基于ARM—Linux智能溫室的設計與實現

楊立基++劉陽+王焱俊

摘 要：智能溫室已經在全國范圍內進行了推廣，如何采用更加科學和高效的模式進行管理是目前重點研究的對象?；贏RM-Linux的智能溫室利用傳感器和物聯網技術，對溫室作物生長環境的信息進行實時采集，并將采集的數據上傳到服務器，經過系統優化對溫室內的設備進行自動控制，實現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，實現了溫室管理的信息化和智能化。

關鍵詞：智能溫室 嵌入式Linux 數據集 智能控制

中圖分類號：TP316.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（b）-0001-02

隨著科學技術的發展和物聯網技術的普及，農業溫室生產和管理的智能化成為現代化農業發展的一項重要發展方向。溫室的作物種植通過控制光照、溫度、濕度和二氧化碳濃度，采用先進的技術措施，為作物營造最佳的生長環境，促使作物快速生長和盡早開花結果。溫室技術的發展使人們可以吃上反季節的蔬菜水果，觀賞到反季節的花卉，同時給溫室種植者帶來了可觀的經濟效益。然而相比歐美發達國家先進的溫室種植，我國的溫室種植還是簡單的塑料薄膜技術，缺少先進的科學技術和設備。溫室作物種植產量基本依賴農戶種植經驗，許多生產種植過程中的不可預見性問題無法解決。基于ARM-Linux的智能溫室實現了對溫室作物生長環境信息的實時采集和智能控制，實現了溫室的智能化和現代化。

1 智能溫室構架設計

在兼容現在移動終端、手持設備等物聯網架構的基礎上附加了終端接入層，因此基于ARM-Linux的智能溫室的架構總共分為4層：用戶交互層、軟件核心架構層、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進行交互，通過PC端和智能移動終端設備，對溫室作物生長環境的各種信息進行實時查詢，并可以進行遠程控制。

（2）軟件核心架構層：這層是智能溫室大棚的核心架構。通過嵌入式溫室大棚中的傳感器對數據進行采集，形成最終的數據模型，數據模型通過不同農作物特點，形成用戶可讀的數據，并將分析的數據和網上大數據進行對比，結合農作物的生長特點和培育計劃，給用戶一個最終的解決方案。

（3）傳輸層：是一個網關，對收集到的數據進行控制指令譯碼，并且對這些譯碼進行路由封裝，形成一個數據單元，這種單元通過3G和GPRS方式進行無線傳輸。

（4）采集層：負責大棚溫室作物生長信息的采集。通過對農作物生長的土壤、大氣、濕度和溫度這些要素設置傳感器，對周圍環境進行實時采集，并將數據傳輸到軟件核心架構層進行分析，通過不同傳感器的數據分析，進而控制肥料濃度和灌溉水量、風機等一些參數，實現溫室控制管理的智能化和自動化。

2 智能溫室功能設計

2.1 智能實時監控

通過PC端或者移動智能終端查看智能溫室作物生長的土壤濕度、空氣濕度、光照強度、二氧化碳的濃度和氧氣的濃度、空氣溫度等的實時環境信息，通過PC端查看溫室監控視頻，并且還可以保存大棚環境錄像文件。

2.2 智能預警系統

（1）智能溫室系統對歷史數據進行大數據分析，每個溫室不同環境參數設置閾值。如果超出閾值，系統可以根據用戶的設置，通過網絡用系統消息和手機短信等方式提醒相應管理者。

（2）這些預警機制觸發的信息可根據用戶個人靈活配置，根據每個客戶需求可以配置不同的內容，在最大程度上滿足所有客戶的個性化需求。

（3）可以根據保存的報警記錄查看當前關聯的溫室設備，更加快速和及時地遠程控制溫室設備，更加高效地處理溫室環境問題。

2.3 遠程RPC控制

智能溫室系統通過目前最先進的遠程工業自動化控制技術，讓每個用戶足不出戶遠程RPC控制智能溫室設備。客戶可以自己設置，讓每個溫室設備隨環境參數變化進行自動控制，比如說當土壤濕度過高時，溫室排風機開始工作。并且提供智能手持設備用戶交互端，讓每個客戶可以通過手機在任何地點遠程控制溫室的所有設備。

系統由信號轉換器、信號控制器、傳感器、PC和3G信號轉換器等設備組成。信號控制和信號轉化器通過物聯網技術進行無線連接，每個信號控制器和信號轉化器下面可同時連接多部終端設備，并且所有智能手持終端、計算機進行自動組網，非異步工作。信號控制器和信號轉化器與計算機或智能手持設備中斷，則通過移動或3G或有線通訊網絡連接或串口連接。

信號控制器和信號轉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據都要匯集到信號轉換器中，所有對終端的控制指令也都要通過信號轉換器向下發送。計算機終端機通過局域網或網絡直接打開信號轉化器和信號控制器后，可進行系統配置、采集網絡管理、數據查看、圖表的繪制、導出數據等操作。信號控制器也具備遠距離傳輸能力，智能溫室通過信號轉換器將所有的設置數據以及采集到的數據通過網絡傳輸到服務器上，這種模式支持多用戶同時登陸網絡服務器對網關的數據進行查看。

2.4 智能溫室數據分析

智能溫室大棚可以對采集到的數據進行分析，并且可以和以往保存的歷史數據進行對比。同時支持圖表和列表兩種不同方式查看，每個客戶都可以通過計算機或智能手持移動設備查看歷史數據曲線。和農業生產的服務器數據建立統一的數據模型，智能溫室大棚系統通過數據挖掘、大數據等技術對相互關系進行分析，給出更適合農作物生長、最能提高農作物產量的環境參數和輔助決策。

3 系統開發

3.1 嵌入式環境搭建

3.1.1 開發環境

硬件：2440開發板、JLINK仿真器、USB轉串口、網線、 64位Windows系統的計算機。

軟件：Linux-2.6.31版本的內核源碼、裝有Ubuntu系統的虛擬機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；第二種是根據開發板的參數以及自己需要的功能進行燒寫。

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

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

（4）配置虛擬機Ubuntu，啟動NFS服務，將來開發板可以掛載文件到虛擬機服務器上，實現文件共享。

（5）利用DNW軟件和開發板上的USB接口，啟動開發板，從NorFlash啟動，進入Uboot控制界面，用USB傳輸將之前制作的內核鏡像zImage和myyaffs2燒寫到開發板的NandFlash中。

3.2 傳感器驅動

（1）所需傳感器。

DS18B20溫度傳感器、土壤濕度計檢測模塊、BH1750光照傳感器模塊、MH-Z18二氧化碳氣體傳感器、空氣濕度傳感器SHT11。

（2）驅動的編寫。

我們采取的是ARM架構的開發板，搭載的是Linux操作系統，需要編寫每個傳感器的驅動，然后加載到內核中，應用程序就可以調用這些驅動接口，從而控制相應的傳感器。

DS18B20溫度傳感器驅動首先調用在模塊初始化函數中創建設備文件，并且綁定文件的操作函數。再分別實現這3個函數，ds18b20_open（）完成傳感器的初始化，即對傳感器進行尋址，并進行寄存器的設置，使其完成相應的功能，ds18b20_read（）完成對傳感器數據的采集，應用程序調用read函數時就是調用此函數作為接口，ds18b20_close（）函數完成一些傳感器驅動中釋放動態分配的內存，一般為空函數。ds18b20_exit（）函數完成一些結構體的釋放。最后用這兩個函數修飾初始化函數和離開函數，使其能在加載驅動模塊和卸載模塊時發揮作用。

4 結語

智能溫室控制系統通過應用現代電子信息技術于傳統溫室種植中，運用傳感器實時監測溫室內外溫度、二氧化碳濃度等關乎農作物生長的重要環境因子，同時處理器根據監測結果，采取相應措施并調用相關設備來控制溫度等環境因子，使農作物處于最佳生長環境，加快植物生長速度，從而縮短植物生長周期，基于ARM-Linux智能溫室提高了農作物的經濟效益，降低了人力成本，提高了我國的農業科技水平，實現了農業種植智能化管理。

參考文獻

[1] 于合龍，劉杰，馬麗，等.基于Web的設施農業物聯網遠程智能控制系統的設計與實現[J].中國農機化學報， 2014，35（2）：240-245.

[2] 閆曉軍，王維瑞，梁建平.北京市設施農業物聯網應用模式構建[J].農業工程學報，2012，28（4）：149-154.

[3] 秦琳琳，陸林箭，石春，等.基于物聯網的溫室智能監控系統設計[J].農業機械學報，2015，46（3）：261-267.

[4] 葛文杰，趙春江.農業物聯網研究與應用現狀及發展對策研究[J].農業機械學報，2014，45（7）：222-230.

[5] 路康，馬斌強，劉美琪，等.溫室動態參數測試系統的設計[J].河南農業大學學報，2008，42（3）：330-333.