1.1 開發(fā)環(huán)境

硬件：2440開發(fā)板、JLINK仿真器、USB轉(zhuǎn)串口、網(wǎng)線、 64位Windows系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。

軟件：Linux-2.6.31版本的內(nèi)核源碼、裝有Ubuntu系統(tǒng)的虛擬機(jī)Virtual-box、arm-linux-gcc-4.3.2交叉編譯工具鏈、busybox-1.15.2，mkyaffs2image、SecureCRT 6.1串口終端、Uboot、J-Flash ARM V4.02d、DNW軟件。

3.1.2 搭建過程

（1）燒寫Uboot。燒寫Uboot有兩種方法：一種是直接使用廠家提供的Uboot鏡像文件；第二種是根據(jù)開發(fā)板的參數(shù)以及自己需要的功能進(jìn)行燒寫。

（2）編譯內(nèi)核。將Linux-2.6.31的源碼解壓到虛擬機(jī)Ubuntu下，用命令make menuconfig配置內(nèi)核，一般配置內(nèi)核功能的網(wǎng)卡、USB、LCD、開發(fā)板型號(hào)和文件系統(tǒng)，最后用命令make uImage在arch/arm/boot目錄下生成了linux內(nèi)核的鏡像文件zImage。

（3）制作文件系統(tǒng)。將busybox-1.15.2、mkyaffs2image的壓縮文件解壓到虛擬機(jī)Ubuntu下，制作好各個(gè)目錄及文件，利用busybox-1.15.2制作精簡(jiǎn)指令集，將其拷貝到制作好的/bin目錄下，在/etc/init.d/rcS文件中寫上開機(jī)需要執(zhí)行的指令，指定本機(jī)的IP地址和掛載nfs到服務(wù)器，為了方便與虛擬機(jī)通信，最后用mkyaffs2image目錄中的mkyaffs2命令把剛才制作好的各個(gè)目錄文件制作成文件系統(tǒng)myyaffs2。

（4）配置虛擬機(jī)Ubuntu，啟動(dòng)NFS服務(wù)，將來開發(fā)板可以掛載文件到虛擬機(jī)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)文件共享。

（5）利用DNW軟件和開發(fā)板上的USB接口，啟動(dòng)開發(fā)板，從NorFlash啟動(dòng)，進(jìn)入U(xiǎn)boot控制界面，用USB傳輸將之前制作的內(nèi)核鏡像zImage和myyaffs2燒寫到開發(fā)板的NandFlash中。

3.2 傳感器驅(qū)動(dòng)

（1）所需傳感器。

DS18B20溫度傳感器、土壤濕度計(jì)檢測(cè)模塊、BH1750光照傳感器模塊、MH-Z18二氧化碳?xì)怏w傳感器、空氣濕度傳感器SHT11。

（2）驅(qū)動(dòng)的編寫。

我們采取的是ARM架構(gòu)的開發(fā)板，搭載的是Linux操作系統(tǒng)，需要編寫每個(gè)傳感器的驅(qū)動(dòng)，然后加載到內(nèi)核中，應(yīng)用程序就可以調(diào)用這些驅(qū)動(dòng)接口，從而控制相應(yīng)的傳感器。

DS18B20溫度傳感器驅(qū)動(dòng)首先調(diào)用在模塊初始化函數(shù)中創(chuàng)建設(shè)備文件，并且綁定文件的操作函數(shù)。再分別實(shí)現(xiàn)這3個(gè)函數(shù)，ds18b20_open（）完成傳感器的初始化，即對(duì)傳感器進(jìn)行尋址，并進(jìn)行寄存器的設(shè)置，使其完成相應(yīng)的功能，ds18b20_read（）完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)用程序調(diào)用read函數(shù)時(shí)就是調(diào)用此函數(shù)作為接口，ds18b20_close（）函數(shù)完成一些傳感器驅(qū)動(dòng)中釋放動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存，一般為空函數(shù)。ds18b20_exit（）函數(shù)完成一些結(jié)構(gòu)體的釋放。最后用這兩個(gè)函數(shù)修飾初始化函數(shù)和離開函數(shù)，使其能在加載驅(qū)動(dòng)模塊和卸載模塊時(shí)發(fā)揮作用。

4 結(jié)語

智能溫室控制系統(tǒng)通過應(yīng)用現(xiàn)代電子信息技術(shù)于傳統(tǒng)溫室種植中，運(yùn)用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)外溫度、二氧化碳濃度等關(guān)乎農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子，同時(shí)處理器根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，采取相應(yīng)措施并調(diào)用相關(guān)設(shè)備來控制溫度等環(huán)境因子，使農(nóng)作物處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境，加快植物生長(zhǎng)速度，從而縮短植物生長(zhǎng)周期，基于ARM-Linux智能溫室提高了農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益，降低了人力成本，提高了我國的農(nóng)業(yè)科技水平，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)種植智能化管理。

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