基于ARM的溫室智能測控系統

陳文彬 杜云明 王焱俊 石廣博 譚 旺

佳木斯大學信息電子技術學院

基于ARM的溫室智能測控系統

陳文彬 杜云明 王焱俊 石廣博 譚 旺

佳木斯大學信息電子技術學院

為實現對溫室大棚環境因子有效干預，促進作物良好生長，設計了一種以ARM處理器為核心的溫室環境智能測控系統。該系統利用傳感器實時采集溫室的光照強度、空氣溫濕度和土壤水分濕度等環境參數，結合專家系統的作物生長環境需求，通過嵌入式系統進行判別分析處理，并以控制繼電器驅動相關執行機構方式完成對環境因子的調節操作。 其控制簡單，易于操作，可為作物生長提供最佳環境，有利于提高作物的產量和質量。

溫室大棚作為一種設施農業，可為作物反季節生長提供優越的環境條件，在我國北方地區已經成為冬季農業生產的重要組成部分。傳統的溫室管理主要依靠經驗實現對作物生長環境進行控制，由于缺乏有效的信息化手段，使得對作物生長環境的監測精準度和調控穩定性均不夠理想，作物難以在最佳環境下進行生長。為提高溫室管理的智能化，減少認為干預和調控，在ARM平臺上開發了一款自動監測和控制系統，實現對作物環境參數自動檢測、自動保存和自動操作等處理，為作物優質、高產提供有利環境條件。

系統硬件設計

本智能溫室測控系統以控制溫室的光照強度、空氣溫濕度和土壤水分濕度為目的，具有簡單、精準和易于操作等優點。整個系統以ARM（S3C2440）微處理器為作為主控制器，以AM2301為空氣溫濕度傳感器，BH1750FVI光照強度傳感器，SHT11土壤濕度傳感器作為溫室環境采集模塊；以12864液晶顯示屏作為顯示模塊，以DM9000以太網控制器作為網絡接入模塊；以電磁繼電器作為驅動模塊，驅動加熱、補光、補水、通風等外圍設備。系統將數據采集模塊獲取的環境信息輸入到主控制器，通過以太網傳送至上位機并與專家系統的作物參數進行比較，然后回傳控制信號實現對相關繼電器的通斷控制，進而驅動外圍執行機構完成相應環境因子的改善操作。在此過程中，顯示屏會實時顯示環境參數及外圍設備的工作狀態。系統總體結構框圖如圖1所示。

AM2301溫濕度傳感器

AM2301溫濕度傳感器采用專用的數字采集技術和溫濕度傳感技術制作而成，是一款經過數字校準的溫濕度一體化的傳感器，可直接實現信號的數字輸出，具備良好的抗干擾性和穩定性。AM2301傳感器與微處理器間的數據通信采用單總線模式實現，一次數據通信時間約為5ms左右，且每次傳送40bit的完整數據。完整數據包括濕度數據、溫度數據和校驗數據，其中溫、濕度數據各占16bit，校驗數據占8bit。另外在溫、濕度數據中，高八位顯示為整數數據，低八位顯示為小數數據。

完整的數據結構為：濕度高八位數據+濕度低八位數據+溫度高八位數據+溫度低八位數據+校驗八位數據。

設計上，當不需要數據通信時，總線處于高電平狀態，等待主機（ARM）發出數據請求指令。在通信開始時，主機發出開始信號，拉低總線并保持500us，以確保從機（AM2301）可以檢測到該信號。當從機在總線上接收到主機的起始信號后，執行從低功耗模式到高速模式的轉換，并等待主機開始信號結束，然后發出響應信號（一個80us的低電平）。主機釋放總線并延時20～40us后，讀取從機發出的響應信號，接受40bit的數據，完成一次信號采集。

圖1　系統總體結構框圖

BH1750FVI光照強度傳感器

BH1750FVI是一種集成式環境光亮度傳感器，主要由光電二極管、電流電壓轉換電路、AD轉換電路、控制邏輯電路和接口電路等構成，可實現16位數字信號輸出。該器件具有較高的分辨率，可以測量較大范圍（1|x－65535|x）的光強度變化。其與主機間的通信采用兩線式串行總線（IIC）接口實現。BH1750FVI可以通過將ADDR設置為高、低電平的方式，給出兩種不同形式的從屬地址，實現高大分辨率與低大分辨率模式的切換。結合溫室實際光照環境需求，本設計采用連續高大分辨率工作模式，其執行指令為“00010001”。主、從機的數據通信由“寫指令”和“讀取測量結果”兩個操作完成。

主機與從機間的數據通信時序為：

數據采集模式設置ADDR=‘L’

最后，將讀取的測量數據轉換為光強度數值，其轉換格式為：光照強度值=（High Byte數據×256+Low Byte數據）/1.2[1x]。

SHT11土壤濕度傳感器

SHT11是一款可自動校準的數字型土壤濕度傳感器，其主要通過一個電容性聚合體濕度敏感元件采集土壤水分信息，經內部14位的A/D轉換器實現數據的數字輸出。與主機間通信采用串行兩線（時鐘線SCK和數據線DATA）接口實現，因其通信協議與通用的I2C總線協議不兼容，需采用通用微處理器（設計中選用Atmega128）I/O接口模擬該通信時序。

SHT11濕度測試時序圖為：

通信啟動后，主機發出8位測量命令碼（3個地址位和5個命令位），DATA總線等待從機（SHT11）的響應。當從機接收指令后，在第8個時鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機的ACK；在第9個時鐘下降沿之后，釋放總線開始測量，測量結束后從機釋放DATA總線（DATA為低電平）。主機檢測到DATA總線被拉低后，發出時鐘序列，讀取2個8bit的測量數據和1個8bit的CRC奇偶校驗碼。其中，在每個字節傳輸結束后，均需發出一個時鐘高電平ACK，并將DATA置為低電平，以確認讀取成功。在測量和傳輸結束后，SHT11自動轉入休眠模式。

此時主機讀取的數據為“相對濕度”，需進行線性補償修正后方可得到較為準確的濕度值。濕度修正格式為：RHlinear=C1+C2×SORH+C3×SORH2。其中RHlinear為經過線性補償后準確的濕度值，SORH為測量的相對濕度值，C1、C2、C3為線性補償系數（可在產品數據手冊中查表獲取）。

信息顯示模塊和DM9000以太網控制器模塊

顯示模塊采用12864LCD液晶顯示屏作為系統人機交互界面，其顯示分辨率為128×64，內置8192個16×16點陣漢字和128個16×8點陣ASCII字符集，完全可以滿足對溫室環境信息及數據的顯示需求。12864LCD的顯著特點是低電壓低功耗，與同類型的點陣液晶顯示模塊相比，在電路結構、顯示程序和價格等方面都具有明顯的優勢。與主機間的通信既可通過串口方式進行，又可通過4位/8位并口方式實現（將PSB引腳設置為高電平時為并口通信，低電平時為串口通信）。通過將引腳RS、R/W、E設置為高低電平，可實現對指令和數據的存儲、讀取和顯示。

DM9000是一款帶有通用接口的高速以太網控制器，內部集成了MAC、MMU和PHY，可提供8位/16位/32位三種不同的接入方式，支持IEEE 802.3u規范，可自適應調整10/100M線路帶寬。另外還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制。實現以太網物理層（PHY）和網絡層（MAC）的功能。實際設計中，采用16位接口通過總線方式與主控制器連接。測量數據可由主機以打包形式（UDP或IP）傳輸至DM9000，而后通過以太網接口（RJ45）將數據傳送到上位機，或者從上位機接受指令，響應上位機的請求，完成對外圍設備操作的功能。

圖2　應用程序流程圖

繼電器控制模塊

當系統采集的環境參數不滿足作物生長要求時，需要啟動外圍設備（如：風扇、水泵、加熱片、補光燈等）進行補償。由于主控器發出的是弱電信號，無法驅動外圍設備，因此需要借助繼電器引入強電信號實現對外部設備的驅動和控制。其主要工作原理是：利用主控器發出的控制信號作為繼電器線圈的輸入，當有電流通過時（控制信號高電平），電磁鐵在電磁場效應下產生磁力，吸下銜鐵至“常開觸點”，引入強電信號導通外圍設備電路，實現啟動控制。當電磁鐵斷電時（控制信號低電平）失去磁力，彈簧將銜鐵拉起至“常閉觸點”，切點工作電路，實現停止控制。

系統軟件設計

系統軟件設計主要包括三個部分：構建開發環境、外圍設備驅動程序編寫與移植、應用程序編寫與調試。構建開發環境部分主要給控制器配置操作系統，為驅動程序和應用程序的編寫與移植提供平臺。設計中采用以linux 2.6.31為內核的utu－linux系統作為操作系統，采用arm－linuxgcc－4.3.2為交叉編輯器，根文件系統為yaffs2。驅動程序和應用程序均采用C語言進行開發，其中驅動程序開發主要編寫傳感器、顯示器及風扇、水泵、加熱片、補光燈等外圍設備的驅動程序，然后加載到內核中，以便于應用程序調用這些驅動接口，實現相關器件的控制。應用程序采用模塊化的設計思想，將數據采集、信息顯示、以太網服務和外圍設備控制等進行分開設計，模塊間的數據訪問和調用采用全局變量方式進行。應用程序的流程是先進行操作系統的初始化，再進行系統硬件的初始化，然后進行環境數據的采集及處理。當處理后的環境數據與上位機設定的閾值發生沖突時，給主控器的GPIO接口提供高電平，開始啟動自動控制系統，進行溫室環境的自動控制來保證整個智能溫室大棚的環境始終在最合適的范圍內，此程序循環運行。當系統檢測的終止系統的信號時，整個系統停止工作。程序流程如圖2所示。

結語

本設計以ARM（S3C2440）處理器為控制核心，通過溫、濕度傳感器和光強傳感器為主要信息采集器件對溫室環境進行實時監測。通過與上位機的交互，判斷環境參數是否滿足作物生長要求。利用軟件系統和繼電器控制外圍設備，實現了對溫室環境的調節控制。該系統功耗低、操作方便，具有實時、精確、可高、穩定性高等優點。