基于ARM處理器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設計_孫啟昌.pdf

收稿日期 基金項目 陜西省重點研發(fā)計劃農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一般項目 陜西省教育廳一般專項科學研究計劃項目 第一作者 孫啟昌 男 陜西西安人 工程師 碩士 研 究方向為信息化建設與管理 信息通信 計算機應用技術(shù) 基于 處理器的溫室大棚智能 監(jiān)控系統(tǒng)設計 孫啟昌 胡國強 楊凌職業(yè)技術(shù)學院 陜西楊凌 西北農(nóng)林科技大學 陜西楊凌 摘要 為了實現(xiàn)溫室大棚的智能監(jiān)測與控制 設計基于 處理器的溫室大棚智能監(jiān)控系 統(tǒng) 系統(tǒng)分為三個部分 數(shù)據(jù)采集及設備控制終端 智能網(wǎng)關(guān)終端 手機客戶端 數(shù)據(jù)采集 及設備控制終端以 微處理為核心 通過傳感器 算法 等技術(shù) 實現(xiàn)溫室大棚數(shù)據(jù)采 集 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)傳輸及執(zhí)行設備的智能控制 智能網(wǎng)關(guān)終端實現(xiàn)多個溫室大棚數(shù)據(jù)從內(nèi)網(wǎng)發(fā)送 至公網(wǎng) 手機客戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送 經(jīng)測試驗證 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚的智能 監(jiān)控 關(guān)鍵詞 處理器 數(shù)據(jù)采集 智能網(wǎng)關(guān) 算法 手機客戶端 中圖分類號 文章編號 文獻標識碼 引言 溫室大棚作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植的主要手段 通過 控制大棚環(huán)境的溫度 光照 空氣濕度 土壤濕度等 因子 實現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收 目前 大棚環(huán)境因子 的控制 主要靠人工經(jīng)驗 無法實現(xiàn)精準化智能控 制 市面上溫室大棚環(huán)境監(jiān)控手段主要是通過單片 機技術(shù)實現(xiàn) 但是該技術(shù)具有局限性 無法實現(xiàn)遠程 控制 人機交互 復雜的控制算法 實時數(shù)據(jù)傳輸 等 隨著電子技術(shù) 通信技術(shù) 傳感器技術(shù)的發(fā) 展 該文利用 微處理技術(shù) 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 數(shù) 據(jù)處理技術(shù) 技術(shù) 技術(shù) 技術(shù) 設計基于 處理器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng) 實現(xiàn)溫室大棚數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 執(zhí)行設備智能化 控制 數(shù)據(jù)無線實時傳輸?shù)?年第 期 工業(yè)儀表與自動化裝置 系統(tǒng)總體設計 基于 處理器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)分 為三部分 一是數(shù)據(jù)采集及設備控制終端 二是智能 網(wǎng)關(guān)終端 三是 手機客戶端 系統(tǒng)框架如圖 所示 數(shù)據(jù)采集及設備控制終端以 處理器為核心 外置多個不同類型的溫度 傳感器 光照傳感器 空氣濕度傳感器 土壤濕度傳 感器 將采集的各類數(shù)據(jù)通過算法分析后 處 理器控制卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風機等設 備的智能工作 同時將算法分析后的數(shù)據(jù)利用 模塊發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)終端 智能網(wǎng)關(guān)以 處理器為核心 通過 模塊將接收到 的多個采集及設備控制終端數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后 使用 通信模塊發(fā)送至 手機客戶端 用戶利用 軟件實時查看溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息或控制數(shù) 據(jù)采集及設備控制終端中的執(zhí)行設備 圖 系統(tǒng)框架圖 系統(tǒng)硬件設計 根據(jù)系統(tǒng)框架 系統(tǒng)硬件由主要由 處理 器 各類傳感器設備 各類執(zhí)行設備 模塊 模塊及顯示屏等組成 處理器采用 該處理器由中國自主研發(fā) 具有高性 能 低功耗 功能豐富等特點 集成四核 位 架構(gòu) 主頻高達 內(nèi)置 豐富的功 能拓展接口 外接 的 和 的存儲 兼容 網(wǎng)絡 滿足系統(tǒng)開發(fā)需求 因此 系統(tǒng)硬 件設計主要分為 部分 一是數(shù)據(jù)采集及設備控制 終端 二是智能網(wǎng)關(guān)終端 兩個終端通過 模 塊進行數(shù)據(jù)交互傳輸 數(shù)據(jù)采集及設備控制終端硬件設計 數(shù)據(jù)采集及設備控制終端硬件主要由 處理器 模塊 顯示屏 溫度傳感 器 光照傳感器 空氣濕度傳感器 土壤濕度傳感 器及各類執(zhí)行設備組成 各類傳感器將采集的數(shù) 據(jù)經(jīng) 轉(zhuǎn)換后通過通過 接口傳輸?shù)?處理器 數(shù)據(jù)經(jīng) 處理器處理后 根據(jù)設 置閾值 通過比較 利用 口發(fā)送控制指令 控 制卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風機等各類執(zhí) 行設備的工作 顯示屏主要實現(xiàn)處理后的數(shù)據(jù)顯示 及人機互動 模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至智 能網(wǎng)關(guān)終端 模塊選用飛凌的 模塊 數(shù)據(jù) 傳輸速率 頻率范圍在 之 間 傳輸距離 之間 支持 操作系 統(tǒng) 采用 接口 性能穩(wěn)定可靠 顯示屏采用 寸的電容屏 接口 分辨 率為 支持觸摸 像素比例 溫度傳感器選用星儀 防水溫度傳感 工業(yè)儀表與自動化裝置 年第 期 器 測量范圍在 測量精度在 光照傳感器選用建大仁科光照度傳感器 測量 范圍在 測量精度在 空氣濕度傳感器選用華控興業(yè) 測量范圍在 測量精度在 響應 時間小于 土壤濕度傳感器選用威盟士 測量范圍在 測量精度在 內(nèi)置 溫度補償器 智能網(wǎng)關(guān)終端硬件設計 智能網(wǎng)關(guān)終端硬件主要由 處理 器 模塊 顯示屏和 模塊組成 模 塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收 顯示屏實現(xiàn)人機互動功 能 模塊實現(xiàn)處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至 手機客 戶端或接收 手機客戶端發(fā)送的控制指令 智能網(wǎng)關(guān)終端 模塊同樣采用飛凌的 模塊采用移遠 接口 支持 和 模式 向下兼容 網(wǎng)絡 支持 操作系統(tǒng) 傳輸速率為 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)軟件設計采用 開發(fā)軟件 支持 操作系統(tǒng)開發(fā)及 操作系統(tǒng) 開發(fā) 具有 同一代碼可部署在 目標平 臺 的優(yōu)點 保證了系統(tǒng)的統(tǒng)一性設計與開發(fā) 軟件設計分為三個部分 一是數(shù)據(jù)采集及設備控制 終端 二是智能網(wǎng)關(guān)終端 三是手機客戶端 具體軟 件設計如下 數(shù)據(jù)采集及設備控制終端軟件設計 數(shù)據(jù)采集及設備控制終端采用 系統(tǒng) 軟件 通過交叉編譯后將 系統(tǒng)和 開發(fā)軟件移植到終端 處理器上 至此 終端開 發(fā)環(huán)境部署完成 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件設計 在 軟件開發(fā)中 使用 函數(shù)管理控制各 類傳感器接口 第一 初始化溫度傳感器 光照 傳感器 空氣濕度傳感器 土壤濕度傳感器等設備 第二 各類傳感器開始采集數(shù)據(jù) 通過 函數(shù)讀 取傳感器參數(shù) 第三 利用 函數(shù)每間隔 分鐘 采集一次數(shù)據(jù) 以此往復循環(huán)采集大棚各類環(huán)境數(shù) 據(jù) 第四 將每次采集的數(shù)據(jù)通過 轉(zhuǎn)換后 通過 接口傳輸至處理器 第五 數(shù)據(jù)采集結(jié)束 傳 感器數(shù)據(jù)采集軟件設計如圖 所示 圖 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件設計流程圖 數(shù)據(jù)處理軟件設計 為控制溫室大棚執(zhí)行設備處于合理工作狀態(tài) 保證作物水 光 溫度等最優(yōu)配比 需對各類傳感器 采集的數(shù)據(jù)進行處理 首先 在同一時刻 通過拉依 達 準則對同類型傳感器在不同位置采集的 異常數(shù)據(jù)進行剔除 其次 將剔除后的數(shù)據(jù)加權(quán) 平均 最后 將計算的數(shù)值與設定閾值進行比較 判 定是否控制相對應執(zhí)行設備 設系統(tǒng)在同一時刻 同類傳感器在不同位置采集的獨立數(shù)據(jù)為 依據(jù)拉依達 準則 分別算出 溫度 光照 空氣濕度 土壤濕度的算術(shù)平均值 剩余 誤差及標準誤差 若剩余誤差大于 倍標準誤差 時 則判斷為異常數(shù)據(jù)并進行剔除 反之則保留數(shù) 據(jù) 通過判斷后的數(shù)據(jù) 加權(quán)求平均 算術(shù)平均值公式為 剩余誤差公式為 標準誤差公式為 加權(quán)求平均公式為 執(zhí)行設備軟件設計 數(shù)據(jù)通過 處理器處理后 將上述計算的 結(jié)果與設置的閾值進行比較 判斷是否控制相應的 執(zhí)行設備 若計算結(jié)果在設定的范圍內(nèi) 口輸 出 設備保持原狀 若計算結(jié)果不在設定范圍內(nèi) 年第 期 工業(yè)儀表與自動化裝置 口輸出 打開卷簾 加熱器 噴灌 光源 燈 風機等相應執(zhí)行設備進行工作 數(shù)據(jù)無線傳輸 處理器將數(shù)據(jù)處理后 通過 模塊 發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)終端 系統(tǒng)支持 協(xié)議 數(shù)據(jù)傳輸采用 網(wǎng)絡編程 通過 協(xié) 議建立可靠穩(wěn)定的連接 首先 初始化模塊 建立 通過 函數(shù)綁定智能網(wǎng)關(guān)終端公網(wǎng) 地 址 利用 函數(shù)連接到智能網(wǎng)關(guān)終端 使用 函數(shù)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù) 調(diào)用 函數(shù)接收 手機客戶端發(fā)送的控制執(zhí)行設備指令 數(shù)據(jù)無線傳 輸軟件設計如圖 所示 圖 數(shù)據(jù)無線傳輸軟件設計流程圖 智能網(wǎng)關(guān)終端 智能網(wǎng)關(guān)終端采用 系統(tǒng) 軟件 通過交叉編譯后移植到 處理器上 終端 的作用是將多個溫室大棚采集處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)智能 網(wǎng)關(guān)發(fā)送至 手機客戶端 為了保障數(shù)據(jù)在 公網(wǎng)上傳輸 需要通過運營商申請一個公網(wǎng) 地 址 至此 智能網(wǎng)關(guān)終端軟件設計環(huán)境準備完成 首 先 初始化終端 建立 通過 函數(shù)綁定本 地 與公網(wǎng) 使用 函數(shù)監(jiān)聽數(shù)據(jù)采集及設 備控制終端和手機客戶端的連接 如果連接成功 使 用 函數(shù)接收數(shù)據(jù)采集及設備控制終端發(fā)送的 數(shù)據(jù) 利用 函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)通過 模塊 發(fā)送至 手機客戶端 反之 智能網(wǎng)關(guān)終端通 過 模塊接收 手機客戶端發(fā)送的控制指 令 再使用 模塊將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采 集及設備控制終端 智能網(wǎng)關(guān)終端軟件設計如圖 所示 圖 智能網(wǎng)關(guān)終端軟件設計流程圖 手機客戶端 手機客戶端采用 操作系統(tǒng) 開發(fā)軟件采 用 軟件支持 軟件開發(fā) 首先 初始化 設備 建設 通過 函數(shù)綁定智能網(wǎng)關(guān)終端 公網(wǎng) 地址 使用 函數(shù)連接智能網(wǎng)關(guān)終端 調(diào)用 函數(shù)接收數(shù)據(jù)或者通過 函數(shù)發(fā)送 控制指令 手機客戶端軟件設計流程如圖 所示 圖 手機客戶端軟件設計流程圖 工業(yè)儀表與自動化裝置 年第 期 系統(tǒng)測試 系統(tǒng)測試選擇在北方種植的火龍果溫室大棚 內(nèi) 種植時間一般為 月至 月 成熟期在 月至 月 該文以溫室大棚火龍果生長所需的溫度 光照 空氣濕度 土壤濕度為例 在大棚內(nèi)不同位置分別部 署溫度傳感器 光照傳感器 空氣濕度傳感器 土壤 濕度傳感器各 個進行數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)設置火龍果生 長最適宜的溫度在 光照范圍在 要求的空氣濕度保持在 土壤濕度在 當各類傳感器采集的參 數(shù)通過算法處理后 若不在以上數(shù)據(jù)范圍內(nèi) 數(shù)據(jù)采 集及設備控制終端通過 處理器自動控制溫室 大棚內(nèi)的卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風機等 執(zhí)行設備的工作 啟動數(shù)據(jù)采集及設備控制終端 智能網(wǎng)關(guān)終端 手機客戶端 終端自動配置網(wǎng)絡 三個終端網(wǎng)絡連接 成功 第二 在大棚中分別部署溫度傳感器 光照傳 感器 空氣濕度傳感器 土壤濕度傳感器各 個進行 數(shù)據(jù)采集 將采集的 類數(shù)據(jù)通過處理器中拉依達 算法判斷數(shù)據(jù)的異常 然后再利用加權(quán)求 平均的算法分別計算當前溫度 光照 空氣濕度 土 壤濕度 溫室大棚溫度 光照數(shù)據(jù)采集及算法見表 溫室大棚空氣濕度 土壤濕度數(shù)據(jù)采集及算法見 表 表 和表 為 月 日 截取的 數(shù)據(jù) 設置傳感器采樣間隔為 分鐘 表 溫室大棚溫度 光照數(shù)據(jù)采集及算法 月 日 時間溫度 算法光照 算法 表 溫室大棚空氣濕度 土壤濕度數(shù)據(jù)采集及算法 月 日 時間空氣濕度 算法土壤濕度 算法 根據(jù)上述計算結(jié)果 判斷是否控制相應的執(zhí)行 設備 本系統(tǒng)的執(zhí)行設備分別為卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風機 將計算的結(jié)果與設置的閾值進 行比較 若計算出的結(jié)果在設定的參數(shù)范圍內(nèi)則表 示為 反之 情況一 計算出的值大于設定參數(shù)則 表示為 情況二 計算出的值小于設定參數(shù)則表示 為 表 是系統(tǒng)計算結(jié)果與執(zhí)行設備之間的控制 關(guān)系 表 計算結(jié)果與執(zhí)行設備之間的控制關(guān)系 計算結(jié)果與閾值比較執(zhí)行設備狀態(tài) 序號溫度光照空氣濕度土壤濕度卷簾加熱器噴灌 光源燈風機 關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉 關(guān)閉關(guān)閉打開關(guān)閉關(guān)閉 關(guān)閉關(guān)閉打開關(guān)閉關(guān)閉 打開關(guān)閉打開關(guān)閉打開 將計算后的結(jié)果通過 模塊發(fā)送至智能 網(wǎng)關(guān)終端 智能網(wǎng)關(guān)將接收的各類數(shù)據(jù)通過 網(wǎng) 絡發(fā)送至 手機客戶端 農(nóng)戶通過 手 機客戶端實時掌握大棚內(nèi)的環(huán)境信息 農(nóng)戶也可以 通過 手機客戶端控制溫室大棚內(nèi)的卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風機等設備工作 智能 網(wǎng)關(guān)初始化如圖 所示 手機客戶端接收數(shù) 據(jù)如圖 所示 年第 期 工業(yè)儀表與自動化裝置 圖 智能網(wǎng)關(guān)初始化 圖 手機客戶端接收的數(shù)據(jù) 結(jié)語 該文設計的基于 處理器的溫室大棚智能 監(jiān)控系統(tǒng) 能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚精準化監(jiān)控與控制 系統(tǒng)分為三個部分 一是數(shù)據(jù)采集及設備控制終端 二是智能網(wǎng)關(guān)終端 三是 手機客戶端 數(shù)據(jù) 采集及設備控制終端通過 處理器實現(xiàn)溫室大 棚環(huán)境信息采集 數(shù)據(jù)處理 智能控制執(zhí)行設備 將 處理后的數(shù)據(jù)通過 模塊發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)終 端 智能網(wǎng)關(guān)終端實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采集及設備控制終 端的數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā) 將接收的數(shù)據(jù)通過 模塊 發(fā)送至 手機客戶端 手機客戶端實時查看 數(shù)據(jù)或控制數(shù)據(jù)采集及設備控制終端中執(zhí)行設備 工作 參考文獻 龔琴 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中 的應用 電腦與信息技術(shù) 趙尚飛 陳立萬 符譯丹 等 溫室大棚花卉智能監(jiān)控 系統(tǒng)設計 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 邢玲玲 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究 電子制作 陳慧 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)研究 杭州 浙江科技學院 劉玉芹 徐海華 基于 的溫室大棚遠程智能 監(jiān)控系統(tǒng)設計 自動化儀表 汪言康 周建平 許燕 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智 能監(jiān)控系統(tǒng)研究 機床與液壓 肖云方 溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn) 信息 技術(shù)與信息化 鞏師洋 農(nóng)業(yè)溫室大棚遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實 現(xiàn) 銀川 北方民族大學 張寶峰 楊雷 朱均超 等 溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 自動化儀表 王冬梅 路敬祎 基于單片機的溫室大棚智能監(jiān)控系 統(tǒng)設計 內(nèi)燃機與配件 程倩 基于無線傳感器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設 計 無線互聯(lián)科技 魏芬 季宇峰 基于無線傳感網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控 系統(tǒng)的研究 測控技術(shù) 韓力英 楊宜菩 王楊 等 基于單片機的溫室大棚智 能監(jiān)控系統(tǒng)設計 中國農(nóng)機化學報 程劍 基于 技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng) 福建電腦 鞠傳香 吳志勇 基于 技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān) 控系統(tǒng) 江蘇農(nóng)業(yè)科學 楊寶貴 基于 的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設計 中國新通信 陶平 基于 的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究 成都 西華大學 雷文禮 張鑫 任新成 等 基于 的大棚環(huán)境監(jiān) 測系統(tǒng)設計 電子設計工程 歡迎投稿 歡迎訂閱 歡迎刊登廣告 工業(yè)儀表與自動化裝置 年第 期