基于ARM技术的温室大棚自动控制系统方案设计

托普物联网开创智慧农业新时代！基于ARM技术的温室大棚自动控制系统方案设计摘要：为实现农业温室大棚自动控制系统的智能控制，系统以ARM9嵌入式处理器为核心，将各类数字传感器收集的数据通过模糊控制算法进行处理，采用自动控制、GUl和远程监控等多种方式调整温室执行机构，在搭建的温室模型中取得稳定、可靠的运行效果。ARM系统比传统温室控制系统维护简单、功耗低、经济实用。较之同类设计。该系统开发了数字传感器驱动、图形化窗口、模糊控制程序、网络摄像头监控，实现了温室控制的智能化、网络化和可视化。关键词：ARM；嵌入式系统；温室大棚自动控制系统；远程监控；模糊控制温室大棚自动控制系统是专门为农业温室、农业环境控制、气象观测开发生产的环境自动控制系统。可测量风向、风速、温度、湿度、光照、气压、雨量、太阳辐射量、太阳紫外线、土壤温湿度等农业环境要素，根据温室植物生长要求，自动控制开窗、卷膜、风机湿帘、生物补光、灌溉施肥等环境控制设备，自动调控温室内环境，达到适宜植物生长的范围，为植物生长提供最佳环境。托普物联网了解到温室大棚自动控制系统是近年来发展起来的节约型设施农业技术，在充分利用自然资源的基础上，通过计算机综合控制，通过调节环境因子中的温度、湿度、光照强度等来获得作物生长的最佳条件，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。目前，荷兰、以色列等国的智能温室技术已经相当成熟，我国也曾多次引进其产品，但由于环境差异，荷兰采用的玻璃温室在国内的效果没有预期理想且造价过高，且关键技术对我国保密，于是国内多所大学及科研机构也进行过许多相关研究，设计方案包括单片机(MCU)控制、工业控制机(IPC)、PLC控制、分布式控制(DSC)等方法。传统的单片机控制系统运算能力较差，难以完成复杂的控制算法；1PC控制系统布线复杂、维护困难；而PI。C控制系统造价高昂，应用不便[7]。针对这一问题，本设计采用基于ARM的嵌入式Linux控制系统。旨在提高温室系统网络支持、并发处理能力和系统稳定性，同时降低系统开发难度、成本和功耗，满足温室计算机控制系统13益复杂化的需要。而较之同类ARM控制系统，本系统开发了数字传感器驱动、图形化窗口、模糊控制程序、网络摄像头监控，实现了系统的智能化、网络化和可视化。1系统方案托普物联网开创智慧农业新时代！本设计基于ARM9平台开发平台，构建嵌入式开发环境，裁剪移植Linux操作系统。系统根据温度、湿度、光照强度传感器采集数据通过控制程序调控，协调各执行机构对温室参数实施控制并对控制参数进行监测，从而为温室中的作物提供最佳的生长环境。系统具有多种运行模式。既可以根据农业专家给出的参数预设值实现无人值守的自动调控，也可以通过按键和触控屏进行手动控制以应对特殊情况；通过温室内的监控摄像头，可以在开发板的LCD上对温室进行现场监控，同时系统将摄像头通过ARM开发板连接到以太网，利用linux强大的网络功能，建立boa网络服务器。远程计算机作为客户机，只需登陆开发板的网址，就可以看到温室的录像并获得温室环境的数据。我们搭建了．一套温室模型用以检验温室控系统的性能，其构造和真实温室相同，其中包括加热板、风扇、开窗电机等装置对应实际温室中的各种执行器件。考虑到实际的温室环境中会存在各类干扰信号，系统伞部采用新型的数字传感器，精度高，抗干扰能力强，使之可以在实际生产中有地得实现对温室的控制。2硬件系统设计系统的硬件结构如图1所示，图1整个系统包括ARM开发板、外围电路和温室模型三部分。农业温室大棚自动控制系统原理构造图2．1ARM开发板开发板以三星公司的$3C2440A芯片为核心，$3C2440为ARM920T内核，采用5级流水线和哈佛结构，最高运行频率为400MHz，内置STN／CSTN／TFTI．CI)托普物联网开创智慧农业新时代！控制器，并提供了一套完整的通用外围接口，从而免去了添加、配置附加外围接口的麻烦，有效地缩小了线路板的面积。外接64MBNand-Flash和64MBSDRAM，为系统开发提供了足够空间[8]。开发板的硬件资源主要包括：GPIO接口、RS232接口、以太网接口、USB接口、12C总线接口等，用以连接各类器件。开发板卜还带有一块触控屏，通过图形界面程序与用户进行交互，在直观展现温室环境状态的同时大大节省了IO端口，有利于扩展更多的传感器，扩大温室的控制范围。2．2传感器电路2．2．1温、湿度传感器本系统要求的温度控制范围为10～48℃，湿度控制范围为0．1％RH一100％RH，本系统选用SHTll数字温湿度传感器芯片。它高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A／I)转换和加热器等功能集成到一个芯片上。测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测鼍值和高质量的露点计算功能。其测温精度为±0．4℃，测湿精度为±3．o％RH，符合系统要求[9]。SH7F11通过二线数字串行接口，硬件电路简单。其通信协议类似于12C总线，但时序有所不同。I)Aq、A数据线需要外接上拉电阻；时钟线SCK用于微处理器和SHTll之间通信同步，所以可以使用多个传感器公用一条时钟线，用以节省IO端口。2．2．2光照传感器根据温室环境控制的要求，光照传感器的测量范围应在0--12万lx，本系统选用的光照传感器为Intersil公司的ISL29001，它可以感应可见光(380～770rim)，并能将光强度转化成简便易用的15位、12C标准数字输出信号。集成了电流放大器、用于消除人为光闪烁的50Hz／60Hz抑制滤波器和15位ADC。这砦集成式光／数字传感器实现了最高的灵敏度。可以达到人眼的灵敏度。并具有低功耗，延长了背光控制应用巾的电池寿命和面板可见度。2．3温室模型温室模型如图2所示，整个温室架构采用PRE／E仿真设计。实物模型用有机玻璃搭建，造型美观大方。模型内的执行器件包括4台控制开窗角度的直流电机作为自然通托普物联网开创智慧农业新时代！风设备，1台控制遮光卷帘的直流电机，3排LED补光灯，2台用来强制通风的风扇，l部加湿器、1块加热板和1个监控摄像头。其中直流电机型号为WRF一130CH，采用AE2501作为驱动芯片；加热板采用220v交流电源供电，由GC一4F05DOM光控町控硅进行功率调控；摄像芯片为中星微301，与utuLinux具有良好的兼容性。由于s3c2440芯片的输出电压为3．3V，而外围电路电压为5V，故选用SN74ALVCl64245作为电压转换芯片。3软件系统设计本系统的宿主机使用ubuntulinux操作系统，在此基础上构建嵌入式开发环境，采用arm-linux-gcc-4．3．2交叉编译器进行程序编译，使用Qto-pia2．2．0嵌入式图形界面开发平台编写界面程序；通过RS232接口与开发板通信。在ARM开发平台中移植的linux2．6．29内核版本的utu—linux系统，根文件系统采用yaffs2文件系统。3．1设备驱动程序的编写本系统的底层设备驱动包括GPIO驱动、传感器驱动、PWM驱动。3．1．1基本输入输出(GPIO)驱动托普物联网开创智慧农业新时代！该驱动实现加湿器、开窗电机和遮阳帘电机等执行机构以及按键的驱动功能。通过s3c2440一gpio—cfgpin()函数配置管脚功能为输入或输出。s3c2440一gpio—setpin()函数设定管脚输出。，s3c2440一gpio—getpin()函数获取当前管脚的高低电平值。3．1．2传感器驱动该驱动是按照温湿度传感器SHTll和光照传感器ISI。29001要求的时序进行读取传感器信号，并转换接为温湿度、光照强度数据传输给主控程序。3．1．3脉宽调制(PWM)驱动该驱动用于补光灯、加热板及风扇等需要通过PWM进行功率控制的执行机构。利用$3C2440总共有5个16位的PWM通道——定时器，其中只有定时器O～3可以输出脉冲调制解调信号，通过改变其占空比来控制执行机构。另外，开发板在移植嵌人式系统时带有了网络驱动、触控屏驱动和摄像头驱动，节省了开发时间。3．2主程序及其控制算法由于温室系统是一个严格非线性、参数分布不均、大时延、大滞后、多变量、强耦合的复杂系统，它所处的环境允满着大量不确定性因素，其数学模型很难建立，经典控制理论和现代控制理论很难到达满意的效果，因此不需要被控对象数学模型的模糊控制算法成为了我们的首选。3．2．1模糊控制器选择经相关经研究发现温室参数解耦与未解耦的效果相差不大Ll…，而解耦则会增加温室能耗，所以我们以温度为主控量，其他环境因子为辅助因子。实际系统中。微分这一输入值影响并不大，综合考虑计算的复杂程度与编程的化简，决定只将温度和光照与参考值差值作为输入量。同时将所有的被控机构划为一个整体即执行机构，输出变成了执行机构的状态变化量。于是整个控制器成为一个双托普物联网开创智慧农业新时代！输入单输出的模糊控制，解决了耦合问题。控制器结构如图3所示。3．2．2专家经验根据中国农业大学农业方面专家的意见，温室系统中植物生长的适合情况大概是温度25℃左右，光强350lx。执行机构包括：采暖保温系统，通风系统，补光系统，遮阳系统。执行机构的分组划分如下：关闭窗户，加热片加热；关闭窗户不加热；执行机构不动作；打开四个窗户；关闭窗户，加湿器打开；关闭窗户加湿器打开，开风机通风；光照控制系统单独工作：一般情况下采集自然光，光照过强。拉上纱帘；光照不够。利用LED灯补光。3．2．3模糊控制器设计温度误差e。模糊集为{NB，NS，Z，PS，PB}，输出量u。的模糊集与输入量e。一样。设定参考温度为25℃，温度误差e。的变化范围[一4，4]，为了保证模糊集的完备性，温度误差的论域设为{一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6)，则尺度变化因子k。一1．5。设定光强的参考值为350Ix。uo的变化范围{一3，一2，一1，0，l，2，3}，论域为与e。相同，尺度变换因子为k：一2。赋值如表l所示。输入输出量均采用三角形隶属函数。托普物联网开创智慧农业新时代！主程序流程如图4所示，模糊控制子程序流程如图5所示。3．3GUI开发嵌入式软件开发通常都采用交叉编译的方式进行，基于Qt／Embedded和Qtopia的GUI应用开发也采用这样的模式。先在宿主机上调试应用程序，调试通过后，经过交叉编译移植到目标板上。Qt／Embedded直接写入帧缓存，在宿主机上则是通过qvfb(virtualframebuffer)来模拟帧缓存。qvfb是X窗口用来运行和测试Qtopia应用程序的系统程序。qvfb使用了共享内存存储区域(虚托普物联网开创智慧农业新时代！拟的帧缓存)来模拟帧缓存并且在一个窗口中模拟一个应用程序来显示帧缓存，显示的区域被周期性的改变和更新。从而实现了现场的实时监测。并利用servfox程序和boa服务器开启摄像头，实现LCD以及网页实时监控实现实时监控。4结论与讨论本设计充分利用了嵌入式Linux系统和ARM芯片的优势，相比于传统的温室控制系统具有以下优势：(1)智能化。本系统发挥了ARM分布式多任务处理能力的优势，先进的数字传感器智能地分析采集来的温度、湿度、光照强度等数据，通过模糊控制算法决定驱动哪些装置与机构工作，从而为农作物提供最佳的生长环境。同时，ARM系统功耗低、维护简单、开发成本低，应用前景十分广阔。(2)网络化。本系统基于嵌入式Linux系统，Linux内核支持TCP／IP、IPX／PX等多种协议。充分利用ARM和Linux在网络上的强大功能实现了对温室的远程监控。管理员登陆嵌入式终端的ip地址就可以实时对温室的远程监控。托普物联网开创智慧农业新时代！(3)可视化。本系统通过图形界面进行操控，操作方便快捷，便于人机交互，并且利用摄像头可以现场或远程监控温室内状况，合理开发了嵌入式系统的硬件资源优势。参考文献[1]李宏俊．黄鑫，卢开砚．以单片机为核心的温室智能控制系统[J]．电子元气件应用．2007．9(5)：20—23．[2]戴勇，周建平．粱楚华。等．基于AT