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1、基于ARM的農(nóng)業(yè)智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要:為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能溫室控制系統(tǒng)的智能控制。系統(tǒng)以ARM9嵌入式處理器為核心,將各類數(shù)字傳感器收集的數(shù)據(jù)通過模糊控制算法進(jìn)行處理,采用自動(dòng)控制、GUl和遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種方式調(diào)整溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu),在搭建的溫室模型中取得穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行效果。ARM系統(tǒng)比傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)維護(hù)簡單、功耗低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。較之同類設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)字傳感器驅(qū)動(dòng)、圖形化窗口、模糊控制程序、網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了溫室控制的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和可視化。關(guān)鍵詞:ARM;嵌入式系統(tǒng);智能溫室控制系統(tǒng);遠(yuǎn)程監(jiān)控
2、;模糊控制托普物聯(lián)網(wǎng)了解到智能溫室控制系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的節(jié)約型設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù),在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算機(jī)綜合控制,通過調(diào)節(jié)環(huán)境因子中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等來獲得作物生長的最佳條件,從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前,荷蘭、以色列等國的智能溫室技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,我國也曾多次引進(jìn)其產(chǎn)品,但由于環(huán)境差異,荷蘭采用的玻璃溫室在國內(nèi)的效果沒有預(yù)期理想且造價(jià)過高,且關(guān)鍵技術(shù)對我國保密,于是國內(nèi)多所大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行過許多相關(guān)研究,設(shè)計(jì)方案包括單片機(jī)(MCU
3、)控制、工業(yè)控制機(jī)(IPC)、PLC控制、分布式控制(DSC)等方法。傳統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)算能力較差,難以完成復(fù)雜的控制算法;1PC控制系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護(hù)困難;而PI。C控制系統(tǒng)造價(jià)高昂,應(yīng)用不便[7]。針對這一問題,本設(shè)計(jì)采用基于ARM的嵌入式Linux控制系統(tǒng)。旨在提高溫室系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持、并發(fā)處理能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性,同時(shí)降低系統(tǒng)開發(fā)難度、成本和功耗,滿足溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13益復(fù)雜化的需要。而較之同類ARM控制系統(tǒng),本系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)字傳感器驅(qū)動(dòng)、圖形化窗口、模糊控制程序、網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)
4、的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和可視化。1系統(tǒng)方案本設(shè)計(jì)基于ARM9平臺開發(fā)平臺,構(gòu)建嵌入式開發(fā)環(huán)境,裁剪移植Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)溫度、濕度、光照強(qiáng)度傳感器采集數(shù)據(jù)通過控制程序調(diào)控,協(xié)調(diào)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)對溫室參數(shù)實(shí)施控制并對控制參數(shù)進(jìn)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(tǒng)具有多種運(yùn)行模式。既可以根據(jù)農(nóng)業(yè)專家給出的參數(shù)預(yù)設(shè)值實(shí)現(xiàn)無人值守的自動(dòng)調(diào)控,也可以通過按鍵和觸控屏進(jìn)行手動(dòng)控制以應(yīng)對特殊情況;通過溫室內(nèi)的監(jiān)控?cái)z像頭,可以在開發(fā)板的LCD上對溫室進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控,同時(shí)系統(tǒng)將攝像頭通過ARM開發(fā)板連接到
5、以太網(wǎng),利用linux強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,建立boa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)作為客戶機(jī),只需登陸開發(fā)板的網(wǎng)址,就可以看到溫室的錄像并獲得溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)。我們搭建了.一套溫室模型用以檢驗(yàn)溫室控系統(tǒng)的性能,其構(gòu)造和真實(shí)溫室相同,其中包括加熱板、風(fēng)扇、開窗電機(jī)等裝置對應(yīng)實(shí)際溫室中的各種執(zhí)行器件??紤]到實(shí)際的溫室環(huán)境中會存在各類干擾信號,系統(tǒng)傘部采用新型的數(shù)字傳感器,精度高,抗干擾能力強(qiáng),使之可以在實(shí)際生產(chǎn)中有地得實(shí)現(xiàn)對溫室的控制。2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1整個(gè)系統(tǒng)包括ARM開發(fā)板、外圍電路和
6、溫室模型三部分。農(nóng)業(yè)智能溫室控制系統(tǒng)原理構(gòu)造圖2.1ARM開發(fā)板開發(fā)板以三星公司的$3C2440A芯片為核心,$3C2440為ARM920T內(nèi)核,采用5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu),最高運(yùn)行頻率為400MHz,內(nèi)置STN/CSTN/TFTI.CI)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64MBSDRAM,為系統(tǒng)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(wǎng)接口、US
7、B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(jìn)行交互,在直觀展現(xiàn)溫室環(huán)境狀態(tài)的同時(shí)大大節(jié)省了IO端口,有利于擴(kuò)展更多的傳感器,擴(kuò)大溫室的控制范圍。2.2傳感器電路2.2.1溫、濕度傳感器本系統(tǒng)要求的溫度控制范圍為10~48℃,濕度控制范圍為0.1%RH一100%RH,本系統(tǒng)選用瑞士Scnsirion公司的SHTll數(shù)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、A/I)轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上。測量精確度高,由于同時(shí)集成溫
8、濕度傳感器,可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y鼉值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。其測溫精度為±0.4℃,測濕精度為±3.o%RH,符合系統(tǒng)要求[9]。SH7F11通過二線數(shù)字串行接口,硬件電路簡單。其通信協(xié)議類似于12C總線,但時(shí)序有所不同。I)Aq、A數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻;時(shí)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(gè)傳感器公用一條時(shí)鐘線,用以節(jié)省IO端口。2.2.2光照傳感器根據(jù)溫室環(huán)境控制的要求,光照傳感器的測量范圍應(yīng)在0"--12萬lx,本系統(tǒng)選用的光照傳感器為Int