基于移動互聯網技術的農田生態環境遠程監測系統研究

朱紹朋，鄧銘輝，馮　江

(東北農業大學 電氣與信息學院，哈爾濱　150030)

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基于移動互聯網技術的農田生態環境遠程監測系統研究

朱紹朋，鄧銘輝，馮江

(東北農業大學 電氣與信息學院，哈爾濱150030)

摘要：為了對農田生態環境的污染情況進行監測，并能夠實現實時、準確的獲取信息，提出了基于移動互聯網技術的生態環境的遠程信息采集系統，并最終得到了實現。開發了以ARM9系列的S3C2440處理器、GPRS模塊和傳感器等組成數據采集系統，實現了對農田生態環境信息的無線網絡監測和信息的實時采集。同時，通過GPRS模塊構建網絡實現了嵌入式系統與移動互聯網的信息傳遞，完成了農田生態環境遠程監測。系統可將結果在客戶端的上位機軟件顯示，有效地解決了傳統監測系統存在的傳輸距離受限及數據無法實時性等問題。

關鍵詞：農田生態環境遠程監測；嵌入式系統；GPRS；傳感器

0引言

環境污染越來越嚴重，生態系統的承受能力越來越脆弱。因此，解決環境污染問題已經迫在眉睫，準確地獲取環境信息變得越來越重要。本文采取嵌入式微處理器S3C2440為核心作為硬件系統的平臺，同時嵌入Linux的操作系統并利用GPRS模塊實現系統聯網；下位機傳感器接收環境信息作為監測點，檢測紫外線輻射、SO2含量等環境信息；最終讓數據在上位機(網頁)上顯示出來，切實有效地解決了以往系統面臨的信號傳輸的干擾、傳輸過程的沖突等問題，從而使信息能夠準確的傳輸得到了保證。

本著成本要低、功耗要小、實時性要好的應用需求，利用嵌入式技術和網絡技術，構建了一個農田生態環境的遠程監測系統[1]。以處理器S3C2440為核心并嵌入Linux系統,結合紫外線輻射、SO2等傳感器，采集并處理農田生態環境的信息，并通過有線網絡傳輸到遠程監控端，利用瀏覽器獲取數據，進行實時的在線顯示。對于農田環境的遠程監控，采用“B/S”模式來實現，在電腦或手機瀏覽器上輸入網址即可對田間的環境狀況進行監測[2]。

1嵌入式系統硬件平臺的設計

嵌入式硬件平臺的選擇對整個系統的選擇都是非常重要的。系統主要是從功耗(越低越好)、穩定性和兼容性等因素來對硬件系統的平臺進行擇優選取。整個農田生態環境的遠程監測系統由下位機(嵌入式服務器、傳感器等)和上位機(網頁)組成。其中，下位機具體包括嵌入式微處理器 S3C2440、GPRS通訊模塊、紫外線輻射傳感器和SO2傳感器等[3]，上位機則由瀏覽器組成。硬件整體框圖如圖1所示。

圖1　系統硬件結構圖

1.1　微控制器

從性能和成本等方面考慮，最終采用FL2440開發板作為系統的硬件開發平臺。該平臺穩定性好且具有豐富的硬件接口，支持多種操作系統，采用超低功耗的、處理的能力非常強的及穩定性非常好的ARM微處理器S3C2440作為系統的控制核心。S3C2440的主頻是400MHz，其主頻可倍頻至533MHz，支持3.3V或5V電壓供電，容括了實驗所需的所有要求。

開發版內集成了64M的ROM和256M的NAND Flash。Flash/ROM主要用于存儲軟件的程序和嵌入式系統，其擁有64M的能夠提供中等容量存儲的SD卡接口，USB HOST能夠提供大容量的USB硬盤存儲，IDE能夠做總線的擴展口。

1.2　傳感器

本著成本必須低、功耗必須小、體積必須小、實時性要好的產品供應需求，選取的傳感器型號分別為KODENSHI SO2傳感器和Lzw-r4紫外線輻射傳感器。其中，SO2傳感器的工作電壓在5V左右，輸出為數字型的信號，溫度的范圍為-20～50℃，特點是傻瓜式兩線接線方式。該模塊的性能特點是具有穩定性和可靠性，并且具有過壓保護和過流保護。紫外線輻射傳感器工作電壓一般在12～24V之間，其精確度大約為±3%rdg，工作溫度-40～80℃，特點是測量精度高、穩定性好、傳輸距離長及抗外界干擾能力強。

1.3　無線通訊模塊

通信模塊采用SIM900A與電腦進行TCP和UDP數據傳輸，前提是要保證電腦具有公網IP，否則無法實現通信。同時，需要在電腦端下載“網絡調試助手.exe”軟件。SIM900A采用的供電模式為單電源供電，供電的范圍在3.2~4.8V之間。該模塊不僅支持RS232串口，而且還支持LVTTL串口(即支持3.3V/5V的系統)，支持5~24V的超寬工作范圍，這樣就更容易實現與嵌入式系統的連接。此模塊具有成本低、功耗小及簡單靈活的操作，當模塊掉線以后可以自動的進行連接。其傳輸方式原理圖如圖2所示。

圖2　傳輸方式原理圖

2嵌入式系統的移植

一個好的硬件系統的平臺總是離不開軟件系統的支持。操作系統是軟件系統方面的最核心部分，主要負責的是管理系統中的信息，對系統各部分之間進行有效的協調管理，保證系統之間友好的合作，給應用程序提供穩定的開發平臺。嵌入式操作系統有各種各樣的選擇,從實驗的可行性考慮，選用嵌入式Linux系統。嵌入式Linux系統有自己非常多的獨特優勢，如源代碼公開對外開放、存在廣泛的技術支持、優越的擴展性能及對許多硬件都支持等。此次實驗的硬件開發環境主要是ARM9提供的,將ARM Linux操作系統嵌入以此來實現數據的接收、存儲與發送等。

2.1　ARM Linux系統的移植

每一個硬件平臺都必需帶有引導程序，嵌入式Linux有其獨特的引導程序。與經常用到的標準的Linux系統相比，要想啟動嵌入式Linux，必須要從FLASH或ROM中啟動。由于嵌入式Linux系統保存的位置和其它系統有所區別，因此標準的LILO不能直接引導其啟動，故此本實驗選擇了u-boot。此次實驗使用的是開發板附帶的u-boot。圖3列出了ARM Linux移植步驟。

圖3　ARM Linux的移植步驟

2.2　ARM Linux的內核及對文件系統的下載

首先通過下載串口將u-boot下載到嵌入式開發板上，然后將ARM Linux的內核及其文件系統利用串口的方式下載下來。

由于系統的內核及文件系統的映像文件通常都是非常大的，但對于串口的傳輸速度來說是相對比較慢的。為了提高傳輸速度，使用以太網模式來下載內核和文件系統，下載前要配置u-boot中的網絡參數。

2.3　Linux驅動程序

外圍的硬件設備是由Linux操作系統來控制的。當將Linux操作系統定制并且最終移植好之后，所有的應用程序都有了自己最基礎的運行環境，但只有在設備驅動程序下Linux控制設備才能正常運行設備[4]。

內核與硬件之間的橋梁是驅動程序，同時應用程序的設備接口是由驅動程序提供的。其作為一個中轉通道，充當了應用程序與內核之間訪問的支架，使內核的運行變的更加的安全。當設備驅動安裝上之后，應用程序就可以將硬件設備映射為一種可以進行讀、寫、打開、分配和關閉等操作的特殊的設備文件。Linux驅動程序的加載流程如圖4所示。

3遠程監測系統的實現

為了能夠使獲得的信息實時地在網頁上顯示出來，監測系統必需具備WEB服務且系統必須能夠實現數據的遠程傳輸功能。為了實現遠程監測采用了B/S結構，通過使用瀏覽器(計算機或手機)來訪問系統所在的網頁地址,從而獲取采集的信息，實現遠程監控的效果。B/S結構的有其獨特的有點：①開發環境簡單，對于系統的部署和維護變得更加方便[5]；②與其他結構相比共享性強，易于后期的擴展，只需在手機或電腦上打開瀏覽器，在瀏覽器上輸入系統所在的網址就可獲取實時的數據信息。圖5為遠程監測系統的示意圖。

圖4　Linux驅動加載流程

圖5　嵌入式遠程監測系統圖

3.1　B/S結構的WEB遠程監控系統

B/S結構的特點是使用非常的方便，信息查詢服務非常的人性化，而且查詢是全方位的并且簡單易操作，能夠進行功能擴展并且維護起來非常的方便。因此，文章最終選用B/S結構的Web監控的方式來對系統進行設計[6]。

WEB遠程監控采用B/S結構系統，用戶只需通過使用Web瀏覽器，由GPRS模塊為其提供網絡，來實現Web服務器的遠程訪問。其不僅實現了對系統信息的實時在線查詢，而且可以利用PHP程序來對獲取的信息進行一些基礎的控制操作，能夠更好地實現服務器和瀏覽器之間信息的友好發送和接收。瀏覽器和服務器之間的通信流程如圖6所示。

圖6　服務器- 瀏覽器通訊流程

3.2　程序設計

PHP程序用有自己獨特的一方面，與其他程序設計是有所區別的，PHP做出的動態頁面的執行效率非常的高，是其它程序所無法實現的。PHP的執行方法是將程序嵌入到HTML文檔中去，另一個特點是編譯后的代碼也可以執行，編譯以后可以使代碼得到優化運行的效果以至于代碼運行的速度加快[7]。PHP工作流程如圖7所示。

圖7　PHP工作流程示意圖

3.3　服務器通信服務程序的實現

服務器是系統的核心部分，是程序設計不可或缺的一部分。在通信服務方面，其工作的一般過程為：首先，服務器啟動后，服務器端程序會創建并綁定一個套接字，并且對地址進行反復的循環偵聽連接；若服務器接收到瀏覽器程序的連接服務請求，服務器就會立即啟動相關程序與其進行連接，并建立好連接關系，來實現服務器和瀏覽器之間的響應；通過Socket對象實現與瀏覽器之間的交流，將結果反饋至瀏覽器。服務器的通信流程如圖8所示。

圖8　服務器端通信流程圖

3.4　WEB監控主界面的網頁設計

終端中運行相應的程序(服務器和數據采集程序)，在監控端上的瀏覽器(手機、電腦)內輸入嵌入式服務器相應網址，即進入監控的主界面。要想獲取采集信息，只需點擊網頁上對應的按鈕，就會進入子頁面，PHP程序調用傳感器采集程序，并將結果在網頁上顯示[8]。

4系統應用

實驗的目的是在低成本的情況下對信息進行準確的獲取。系統的工作情況如圖9所示。

圖9　系統設置主界面

本系統于2015年9月對東北農業大學附近的環境進行了實驗。實驗結果顯示：系統能夠對環境信息進行動態顯示，并將獲得的環境數據與國家環境保護部數據進行對比，系統的靈敏度高，能完成環境實時、準確的監測。表1列出的是實驗一天的環境測量數據。實驗收集到的數據只是一天中東北農業大學附近的部分數據，所以經過分析計算出來的數據只能代表所監測時間范圍內東北農業大學附近的環境信息，與相關部門發布的參考值存在偏差。

表1　系統測量數值表

5結論

1)給出了一種基于嵌入式操作系統的遠程監測系統的設計方法，實現了對環境信息的精準監測，解決了以往傳統人工測量不能進行實時監測的問題。

2)以SIM900A模塊為系統提供網絡支持，實現GPRS無線數據傳輸及對數據的實時采集，并完成了準確接收數據和實時顯示數據，實現了環境的實時遠程監測目的。

3)本設計系統結構簡單、操作方便、成本低廉，具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]張建鋒,何東健,張靜，等.溫室監控系統的設計與實現 西北農林科技大學學報,2005，33(10)：105-108.

[2]李秀學,何存富.基于B/S結構的嵌入式實時監測系統研究[J].測控技術,2006,25(7):70-72.

[3]蔡勇承,陸明,徐耀良.DCS系統中基于AT91RM2440的分布式處理單元設計[J].華東電力,2007,5(4):75-77.

[4]鄭典萍.基于嵌入式linux的農田信息采集系統的軟件設計[J].北京:中國農業大學，2006.

[5]王興山等.基于嵌入式系統溫室環境遠程B/S監控系統設計[J].自動化儀表, 2008，29(7):39-42.

[6]劉志杰,張華忠,單曉嵐.基于嵌入式Web的遠程實時監控技術研究[J].計算機工程與設計,2007,28(15):3734-3736.

[7]鮑可進,吳健勇.基于嵌入式WebServer的電力系遠程監控的實現[J].計算機工程設計，2007，28(13)：3178-3180.

[8]張曦煌,柴志雷.嵌入式web服務器中PHP的特點及實現[J].小型微型計算機系統，2003(11):2046-2048.

Mobile Internet Technology Based on Farmland Ecological Environment Research of Remote Monitoring System

Zhu Shaopeng， Deng Minghui， Feng Jiang

(School of Electric and Information, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：To accurate, real-time monitoring of the ecological environment of farmland pollution, proposed and implemented mobile Internet technology and real-time processing system based on rapid acquisition of farmland ecological environment. Developed a series of S3C2440 ARM9 processor, GPRS module and sensors and other components of data acquisition systems, the realization of the ecological environment of farmland automatic information collection, storage and transmission of information of the wireless network. And through the GPRS module embedded systems and Internet information exchange, completed the farmland ecological environment remote monitoring.The system can result in the client's PC software display, effectively solve the transmission distance is limited conventional monitoring system exists, there is no real time data and other issues.

Key words：agricultural ecological environment remote monitoring; embedded systems; GPRS; sensors

中圖分類號：S126

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0224-05

作者簡介：朱紹朋(1990-)，男，山東新泰人，碩士研究生，(E-mail)974017018@qq.com。通訊作者：鄧銘輝(1976-)，男，哈爾濱人，副教授，博士，(E-mail)markdmh@163.com。

基金項目：國家“863 計劃”項目(2012BAD20B06)

收稿日期：2015-10-26