届本科毕业生学位论文《基于ARM嵌入式的智能生物大棚系统设计》.docx

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届本科毕业生学位论文《基于ARM嵌入式的智能生物大棚系统设计》

基于ARM嵌入式的智能生物大棚

系统设计

TheResearchofIntelligentBiologicalGreenhouseBasingonARMarchitecture

专业：

计算机科学与技术

摘要

生物大棚环境测控，即根据植物生长发育的需要，调节生物大棚内环境条件的总称。

进行环境测控是实现温室生产管理自动化，科学化的基本保证，通过对监控数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物在不适应生长发育的反季节中，可获得比室外生长更优的环境条件，达到作物高产的栽培目的。

我国从国外引进的一些环境监控设备，由于其测控的侧重点与我国气候条件不相匹配，且引进价格昂贵，运行费用高，一次难于在我国大规模推广和应用。

目前，国内自行设计，自行建造的智能生物大棚，大部分测控水平较低，现代化管理水平不高，不能够满足作物全年高产栽培的要求。

因此改变传统的测控方式，实现计算机测控，建立符合我国国情的智能生物大棚，对加快我国温室生产的现代化水平及提高温室的经济效益均具有重要意义。

因此在分析了生物大棚的环境参数，综合测控特性，以及测控过程的非线性、大滞后的复杂过程后，综合运用传感器技术，gprs技术等，自行研究和设计了一个实用的生物大棚环境测控系统，可以实现对生物大棚中CO2浓度，温度，湿度等的测控。

鉴于上述情况，本文提出的生物大棚环境测控系统采用了多传感器技术和控制系统相结合的测控方案。

其中，多传感器的管理和融合系统更能完善、准确的反映环境特征，以获得最高的检测精度和可靠的控制决策，使系统处于最佳运行。

控制系统通过检测的环境参数来改变环境参数，使作物生长在最适宜的环境条件下。

整个系统效率高且容易扩展，通用性和适用性较强。

关键字：

生物大棚环境测控技术；gprs；传感器

ABSTRACT

Environmentalmonitoringandcontrolofbiologicalshedthat,accordingtotheneedsofplantgrowthanddevelopment,regulationofbiologicalgreenhouseenvironmentalconditionsingeneral.Environmentalmonitoringistoachievegreenhouseproductionandmanagementautomation,thebasicguaranteeofthescientific,throughtheanalysisofmonitoringdata,combinedwithcropgrowthanddevelopmentof,controlofenvironmentalconditionsinwhichgrowthanddevelopmentofcropssuitedtotheoff-season,theavailabilityofgrowththantheoutdoorbetterenvironmentalconditions,toachievehighyieldcrops,cultivationpurposes.

Chinaimportedfromabroad,someoftheenvironmentalmonitoringequipment,becauseofitsfocusandthemonitoringofclimaticconditionsdonotmatch,andtheintroductionofexpensive,highrunningcosts,adifficultlarge-scalepromotionandapplicationinChina.Atpresent,theirowndesign,theconstructionofintelligentlifegreenhouses,mostofthelowlevelmonitoringandcontrol,modernmanagementlevelisnothigh,cannotmeettherequirementsofcropyieldcultivationthroughouttheyear.

Therefore,monitoringchangesinthetraditionalwaytoachievecomputercontrol,andestablishinggreenhouseintelligentlifesituationofourcountry,toacceleratethemodernizationofthelevelofgreenhouseproductionandimprovetheeconomicbenefitsofthegreenhouseareofgreatsignificance.

Therefore,theanalysisofbiologicalenvironmentalparametersgreenhouses,integratedmonitoringandcontrolfeatures,andprocessmeasurementandcontrolofnonlinear,largedelayinthecomplexprocess,theintegrateduseofsensortechnology,gprstechnology,self-studyanddesignofapracticalenvironmentalmonitoringandcontrolofbiologicalgreenhousesystem,canachievetheCO2concentrationofbiologicalgreenhouse,temperature,humiditymeasurementandcontrol.

Giventheabove,theproposedbio-greenhouseenvironmentcontrolsystemusingmulti-sensortechnologyandcontrolsystemscombiningmonitoringandcontrolprograms.Amongthem,multi-sensorfusionsystemmanagementandmorecomplete,accurateandreflecttheenvironmentalcharacteristics,inordertoobtainthehighestprecisionandreliablecontrolofdecision-making,makethesystemrunatitsbest.Controlparametersbydetectingchangesintheenvironmentofenvironmentalparameters,cropgrowthinthemostappropriateenvironmentalconditions.Thewholesystemefficientandeasyexpansion,strongversatilityandapplicability.

Keywords:

BiologicalGreenhouseEnvironmentalControlTechnology；gprs；sensor

第1章绪论

1.1选题目的和意义

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。

现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。

例如：

空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。

在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。

以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。

大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。

国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。

而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。

因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。

目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。

所以急需一种高效实时的监控设备，能实现大棚的实时监控，迅速了解大棚内的环境状态。

1.2国内外相关研究综述

1.2.1国外状况

世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。

美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。

美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。

环境控制计算机主要用来对温室环境（气象环境和栽培环境）进行监测和控制。

以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、CO2浓度、Ec调节池和回流管数值、pH调节池和回流管数值；室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。

温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。

以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。

目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室1.2万多平方米，占世界1/4以上，有85％的温室用户使用计算机控制温室环境。

荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。

上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成温室灌溉和气候的控制和管理。

此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。

遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。

控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。

另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感。

1.2.2国内状况

我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于温室控制与管理领域。

20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并开发了基于Windows操作系统的控制软件；90年代中后期，江苏理工大学毛罕平等人研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、CO2、施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。

在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施的计算机控制与管理技术。

“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业（设施农业）研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度，其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题。

20世纪90年代末，河北职业技术师范学院的闫忠文研制了作物大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。

中科院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境—DET系列软件”和智能温室自动控制系统，能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减小人工操作的盲目性。

北京农业大学研制成功“WJG-1”温室环境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。

河南省农科院自动化控制中心研制了“GCS-I型智能化温室自动控制系统”，采用上位机加PLC的集散式控制方法，软件采用智能化模糊算法。

中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统”，实现了计算机分布式控制。

1.2.3我国温室存在的主要问题

（1）科技含量和总体发展水平较低。

我国设施栽培起步晚、基础差，没有将其作为整体工程问题研究。

从设施装备到栽培技术的生产管理不配套，生产不规范，难以形成大规模商品生产。

（2）我国现有的温室控制系统仍以控制一个温室为主，没有基于温室群的控制系统。

这样降低了生产管理的效率。

（3）温室测控系统的通信仍然采用有线方式。

我国温室测控系统的通信主要有485总线以及CAN总线等有线方式。

这些有线通信方式不仅使得温室内的信号线和动力线错综复杂，而且导致系统的可靠性降低，安装维护工作量变大，同时也不利于农业机器人等移动设备的作业，难以达到温室生产的“工厂化农业”水平。

（4）缺少基于农业专家知识的上位机管理系统。

我国目前的温室控制系统中，一些上位机只限于存储采集的历史数据，没有根据农业专家知识的实时控制管理系统。

（5）设施水平低，抵御自然灾害的能力差。

我国目前部分温室的建筑材料主要是钢材和玻璃。

但没有形成国家统一的标准和工厂系列的产品，且应用率仅占设施栽培面积的10％，而绝大部分由农民自行建造的塑料日光温室也只能起到一定的保温作用，根本不能实现对温度、湿度、光照等环境因子的调控。

（6）机械化水平低，调控能力差，作业主要依靠人力。

生产管理主要靠经验和单因子定性调控。

1.3研究内容和研究方法

本课题主要是研究一种智能的控制系统，通过传感器来采集到生物大棚中的温度，湿度，光照等环境参数，当环境参数超过生物的最适应值的时候，通过该控制系统通过gprs发短信等途径通知用户，再通过用户来控制相关环境参数，从而使生物生长在最适应的环境条件下，达到农作物能够增产的效果。

研究方法是通过温度传感器，湿度传感器等来进行对环境参数的采集，通过gprs来实现将采集到的数据传送给用户。

关键字：

嵌入式；传感器；gprs；arm

第2章系统开发相关技术

2.1嵌入式

2.1.1什么是嵌入式操作系统

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，对可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”。

嵌入式系统的硬件部分包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。

这种系统有别于一般的计算机处理系统，它不像硬盘那样有大容量的存储介质，而大多使用E-PROM、EEPROM或闪存FlashMemory作为存储介质。

软件部分包括操作系统软件要求实时和多任务操作和应用程序编程。

应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统则控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比，具有以下特点：

（１）嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式CPU与通用型的最大不同就是，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、小体积、高集成度等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，因此，器件的移动能力大大增强，同时跟网络的耦合也越来越紧密。

（２）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。

（３）因为嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也和具体产品同步进行，所以，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般都具有较长的生命周期。

（４）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机之中，而不是存贮于磁盘等载体中。

嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使在设计完成后，用户也不能对其中的程序进行修改，而是必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。

目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子……，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义

虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。

从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。

70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：

更容易使用、更快、更便宜。

这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用８位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。

2.1.2嵌入式系统的技术特点

嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分。

嵌入式系统的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它操作系统的一些特点。

（1）嵌入式处理器

嵌入式处理器可以分为三类：

嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）。

嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。

在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。

目前的嵌入式处理器主要包括：

PowerPC、Motorola68000、ARM系列等等。

嵌入式微控制器又称为单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。

常见的有8051。

嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。

在数字滤波、FFT、谱分析、图像处理的分析等领域，DSP正在大量进入嵌入式市场。

（2）微内核结构

大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。

内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。

一些桌面操作系统，如Windows、Linux等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。

内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。

大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：

任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。

其它的应用组件，比如网络功能、文件系统、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。

因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。

（3）任务调度

在嵌入式系统中，任务即线程。

大多数的嵌入式操作系统支持多任务。

多任务运行的实现实际是靠CPU在多个任务之间切换、调度。

每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。

任务的调度有三种方式：

可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。

不可抢占式调度是指，一个任务一旦获得CPU就独占CPU运行，除非由于某种原因，它决定放弃CPU的使用权；可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；当两个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用CPU，直到系统分配的CPU时间片用完，这就是时间片轮转调度。

目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。

（4）硬实时和软实时

有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。

有两种类型的实时系统：

硬实时系统和软实时系统。

软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。

（5）内存管理

针对有内存管理单元（MMU）的处理器设计的一些桌面操作系统，如Windows、Linux，使用了虚拟存储器的概念。

虚拟内存地址被送到MMU。

在这里，虚拟地址被映射为物理地址，实际存储器被分割为相同大小的页面，采用分页的方式载入进程。

一个程序在运行之前，没有必要全部装入内存，而是仅将那些当前要运行的部分页面装入内存运行。

大多数嵌入式系统针对没有MMU的处理器设计，不能使用处理器的虚拟内存管理技术,采用的是实存储器管理策略。

因而对于内存的访问是直接的，它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。

一个进程在执行前，系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间。

由此可见，嵌入式系统的开发人员不得不参与系统的内存管理。

从编译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多少内存；在开发应用程序时，必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大小。

另外，由于采用实存储器管理策略，用户程序同内核以及其它用户程序在一个地址空间，程序开发时要保证不侵犯其它程序的地址空间，以使得程序不至于破坏系统的正常工作，或导致其它程序的运行异常；因而，嵌入式系统的开发人员对软件中的一些内存操作要格外小心。

（6）内核加载方式

嵌入式操作系统内核可以在Flash上直接运行，也可以加载到内存中运行。

Flash的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到Flash上，系统启动时从Flash的某个地址开始执行。

这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。

内核加载方式是把内核的压缩文件存放在Flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。

这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快，因为RAM的存取速率要比Flash高。

由于嵌入式系统的内存管理机制，嵌入式操作系统对用户程序采用静态链接的形式。

在嵌入式系统中，应用程序和操作系统内核代码编译、链接生成一个二进制影像文件来运行。

相对于在Windows环境下的开发应用程序，嵌入式系统开发有着很多的不同。

不同的硬件平台和操作系统带来了许多附加的开发复杂性。

2.1.3嵌入式系统的特征

嵌入式系统是面向用户、面