基于ARM的育苗架智能监控系统设计

基于AＲM的育苗架智能监控系统设计

耿杏雨

1，2

，杨

1

帆，王2

秀，姜2

凯，王

莎

1，2

（1．河北工业大学信息工程学院，天津摘

300401；2．国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097）

要：为了解决当前育苗过程中环境参数控制不便等问题，提出一种新的基于嵌入式AＲM平台的育苗架智

能监控系统。该系统搭载嵌入式Linux操作系统，采用Pt100温度传感器和NWSF－1AT湿度传感器，以及加热、加湿装置，可以对育苗架内的环境参数进行实时监测和智能控制。系统采用Modbus通信协议和ＲS－485数据接口，利用Qt开发用户界面，同时包含数据库功能，能够自动记录历史数据，便于后续的数据分析。大量实验表明，本系统可以实时监测育苗架内温湿度变化，当设定期望温度为25℃、湿度为40%ＲH时，能够有效地将育苗架内的温湿度环境稳定在设定值，能够为催芽育苗工作提供所良好的内部环境。关键词：育苗架；嵌入式；AＲM；Linux；Qt中图分类号：S223．1

文献标识码：A

文章编号：1003－188X（2015）02－0199－04

DOI:10.13427/http://doc.guandang.netki.njyi.2015.02.047

0引言

温室是设施农业的重要组成部分，能够显著增强

1系统总体设计

系统由分布在育苗架中的多个传感器节点、数据

农业的抗灾、减灾与反季节生产能力。长期以来，温室被用来进行农作物的大批量培养。目前的现代化温室已经可以在没有任何人工干预的情况下对温室的环境参数（温湿度、光照、二氧化碳浓度等）进行检测，并对作物进行施肥、喷药、灌溉等培养，大大地提高了生产效率。在农作物的育苗催芽阶段，仍需要半人工、半自动化控制其培养过程中所需的环境参数，而当前所用的控制终端为PC机，影响了系统的灵活性。因此，利用嵌入式系统来提高育苗催芽阶段的自动化程度，可以进一步提高农作物的生产效率，具有重要的意义。同时，为了解决当前已有的基于PC机的智能温室系统成本高、占用面积大、系统不灵活等问题

［1］

采集单元、设备控制单元和存放在嵌入式AＲM设备中的监控软件4部分组成，如图1所示。

，性能稳定的育苗架智能设计出一套精度高、

监控系统，将育苗催芽工作转移到相对封闭的育苗架中进行。该系统采用了嵌入式AＲM平台，搭载了嵌入式Linux操作系统和Qt用户界面

［2］

图1系统结构框图

，可实现对多点

育苗架由钢制材料构成，共有4层。每一层上面都布有4个温度传感器和加热、加湿装置，苗架内布有1个湿度传感器。苗架工作时处于完全密封状态，苗体生长所需的温湿度环境均由外部智能控制。数据采集单元负责向传感器节点发送指令，进行温湿度数据采集，并通过处理、打包过程，将数据通过ＲS－485总线接口发送到嵌入式设备上的智能监控软件

［3］

中，数据传输所使用的协议为Modbus。智能监控

温湿度等参数的实时采集、处理、显示和记录功能；并可以实时分析采集的数据，自动进行加热、加湿等过程，使育苗架内的环境参数维持在一个特定的范围内，有利于提高秧苗成活率、缩短培养周期。

收稿日期：2014－03－06

基金项目：国家高技术研究发展计划项目（2012AA10A503）

（E－mail）男，河北邢台人，硕士研究生，作者简介：耿杏雨（1990－），

jeconny@163．com。

（E－mail）男，吉林吉林人，博士生导师，通讯作者：杨帆（1966－），

lamithe1990@hotmail．com。

软件收到采集单元发来的数据之后，进行解包、分析、处理等过程，然后显示到用户界面上，同时软件具有

记录历史数据的功能。用户在监控软件上可以设定期望达到的温度、湿度值，软件会发送包含这些期望值的指令给数据采集单元。数据采集单元收到这些指令之后，会判断当前是否符合条件。当条件符合后，数据处理单元会自动调用设备控制单元对育苗架进行相应的加热、加湿操作

［4］

心是碳纤维加热毯，它使用碳纤维作为加热介质。碳纤维（carbonfiber，简称CF），是一种含碳量在95%以高模量纤维的新型纤维材料。它是由片上的高强度、

状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的导热性能好，热膨胀系数小且具有各向异性。因此，碳纤维加热毯的功耗低、加热速度快，适合在农业上使用。加湿装置分布在育苗架的每一层，核心是双向高压喷头，可以均匀覆盖待加湿区域。本单元既可以接收由数据采集单元发来的指令，打开或者关闭加热、加湿装置；也可以设定一个阈值，自动地打开或者关闭加热、加湿装置。

。

2

2．1

系统硬件设计

嵌入式平台

嵌入式平台CPU型号为博通公司的BCM2835，

采用AＲM11微架构，主频为700MHz，同时平台配有512MBDDＲＲAM和8GBNandFlash，提供高效、稳定的运行和存储环境。平台配有HDMI高清视频接口，用来外接显示器，可以直观地显示系统操作界面。配有ＲJ－45网络接口和多个USB接口，用来连接网络、键盘鼠标和USB转ＲS－285数据线。平台搭载开源的嵌入式Linux操作系统，该操作系统稳定性好并且具有丰富的扩展功能，适合作为嵌入式监控平台2．2

传感器节点和设备控制单元

温度传感器采用Pt100。Pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号（4～20mA）的仪表，其本质是铂热电阻，阻值会随着温度的变化而改变，主要用于温度参数的测量和控制，测量量程为－200℃～+200℃，精度为0．1℃。湿度传感器采用NWSF－1AT，它是一种集传感、变送为一体的湿度传感器，适于室内环境的湿度测量。其测量量程为0～100%ＲH，精度为±5%ＲH，响应时间小于15s，是一种两线制的标准化输出信号（4～20mA）传感器。

设备控制单元采用继电器控制。加热装置分布在育苗架的每一层，且可以独立工作，加热装置的核

表1

寄存器的高位

地址00

［5］

3系统软件设计

系统软件设计由通信协议和上位机程序两部分组

成。其中，通信协议采用Modbus、上位机程序使用Qt开发。3．1

通信协议

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一种控制器请求访问其它设备的过程，制定了消息域格局和内容的公共格式。

Modbus协议规定，在进行通信时，每个控制器需要设定唯一的设备地址，交换消息时根据设备地址进行响应，确保一条指令对应的设备是唯一的。Modbus协议查询指令数据示例如表1所示。其中，数据均为16进制，CＲC错误校验位高位在前、低位在后。

。

Modbus协议数据格式

寄存器的数量的高位

地址00

寄存器的数量的低位

地址01

CＲC错误校验位840A

地址功能码

寄存器的低位

地址00

0103

3．2上位机程序

本系统上位机程序采用Qt开发，它是一款开源

首先将Qt源代码解压，在其根目录下执行．/configure命令，对源码进行配置；然后执行make和makeinstall命令编译源码，并安装编译好的库文件到lib文件夹下；最后将这些库文件拷贝到嵌入式平台根目录下的lib文件夹中 …… 此处隐藏：7285字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……