基于ARM的溫濕度遠程監測系統

范文良，李兵尚

（1.北京國家檢察官學院，北京102206；2.海軍潛艇學院三系，山東 青島266071）

在工業和農業領域，溫濕度作為生產環境的重要因素需要對其進行監測和控制。如農業領域，溫度和濕度作為重要的土壤信息，是農作物和樹木生長的重要生態因素之一，利用土壤溫濕度數據可以預報洪水和干旱災害，對土壤溫濕度進行測定是實施生態環境保護和建設的重要步驟。工業生產領域中，生產現場溫濕度的有效監測和控制是很多產品質量的重要保證[1-3]。

基于ARM的溫濕度遠程監測系統是能夠運行嵌入式操作系統的軟硬件綜合體，其體積較小，智能程度高，利用通用分組無線業務GPRS（General Packet Radio Service）網絡無線數據傳輸技術實現溫濕度的遠程實時監測。

1 系統組成

整個監測系統由ARM控制模塊、UART串口傳輸模塊和GPRS無線傳輸模塊、溫濕度測量模塊和電源模塊等組成，如圖1所示。

圖1 基于ARM的溫濕度遠程監測系統組成框圖

溫濕度測量模塊對環境的溫濕度進行采集，S3C2440A作為ARM控制模塊的核心芯片定時對采集信號進行讀取分析，處理好的數據通過UART串口傳輸模塊和GPRS無線傳輸模塊傳輸給連接在Internet上的GPRS網絡，最終發送至遠程監測中心，中心對數據進行接收、監測和判斷。

S3C2440A通過UART串口模塊與GPRS無線傳輸模塊構成串口通信，將溫濕度測量數據實時無線傳輸，UART串口模塊基于MAX3232EEAE芯片開發。通過串口登錄utu Linux以后，在命令行下可以使用rz、sz命令和上位機通信。S3C2440A給GPRS無線傳輸模塊發送文件數據的命令格式為：[root@utu-Linux]$ sz/*/*.*/**。

GPRS無線傳輸模塊采用現成技術，經UART串口模塊與ARM相連，通過串口通信協議來讀取信息。系統利用GPRS網絡進行無線通信，GPRS在分組交換模式下發送和接收數據，特別適用于間斷的、突發的和頻繁的少量數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。GPRS模塊采用GM862，該模塊已嵌入TCP/IP協議棧，通過串行口完成對模塊的操作，IP數據包的傳輸對用戶是透明的，從而使接口設計簡化，實現了數據在用戶終端和服務器之間的透明傳輸。將GPRS用于溫濕度遠程監測系統中，具有接入范圍廣、傳輸速率高、實時性好和維護容易等優點[4-5]。下面對監測系統的ARM控制模塊和溫濕度測量模塊進行詳細介紹。

1.1 ARM控制模塊

ARM控制模塊基于utu linux嵌入式操作系統開發，以32 bit ARM920為內核，工作頻率400 MHz，JTAG調試模塊為用戶對主控模塊進行調試和二次開發提供端口。為了提高嵌入式操作系統運行的速度和效率，ARM920核心控制芯片擴展了32 MB SDRAM靜態內存作為程序數據運算的暫存空間，硬件基于HY57V561620RT-H芯片開發。外擴的64 MB Flash可擦寫存儲器用來存儲系統掉電后仍需要保存的代碼和數據，也是嵌入式操作系統固化程序的存儲空間，硬件基于K9F1208UOM芯片開發，硬件電路原理圖如圖2所示。

圖2 外擴Flash硬件電路簡圖

1.2 溫濕度測量模塊

溫濕度測量模塊選用SHT10傳感器芯片，每秒鐘可以進行3次測量和數據記錄，數據精度選擇12 bit并且系統工作穩定。SHT10傳感器芯片是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標定數字輸出。芯片內部集成一個用能隙材料制成的溫度敏感元件和一個電容性聚合體濕度敏感元件，通過12 bit A/D轉換器和串行接口傳送測量數據。根據溫濕度測量區的范圍和分布區域不同，可選擇多個SHT10傳感器芯片共同完成測量工作，單個SHT10傳感器芯片硬件接口關系如圖3所示。

圖3 SHT10傳感器芯片硬件電路接口原理圖

溫濕度測量模塊初始化時，使用Linux 2.6內核函數將設備注冊到ARM內核，相關函數定義如下：

2 嵌入式程序設計

ARM溫濕度遠程監測系統程序基于Linux 2.6開發平臺開發，該軟件具有良好的圖形界面、豐富的網絡資源、內核可定制性等優點。Linux 2.6編制的程序具有實時性強、方便移植、內存共享和I/O系統優化等特點[6]。嵌入式程序設計采用模塊化結構，主要包括主程序模塊、數據采集模塊、溫濕度誤差補償模塊和上位機響應模塊等。對傳感器的溫濕度誤差補償采用軟件實現比硬件方案方法更簡單、更靈活而且更穩定。系統軟件程序主要包括兩部分：一是傳感器數據采集和處理部分；二是GPRS網絡數據通信和監測中心軟件。

溫濕度監測時，如圖4所示，首先系統進行設備模塊端口初始化和系統自檢，自檢通過后進行通道選擇，相應傳感器對監測點進行環境溫濕度信號采集，S3C2440A核心芯片對采集數據進行寄存器存儲并進行算法分析，包括溫濕度的算法換算和誤差補償等，處理好的數據存入Flash可擦寫存儲器，同時通過GPRS無線傳輸網絡傳至監測中心。

圖4 ARM溫濕度遠程檢測系統程序框圖

系統對溫濕度的測量由于采用SHT10傳感器芯片，SHT10可通過DATA數據總線直接輸出數字量濕度值。所測溫度值計算公式如下：

式中SOT為傳感器返回的溫度值，d1，d2，SOT取值如表1所示。

表1 溫度計算各相關系數的取值

所測濕度值為相對濕度，需要進行線性補償和溫度補償后才能得到較為準確的濕度值，計算公式如下：

式中：RHtrue為經過線性補償和溫度補償后的濕度值；T為測試濕度值時的溫度；RHlinear為經過線性補償后的濕度值；SORH為相對濕度測量值；C1，C2，C3為線性補償系數，t1和t2為溫度補償系數，取值如表2所示。

表2 濕度線性補償系數和濕度值溫度補償系數

本文研究建立生產環境的溫濕度參數遠程實時監測系統，主要由現場數據采集子系統和遠程監測系統構成，數據采集子系統以32 bit嵌入式處理器ARM920為核心，以Linux 2.6為平臺開發采集器的控制程序，并以GPRS網絡和Internet為信息載體將測量數據發送至遠程監測中心進行判斷、處理、儲存和監控。系統選用SHT10傳感器芯片進行溫濕度測量，測量數據精度高、反應靈敏且工作穩定，所開發的嵌入式系統程序具有實時性強、方便移植、內存共享和I/O系統優化等特點。因此基于ARM的溫濕度遠程監測系統體積較小，智能程度高，可以很好地滿足工業和農業不同生產領域環境溫濕度因素遠程實時監測的需要。

[1]史國濱，王熙.農作物圖像及溫濕度無線遠程監測系統設計[J].農機化研究，2011（4）：167-170.

[2]付華圓，鄒洪波，魯仁全.基于MSP430F149的溫濕度測控儀設計[J].機電工程，2011（4）：493-499.

[3]張曉東，李秀娟，張杰.基于ARM的糧食倉儲環境監測系統[J].微計算機信息，2010（8）：124-125.

[4]吳葉蘭，廉小親，張曉力，等.一種基于GPRS的無線數據采集終端設計[J].微計算機信息，2010（20）：55-57.

[5]虞明雷，姜媛媛.基于GPRS的無線數據傳輸系統[J].機電工程，2007（5）：34-36.

[6]韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.