基于ARM的温室智能测控系统

陈文彬 杜云明 王焱俊 石广博 谭 旺

佳木斯大学信息电子技术学院

基于ARM的温室智能测控系统

陈文彬 杜云明 王焱俊 石广博 谭 旺

佳木斯大学信息电子技术学院

为实现对温室大棚环境因子有效干预，促进作物良好生长，设计了一种以ARM处理器为核心的温室环境智能测控系统。该系统利用传感器实时采集温室的光照强度、空气温湿度和土壤水分湿度等环境参数，结合专家系统的作物生长环境需求，通过嵌入式系统进行判别分析处理，并以控制继电器驱动相关执行机构方式完成对环境因子的调节操作。 其控制简单，易于操作，可为作物生长提供最佳环境，有利于提高作物的产量和质量。

温室大棚作为一种设施农业，可为作物反季节生长提供优越的环境条件，在我国北方地区已经成为冬季农业生产的重要组成部分。传统的温室管理主要依靠经验实现对作物生长环境进行控制，由于缺乏有效的信息化手段，使得对作物生长环境的监测精准度和调控稳定性均不够理想，作物难以在最佳环境下进行生长。为提高温室管理的智能化，减少认为干预和调控，在ARM平台上开发了一款自动监测和控制系统，实现对作物环境参数自动检测、自动保存和自动操作等处理，为作物优质、高产提供有利环境条件。

系统硬件设计

本智能温室测控系统以控制温室的光照强度、空气温湿度和土壤水分湿度为目的，具有简单、精准和易于操作等优点。整个系统以ARM（S3C2440）微处理器为作为主控制器，以AM2301为空气温湿度传感器，BH1750FVI光照强度传感器，SHT11土壤湿度传感器作为温室环境采集模块；以12864液晶显示屏作为显示模块，以DM9000以太网控制器作为网络接入模块；以电磁继电器作为驱动模块，驱动加热、补光、补水、通风等外围设备。系统将数据采集模块获取的环境信息输入到主控制器，通过以太网传送至上位机并与专家系统的作物参数进行比较，然后回传控制信号实现对相关继电器的通断控制，进而驱动外围执行机构完成相应环境因子的改善操作。在此过程中，显示屏会实时显示环境参数及外围设备的工作状态。系统总体结构框图如图1所示。

AM2301温湿度传感器

AM2301温湿度传感器采用专用的数字采集技术和温湿度传感技术制作而成，是一款经过数字校准的温湿度一体化的传感器，可直接实现信号的数字输出，具备良好的抗干扰性和稳定性。AM2301传感器与微处理器间的数据通信采用单总线模式实现，一次数据通信时间约为5ms左右，且每次传送40bit的完整数据。完整数据包括湿度数据、温度数据和校验数据，其中温、湿度数据各占16bit，校验数据占8bit。另外在温、湿度数据中，高八位显示为整数数据，低八位显示为小数数据。

完整的数据结构为：湿度高八位数据+湿度低八位数据+温度高八位数据+温度低八位数据+校验八位数据。

设计上，当不需要数据通信时，总线处于高电平状态，等待主机（ARM）发出数据请求指令。在通信开始时，主机发出开始信号，拉低总线并保持500us，以确保从机（AM2301）可以检测到该信号。当从机在总线上接收到主机的起始信号后，执行从低功耗模式到高速模式的转换，并等待主机开始信号结束，然后发出响应信号（一个80us的低电平）。主机释放总线并延时20～40us后，读取从机发出的响应信号，接受40bit的数据，完成一次信号采集。

图1　系统总体结构框图

BH1750FVI光照强度传感器

BH1750FVI是一种集成式环境光亮度传感器，主要由光电二极管、电流电压转换电路、AD转换电路、控制逻辑电路和接口电路等构成，可实现16位数字信号输出。该器件具有较高的分辨率，可以测量较大范围（1|x－65535|x）的光强度变化。其与主机间的通信采用两线式串行总线（IIC）接口实现。BH1750FVI可以通过将ADDR设置为高、低电平的方式，给出两种不同形式的从属地址，实现高大分辨率与低大分辨率模式的切换。结合温室实际光照环境需求，本设计采用连续高大分辨率工作模式，其执行指令为“00010001”。主、从机的数据通信由“写指令”和“读取测量结果”两个操作完成。

主机与从机间的数据通信时序为：

数据采集模式设置ADDR=‘L’

最后，将读取的测量数据转换为光强度数值，其转换格式为：光照强度值=（High Byte数据×256+Low Byte数据）/1.2[1x]。

SHT11土壤湿度传感器

SHT11是一款可自动校准的数字型土壤湿度传感器，其主要通过一个电容性聚合体湿度敏感元件采集土壤水分信息，经内部14位的A/D转换器实现数据的数字输出。与主机间通信采用串行两线（时钟线SCK和数据线DATA）接口实现，因其通信协议与通用的I2C总线协议不兼容，需采用通用微处理器（设计中选用Atmega128）I/O接口模拟该通信时序。

SHT11湿度测试时序图为：

通信启动后，主机发出8位测量命令码（3个地址位和5个命令位），DATA总线等待从机（SHT11）的响应。当从机接收指令后，在第8个时钟下降沿，将DATA下拉为低电平作为从机的ACK；在第9个时钟下降沿之后，释放总线开始测量，测量结束后从机释放DATA总线（DATA为低电平）。主机检测到DATA总线被拉低后，发出时钟序列，读取2个8bit的测量数据和1个8bit的CRC奇偶校验码。其中，在每个字节传输结束后，均需发出一个时钟高电平ACK，并将DATA置为低电平，以确认读取成功。在测量和传输结束后，SHT11自动转入休眠模式。

此时主机读取的数据为“相对湿度”，需进行线性补偿修正后方可得到较为准确的湿度值。湿度修正格式为：RHlinear=C1+C2×SORH+C3×SORH2。其中RHlinear为经过线性补偿后准确的湿度值，SORH为测量的相对湿度值，C1、C2、C3为线性补偿系数（可在产品数据手册中查表获取）。

信息显示模块和DM9000以太网控制器模块

显示模块采用12864LCD液晶显示屏作为系统人机交互界面，其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点阵汉字和128个16×8点阵ASCII字符集，完全可以满足对温室环境信息及数据的显示需求。12864LCD的显著特点是低电压低功耗，与同类型的点阵液晶显示模块相比，在电路结构、显示程序和价格等方面都具有明显的优势。与主机间的通信既可通过串口方式进行，又可通过4位/8位并口方式实现（将PSB引脚设置为高电平时为并口通信，低电平时为串口通信）。通过将引脚RS、R/W、E设置为高低电平，可实现对指令和数据的存储、读取和显示。

DM9000是一款带有通用接口的高速以太网控制器，内部集成了MAC、MMU和PHY，可提供8位/16位/32位三种不同的接入方式，支持IEEE 802.3u规范，可自适应调整10/100M线路带宽。另外还支持IEEE 802.3x全双工流量控制。实现以太网物理层（PHY）和网络层（MAC）的功能。实际设计中，采用16位接口通过总线方式与主控制器连接。测量数据可由主机以打包形式（UDP或IP）传输至DM9000，而后通过以太网接口（RJ45）将数据传送到上位机，或者从上位机接受指令，响应上位机的请求，完成对外围设备操作的功能。

图2　应用程序流程图

继电器控制模块

当系统采集的环境参数不满足作物生长要求时，需要启动外围设备（如：风扇、水泵、加热片、补光灯等）进行补偿。由于主控器发出的是弱电信号，无法驱动外围设备，因此需要借助继电器引入强电信号实现对外部设备的驱动和控制。其主要工作原理是：利用主控器发出的控制信号作为继电器线圈的输入，当有电流通过时（控制信号高电平），电磁铁在电磁场效应下产生磁力，吸下衔铁至“常开触点”，引入强电信号导通外围设备电路，实现启动控制。当电磁铁断电时（控制信号低电平）失去磁力，弹簧将衔铁拉起至“常闭触点”，切点工作电路，实现停止控制。

系统软件设计

系统软件设计主要包括三个部分：构建开发环境、外围设备驱动程序编写与移植、应用程序编写与调试。构建开发环境部分主要给控制器配置操作系统，为驱动程序和应用程序的编写与移植提供平台。设计中采用以linux 2.6.31为内核的utu－linux系统作为操作系统，采用arm－linuxgcc－4.3.2为交叉编辑器，根文件系统为yaffs2。驱动程序和应用程序均采用C语言进行开发，其中驱动程序开发主要编写传感器、显示器及风扇、水泵、加热片、补光灯等外围设备的驱动程序，然后加载到内核中，以便于应用程序调用这些驱动接口，实现相关器件的控制。应用程序采用模块化的设计思想，将数据采集、信息显示、以太网服务和外围设备控制等进行分开设计，模块间的数据访问和调用采用全局变量方式进行。应用程序的流程是先进行操作系统的初始化，再进行系统硬件的初始化，然后进行环境数据的采集及处理。当处理后的环境数据与上位机设定的阈值发生冲突时，给主控器的GPIO接口提供高电平，开始启动自动控制系统，进行温室环境的自动控制来保证整个智能温室大棚的环境始终在最合适的范围内，此程序循环运行。当系统检测的终止系统的信号时，整个系统停止工作。程序流程如图2所示。

结语

本设计以ARM（S3C2440）处理器为控制核心，通过温、湿度传感器和光强传感器为主要信息采集器件对温室环境进行实时监测。通过与上位机的交互，判断环境参数是否满足作物生长要求。利用软件系统和继电器控制外围设备，实现了对温室环境的调节控制。该系统功耗低、操作方便，具有实时、精确、可高、稳定性高等优点。