基于ARM技術的溫室大棚自動控制系統方案設計

1、托普物聯網開創(chuàng)智慧農業(yè)新時代！基于arm技術的溫室大棚自動控制系統方案設計摘要：為實現農業(yè)溫室大棚自動控制系統的智能控制，系統以arm9嵌入式處理器為核心，將各類數字傳感器收集的數據通過模糊控制算法進行處理，采用自動控制、gul和遠程監(jiān)控等多種方式調整溫室執(zhí)行機構，在搭建的溫室模型中取得穩(wěn)定、可靠的運行效果。arm系統比傳統溫室控制系統維護簡單、功耗低、經濟實用。較之同類設計。該系統開發(fā)了數字傳感器驅動、圖形化窗口、模糊控制程序、網絡攝像頭監(jiān)控，實現了溫室控制的智能化、網絡化和可視化。關鍵詞：arm；嵌入式系統；溫室大棚自動控制系統；遠程監(jiān)控；模糊控制溫室大棚自動控制系統是專門為農業(yè)溫室、農業(yè)

2、環(huán)境控制、氣象觀測開發(fā)生產的環(huán)境自動控制系統?？蓽y量風向、風速、溫度、濕度、光照、氣壓、雨量、太陽輻射量、太陽紫外線、土壤溫濕度等農業(yè)環(huán)境要素，根據溫室植物生長要求，自動控制開窗、卷膜、風機濕簾、生物補光、灌溉施肥等環(huán)境控制設備，自動調控溫室內環(huán)境，達到適宜植物生長的范圍，為植物生長提供最佳環(huán)境。托普物聯網了解到溫室大棚自動控制系統是近年來發(fā)展起來的節(jié)約型設施農業(yè)技術，在充分利用自然資源的基礎上，通過計算機綜合控制，通過調節(jié)環(huán)境因子中的溫度、濕度、光照強度等來獲得作物生長的最佳條件，從而達到增加作物產量、改善品質、調節(jié)生長周期、提高經濟效益的目的。目前，荷蘭、以色列等國的智能溫室技術已經相當成

3、熟，我國也曾多次引進其產品，但由于環(huán)境差異，荷蘭采用的玻璃溫室在國內的效果沒有預期理想且造價過高，且關鍵技術對我國保密，于是國內多所大學及科研機構也進行過許多相關研究，設計方案包括單片機(mcu)控制、工業(yè)控制機(ipc)、plc控制、分布式控制(dsc)等方法。傳統的單片機控制系統運算能力較差，難以完成復雜的控制算法；1pc控制系統布線復雜、維護困難；而pi。c控制系統造價高昂，應用不便7。針對這一問題，本設計采用基于arm的嵌入式linux控制系統。旨在提高溫室系統網絡支持、并發(fā)處理能力和系統穩(wěn)定性，同時降低系統開發(fā)難度、成本和功耗，滿足溫室計算機控制系統13益復雜化的需要。而較之同類ar

4、m控制系統，本系統開發(fā)了數字傳感器驅動、圖形化窗口、模糊控制程序、網絡攝像頭監(jiān)控，實現了系統的智能化、網絡化和可視化。1 系統方案本設計基于arm9平臺開發(fā)平臺，構建嵌入式開發(fā)環(huán)境，裁剪移植linux操作系統。系統根據溫度、濕度、光照強度傳感器采集數據通過控制程序調控，協調各執(zhí)行機構對溫室參數實施控制并對控制參數進行監(jiān)測，從而為溫室中的作物提供最佳的生長環(huán)境。系統具有多種運行模式。既可以根據農業(yè)專家給出的參數預設值實現無人值守的自動調控，也可以通過按鍵和觸控屏進行手動控制以應對特殊情況；通過溫室內的監(jiān)控攝像頭，可以在開發(fā)板的lcd上對溫室進行現場監(jiān)控，同時系統將攝像頭通過arm開發(fā)板連接到以太

5、網，利用linux強大的網絡功能，建立boa網絡服務器。遠程計算機作為客戶機，只需登陸開發(fā)板的網址，就可以看到溫室的錄像并獲得溫室環(huán)境的數據。我們搭建了一套溫室模型用以檢驗溫室控系統的性能，其構造和真實溫室相同，其中包括加熱板、風扇、開窗電機等裝置對應實際溫室中的各種執(zhí)行器件?？紤]到實際的溫室環(huán)境中會存在各類干擾信號，系統傘部采用新型的數字傳感器，精度高，抗干擾能力強，使之可以在實際生產中有地得實現對溫室的控制。2硬件系統設計系統的硬件結構如圖1所示，圖1整個系統包括arm開發(fā)板、外圍電路和溫室模型三部分。農業(yè)溫室大棚自動控制系統原理構造圖21 arm開發(fā)板開發(fā)板以三星公司的$3c2440a芯

6、片為核心，$3c2440為arm920t內核，采用5級流水線和哈佛結構，最高運行頻率為400mhz，內置stncstntft ici)控制器，并提供了一套完整的通用外圍接口，從而免去了添加、配置附加外圍接口的麻煩，有效地縮小了線路板的面積。外接64mbnand-flash和64mb sdram，為系統開發(fā)提供了足夠空間8。開發(fā)板的硬件資源主要包括：gpio接口、rs232接口、以太網接口、usb接口、12c總線接口等，用以連接各類器件。開發(fā)板卜還帶有一塊觸控屏，通過圖形界面程序與用戶進行交互，在直觀展現溫室環(huán)境狀態(tài)的同時大大節(jié)省了io端口，有利于擴展更多的傳感器，擴大溫室的控制范圍。22傳感器

7、電路221溫、濕度傳感器本系統要求的溫度控制范圍為1048，濕度控制范圍為01rh一100rh，本系統選用shtll數字溫濕度傳感器芯片。它高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、ai)轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上。測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償的濕度測鼉值和高質量的露點計算功能。其測溫精度為±04，測濕精度為±3orh，符合系統要求9。sh 7f11通過二線數字串行接口，硬件電路簡單。其通信協議類似于12c總線，但時序有所不同。i)aq、a數據線需要外接上拉電阻；時鐘線sck用于微處理器和shtll之間通信同步，所以可以使用多個傳感器公用

8、一條時鐘線，用以節(jié)省io端口。222光照傳感器根據溫室環(huán)境控制的要求，光照傳感器的測量范圍應在0"-12萬lx，本系統選用的光照傳感器為intersil公司的isl29001，它可以感應可見光(380770 rim)，并能將光強度轉化成簡便易用的15位、12c標準數字輸出信號。集成了電流放大器、用于消除人為光閃爍的50hz60hz抑制濾波器和15位adc。這砦集成式光數字傳感器實現了最高的靈敏度?？梢赃_到人眼的靈敏度。并具有低功耗，延長了背光控制應用巾的電池壽命和面板可見度。23溫室模型溫室模型如圖2所示，整個溫室架構采用pree仿真設計。實物模型用有機玻璃搭建，造型美觀大方。模型內

9、的執(zhí)行器件包括4臺控制開窗角度的直流電機作為自然通風設備，1臺控制遮光卷簾的直流電機，3排led補光燈，2臺用來強制通風的風扇，l部加濕器、1塊加熱板和1個監(jiān)控攝像頭。其中直流電機型號為wrf一130ch，采用ae2501作為驅動芯片；加熱板采用220v交流電源供電，由gc一4f05dom光控町控硅進行功率調控；攝像芯片為中星微301，與utu linux具有良好的兼容性。由于s3c2440芯片的輸出電壓為33v，而外圍電路電壓為5v，故選用sn74alvcl64245作為電壓轉換芯片。3軟件系統設計本系統的宿主機使用ubuntu linux操作系統，在此基礎上構建嵌入式開發(fā)環(huán)境，采用arm-

10、linux-gcc-432交叉編譯器進行程序編譯，使用qto-pia220嵌入式圖形界面開發(fā)平臺編寫界面程序；通過rs232接口與開發(fā)板通信。在arm開發(fā)平臺中移植的linux 2629內核版本的utulinux系統，根文件系統采用yaffs2文件系統。31設備驅動程序的編寫本系統的底層設備驅動包括gpio驅動、傳感器驅動、pwm驅動。311 基本輸入輸出(gpio)驅動該驅動實現加濕器、開窗電機和遮陽簾電機等執(zhí)行機構以及按鍵的驅動功能。通過s3c2440一gpiocfgpin()函數配置管腳功能為輸入或輸出。s3c2440一gpiosetpin()函數設定管腳輸出。，s3c2440一gpio

11、getpin()函數獲取當前管腳的高低電平值。312傳感器驅動該驅動是按照溫濕度傳感器shtll和光照傳感器isi。29001要求的時序進行讀取傳感器信號，并轉換接為溫濕度、光照強度數據傳輸給主控程序。313脈寬調制(pwm)驅動該驅動用于補光燈、加熱板及風扇等需要通過pwm進行功率控制的執(zhí)行機構。利用$3c2440總共有5個16位的pwm通道定時器，其中只有定時器o3可以輸出脈沖調制解調信號，通過改變其占空比來控制執(zhí)行機構。另外，開發(fā)板在移植嵌人式系統時帶有了網絡驅動、觸控屏驅動和攝像頭驅動，節(jié)省了開發(fā)時間。32主程序及其控制算法由于溫室系統是一個嚴格非線性、參數分布不均、大時延、大滯后、多

12、變量、強耦合的復雜系統，它所處的環(huán)境允滿著大量不確定性因素，其數學模型很難建立，經典控制理論和現代控制理論很難到達滿意的效果，因此不需要被控對象數學模型的模糊控制算法成為了我們的首選。321模糊控制器選擇經相關經研究發(fā)現溫室參數解耦與未解耦的效果相差不大ll，而解耦則會增加溫室能耗，所以我們以溫度為主控量，其他環(huán)境因子為輔助因子。實際系統中。微分這一輸入值影響并不大，綜合考慮計算的復雜程度與編程的化簡，決定只將溫度和光照與參考值差值作為輸入量。同時將所有的被控機構劃為一個整體即執(zhí)行機構，輸出變成了執(zhí)行機構的狀態(tài)變化量。于是整個控制器成為一個雙輸入單輸出的模糊控制，解決了耦合問題?？刂破鹘Y構如圖

13、3所示。322專家經驗根據中國農業(yè)大學農業(yè)方面專家的意見，溫室系統中植物生長的適合情況大概是溫度25左右，光強350 lx。執(zhí)行機構包括：采暖保溫系統，通風系統，補光系統，遮陽系統。執(zhí)行機構的分組劃分如下：關閉窗戶，加熱片加熱；關閉窗戶不加熱；執(zhí)行機構不動作；打開四個窗戶；關閉窗戶，加濕器打開；關閉窗戶加濕器打開，開風機通風；光照控制系統單獨工作：一般情況下采集自然光，光照過強。拉上紗簾；光照不夠。利用led燈補光。323模糊控制器設計溫度誤差e。模糊集為nb，ns，z，ps，pb，輸出量u。的模糊集與輸入量e。一樣。設定參考溫度為25，溫度誤差e。的變化范圍一4，4，為了保證模糊集的完備性，

14、溫度誤差的論域設為一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6)，則尺度變化因子k。一15。設定光強的參考值為350 ix。uo的變化范圍一3，一2，一1，0，l，2，3，論域為與e。相同，尺度變換因子為k：一2。賦值如表l所示。輸入輸出量均采用三角形隸屬函數。主程序流程如圖4所示，模糊控制子程序流程如圖5所示。33 gui開發(fā)嵌入式軟件開發(fā)通常都采用交叉編譯的方式進行，基于qtembedded和qtopia的gui應用開發(fā)也采用這樣的模式。先在宿主機上調試應用程序，調試通過后，經過交叉編譯移植到目標板上。qtembedded直接寫入幀緩存，在宿主機上則是通過qvfb(vir

15、tual framebuffer)來模擬幀緩存。qvfb是x窗口用來運行和測試qtopia應用程序的系統程序。qvfb使用了共享內存存儲區(qū)域(虛擬的幀緩存)來模擬幀緩存并且在一個窗口中模擬一個應用程序來顯示幀緩存，顯示的區(qū)域被周期性的改變和更新。從而實現了現場的實時監(jiān)測。并利用servfox程序和boa服務器開啟攝像頭，實現lcd以及網頁實時監(jiān)控實現實時監(jiān)控。4結論與討論本設計充分利用了嵌入式linux系統和arm芯片的優(yōu)勢，相比于傳統的溫室控制系統具有以下優(yōu)勢：(1)智能化。本系統發(fā)揮了arm分布式多任務處理能力的優(yōu)勢，先進的數字傳感器智能地分析采集來的溫度、濕度、光照強度等數據，通過模糊控

16、制算法決定驅動哪些裝置與機構工作，從而為農作物提供最佳的生長環(huán)境。同時，arm系統功耗低、維護簡單、開發(fā)成本低，應用前景十分廣闊。(2)網絡化。本系統基于嵌入式linux系統，linux內核支持tcpip、ipxpx等多種協議。充分利用arm和linux在網絡上的強大功能實現了對溫室的遠程監(jiān)控。管理員登陸嵌入式終端的ip地址就可以實時對溫室的遠程監(jiān)控。(3)可視化。本系統通過圖形界面進行操控，操作方便快捷，便于人機交互，并且利用攝像頭可以現場或遠程監(jiān)控溫室內狀況，合理開發(fā)了嵌入式系統的硬件資源優(yōu)勢。參 考文 獻1李宏俊黃鑫，盧開硯以單片機為核心的溫室智能控制系統j電子元氣件應用20079(5)

17、：20232戴勇，周建平粱楚華。等基于at89s52單片機的多功能智能溫室測控系統j農機化研究20095(5)：13813931金鈺工業(yè)控制計算機在自動化溫室控制中的應用傳感器lj工業(yè)控制計算機。2000，13(1)：16184何世鈞，徐軍峰張路町編程控制器在智能化溫室系統中的應用j基礎自動化，2000。7(4)：53545唐立偉劉理云基于pic的智能溫室綜合控制系統的研發(fā)j自動化技術與應用，200928(7)：107一1086楊衛(wèi)中。王一鳴李海健基于現場總線思想的分布式溫搴智能控制系統j農業(yè)工程學報，2006，22(9)；163167附錄：托普物聯網簡介托普物聯網是浙江托普儀器有限公司旗下的

18、重要項目。浙江托普儀器是國內領先的農業(yè)儀器研發(fā)生產商，依據自身在農業(yè)領域的研發(fā)實力，和自主研發(fā)的配套設備，在農業(yè)物聯網領域嶄露頭角！托普物聯網以客戶需求為源頭，結合現代農業(yè)科技、通信技術、計算機技術、gis信息技術，以及物聯網技術，竭誠為傳統行業(yè)提供信息化、智能化的產品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯網三大系統產品我們知道物聯網主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應用層。因此托普物聯網產品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統（環(huán)境監(jiān)測傳感設備）、傳輸系統（數據傳輸處理網絡）、應用系統（終端智能控制平臺。）托普物聯網模塊化智能集成系統托普物聯網依據自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統。它依據各類傳感設備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數據監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統。它可以完成整個園區(qū)或遠程控制異地園區(qū)進行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風機，自動補光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農業(yè)生產所需的自動控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實時視頻監(jiān)控系統。主要是通過監(jiān)控中心實時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互