基于嵌入式Linux內核移植設備驅動的微噴自動裝置

王 慧，張 璐

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000)

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基于嵌入式Linux內核移植設備驅動的微噴自動裝置

王 慧，張 璐

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000)

為了實現(xiàn)精準灌溉和節(jié)約用水的理念，提出了基于嵌入式Linux內核移植設備驅動的溫室微噴自動裝置。通過分析溫室參數(shù)和作物生產(chǎn)信息，利用傳感器網(wǎng)絡采集溫室內溫、濕度等環(huán)境因子，采用微噴灌調節(jié)和控制溫室內環(huán)境，為農(nóng)作物生長提供最有利的條件。文中重點研究了嵌入式內核系統(tǒng)、傳感檢測網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理單元及水泵送水管道組件的微噴自動控制裝置，并搭建了試驗平臺。試驗表明：該系統(tǒng)能實現(xiàn)對溫室環(huán)境實施實時監(jiān)測，可通過電磁閥控制執(zhí)行器進行微噴灌水，有效控制環(huán)境因子，可靠性強、穩(wěn)定性高，對微噴灌溉應用于農(nóng)業(yè)種植具有重要指導意義。

精準灌溉；嵌入式；內核移植；溫室微噴

0 引言

近年來，我國北方的旱災問題越來越嚴重，農(nóng)業(yè)用水越來越困難，水資源在農(nóng)作物生產(chǎn)種植中的作用越來越突出。中國農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用率僅僅有51%，與發(fā)達國家之間差距較大。本文提出的溫室微噴自動系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)種植區(qū)溫、濕度的自動檢測和合理利用水資源，節(jié)約用水具有重要意義。本文將嵌入式系統(tǒng)應用于溫室微噴自動控制設備中，充分利用ARM系統(tǒng)高性能、低功耗、低價格，通過溫室內溫、濕度傳感器網(wǎng)絡和灌溉控制閥門網(wǎng)絡準確有效地控制灌水量和灌水時間，實現(xiàn)對大棚的合理灌溉，高效利用水資源，極好地解決了傳統(tǒng)灌溉用水浪費大、穩(wěn)定性差的缺點，在農(nóng)業(yè)灌溉方面具有很好的應用前景。

1 溫室微噴裝置總體方案與硬件平臺

溫室微噴自動裝置的設計，選擇設計方案時必須綜合考慮多方面因素：一方面，整個系統(tǒng)必須具有可行性，系統(tǒng)運行效率高，節(jié)水能力強；另一方面，系統(tǒng)應用性強，能對環(huán)境因子進行數(shù)據(jù)的采集和處理，根據(jù)環(huán)境需要實施灌溉。由于主要應用于農(nóng)業(yè)灌溉，結合現(xiàn)階段農(nóng)村經(jīng)濟水平，整個系統(tǒng)的成本需要嚴格控制，不能太高。

1.1 系統(tǒng)總體設計方案

溫室微噴自動裝置主要包括流量、壓力、溫度檢測、濕度檢測等電路的設計，控制系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)溫室灌溉信息的采集和自動控制，通過嵌入式控制系統(tǒng)采集微噴裝置的水力特性參數(shù)，驅動電磁閥網(wǎng)絡對水壓、水量進行調節(jié)。該系統(tǒng)總體設計包括試驗平臺、數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)、電磁閥網(wǎng)絡及傳感器網(wǎng)絡等。溫室微噴自動裝置運行框架圖如圖1所示。

圖1 溫室微噴自動裝置運行框架圖

系統(tǒng)試驗平臺主要由水泵、水力穩(wěn)壓器、過濾網(wǎng)、壓力閥、控制柜和處理器組成。根據(jù)溫室微噴系統(tǒng)的控制對象、控制規(guī)模及低成本要求，本系統(tǒng)采用嵌入式智能控制系統(tǒng)。溫室微噴自動裝置總體設計框架如圖2所示。該系統(tǒng)以S3C2440處理器為硬件核心，直接對所需控制對象進行實時監(jiān)控，從而完成系統(tǒng)的控制和管理?？刂茖ο鬄槲娫O備，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是傳感器網(wǎng)絡，執(zhí)行器是電磁閥網(wǎng)絡、變送器和抽水泵。系統(tǒng)的工作原理：先由溫度、濕度、壓力傳感器組成的網(wǎng)絡采集溫室環(huán)境因子變量，然后現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理模塊將傳感器采集的模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，并發(fā)送給S3C2440處理器進行數(shù)據(jù)計算處理；根據(jù)控制算法產(chǎn)生指令驅動控制執(zhí)行機構，實現(xiàn)對溫室的自動微噴灌溉。

圖2 系統(tǒng)整體設計框架圖

1.2 系統(tǒng)硬件平臺

考慮到系統(tǒng)需要節(jié)能的特點，其硬件平臺必須具備低功耗和高穩(wěn)定性的特點。系統(tǒng)硬件平臺的好壞直接決定整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性的高低。該硬件平臺主要由S3C2440處理器、存儲器、顯示器和傳感器處理單元等硬件模塊組成。S3C2440處理器具有價格低廉、功耗低、處理能力強等特點，其內部集成64M的內存和64M的FLASH，特別適合應用于工業(yè)設施上。系統(tǒng)硬件平臺上的資源主要有CPU、外部存儲器、串口、網(wǎng)絡接口、LCD顯示屏及電路等，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件平臺示意圖

2 嵌入式Linux內核的移植

系統(tǒng)硬件平臺的正常運行離不開底層軟件的驅動，而嵌入式操作系統(tǒng)是軟件環(huán)境的核心成分，監(jiān)控著整個硬件平臺的數(shù)據(jù)資源，負責各個硬件模塊間的聯(lián)系和驅動，并為軟件開發(fā)提供平臺。Linux系統(tǒng)功能強大，內核源代碼開源程度高，軟件資源多，可驅動各種硬件體系，系統(tǒng)建立也比較容易。嵌入式內核移植主要包括建立系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、BootLoader移植、Linux內核的編譯和移植3個部分。

2.1 建立系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)大多數(shù)采用交叉編譯，其軟件調試環(huán)境建立在宿主機(即1臺PC 機)上，對應的開發(fā)板叫做目標板，首先需要在專門編譯程序的軟件平臺上進行，然后生成的源代碼可以在其他平臺運行，這一過程主要有兩個部分：本機和目標機。本機是進行編譯并生成可以運行程序的PC機；目標機則是嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境如圖4所示。

圖4 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境框架圖

建立交叉編譯一般采取搭建工具鏈的方式進行，具體步驟為：①下載交叉編譯器源碼包；②建立目錄；③解壓源碼包；④設置編譯路徑。配置宿主機上的TFTP服務，主要為以后下載相應的內核映像和文件系統(tǒng)做準備。NFS為網(wǎng)絡文件，是Linux 系統(tǒng)中一種常用服務，其設計是為在不同系統(tǒng)間使用,所以其通訊協(xié)議與主機及作業(yè)系統(tǒng)無關。

2.2 BootLoader移植

BootLoader是嵌入式系統(tǒng)運行的第一段程序，通過運行該程序可以實現(xiàn)對CPU、存儲設備及外圍設備的初始化，系統(tǒng)訪問存儲空間或者程序文件的燒錄都是通過BootLoader進行的。BootLoader比較依賴硬件資源，其移植常常需要先考慮內核中的配置。常見的嵌入式BootLoader有U-Boot、VIVI、RedBoot及ARMboot等。

絕大多數(shù)的BootLoader都具有下載和啟動兩種模式，本系統(tǒng)采用VIVI式嵌入式BootLoader，其專門針對三星芯片而開發(fā)。VIVI式嵌入式BootLoader移植步驟如圖5所示。

2.3 Linux內核的編譯和移植

目前，Linux內核增加了不少對S3C2440 處理器的支持，但仍需對內核進行調整來適應嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，而且還需要重新配置、編譯和重新生成新的內核映像。本文中嵌入式Linux內核的編譯和移植主要包括NAND Flash分區(qū)和內核的配置兩部分。

圖5 BootLoader移植步驟

NAND Flash分區(qū)如下:系統(tǒng)從Nand Flash啟動時，S3C2440處理器首先將Nand Flash前4K代碼復制芯片內部RAM空間，處理器從內部RAM開始執(zhí)行程序，因此vivi必須放到Nand Flash頂端。然后，vivi運行后初始化硬件設備、建立內存空間映射表；再將內核映像加載復制到SDRAM中；最后開始啟動內核。vivi分區(qū)中的地址主要是引導程序、內核映像及文件系統(tǒng)下載到Nand Flash的真正地址。因此，內核MTD必須與vivi分區(qū)一致。

內核配置結構包含:①Linux內核的配置系統(tǒng)由4個部分組成；②編譯確定Makefile；③內核編譯過程；④下載內核到開發(fā)板。

3 溫室微噴自動控制處理系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

溫室微噴自動控制裝置要充分調節(jié)和控制灌溉壓力和流水量，系統(tǒng)通過電磁閥統(tǒng)一控制灌水器的開關，由處理器控制開關時間，實現(xiàn)自動控制給水，保證灌溉區(qū)域給水量的一致性和準確性。為了保證作為正常生長所需水分和節(jié)約用水，嵌入式Linux內核移植設備驅動的溫室微噴自動控制系統(tǒng)應該具備以下特點：能采集傳感器網(wǎng)絡信息數(shù)據(jù)和驅動電磁閥控制噴水器閥門開關，而溫室溫、濕度傳感器網(wǎng)絡分布范圍比較廣泛，灌溉閥門執(zhí)行網(wǎng)絡負責。因此，控制系統(tǒng)需要采取靈活的灌溉控制方法。灌溉自動控制處理系統(tǒng)如圖6所示。

智能控制系統(tǒng)先將傳感器網(wǎng)絡采集的溫室溫、濕度數(shù)據(jù)信息發(fā)送給核心處理器；處理器將田間作物生長所需水量與實際溫、濕度信息結合，判斷溫室是否需要灌溉；當達到需求時開啟灌溉執(zhí)行閥門，對溫室內進行微噴施水，以保證田間土壤濕度值，節(jié)約水資源。

圖6 灌溉自動控制處理系統(tǒng)示意圖

3.2 軟件設計

溫室微噴自動控制設備通過檢測環(huán)境溫度和土壤濕度，然后決定控制閥門的開關。根據(jù)作物生長狀況和環(huán)境因素，該系統(tǒng)可根據(jù)灌溉每次的用水量、作物實際接收量、土壤濕度值及環(huán)境溫度進行綜合分析，確定灌溉時間和灌溉量。溫室微噴自動控制系統(tǒng)的軟件設計主要有：嵌入式主程序、傳感器網(wǎng)絡程序及閥門驅動程序等。傳感器網(wǎng)絡程序實現(xiàn)路由、數(shù)據(jù)采集的功能；閥門驅動程序則控制微噴灌溉的開關，實現(xiàn)實時控制灌水。溫室微噴自動控制系統(tǒng)程序主要包括數(shù)據(jù)處理和驅動電磁閥操作。各子程序分別設計，具有獨立使用的特點，調用起來也比較方便，大大加強了軟件的運行效率和穩(wěn)定性。溫室微噴自動控制系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 溫室微噴自動控制系統(tǒng)軟件流程圖

溫室灌溉給水控制軟件運行流程圖比較簡潔，系統(tǒng)運行時首先開始進行初始化設置，然后開始采集并處理溫度和濕度傳感器信息，并發(fā)送至S3C2440處理器進行數(shù)據(jù)對比和判斷，最后確定是否需要灌溉及灌溉用水量和灌溉用時，在滿足作物正常生長的條件下，盡量節(jié)省水資源。

4 系統(tǒng)抗干擾設計

在設備驅動等自動裝置的設計應用中，系統(tǒng)抗干擾能力直接確定整個微噴系統(tǒng)穩(wěn)定性的強弱。系統(tǒng)中的干擾主要是空間電磁輻射和過程信道等干擾，其主要干擾系統(tǒng)的硬件資源，導致處理器工作不正常。

在設計硬件平臺時，電路板布線過程中應注意加大線與線之間的距離，盡量減少引線的長度；對于線路周邊比較復雜時，應該盡量畫直線；對于電磁干擾比較強的地方需要采取電磁場屏蔽措施，采用鋁箔或者銅箔將需要隔離的地方包圍起來；強弱電之間盡量采用變壓器或者電磁閥隔離。

5 試驗與結果分析

為了驗證本系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，將本系統(tǒng)應用于某蔬菜種植基地的溫室內，在不影響原作物生長的前提下，從節(jié)水、增值和節(jié)省勞動力等方面進行測試。整個應用共投入使用3個傳感器網(wǎng)絡，69個采集點。當系統(tǒng)未進行微噴時，采集土壤含水率周期為1h。這樣有利于節(jié)省能源，降低系統(tǒng)運行功耗。當系統(tǒng)進行微噴時，采集土壤含水率周期為10min，可以更精確地測量土壤含水率，提高灌溉效率。投入使用1年后，收集相關數(shù)據(jù)，使用動態(tài)分析法。效益分析指標結果如表1所示。

表1 效益分析指標結果

在使用溫室微噴自動控制系統(tǒng)時，與采用人工灌溉的方式相比，雖然每次用水量相差不大，但是年灌溉用水量明顯減少，大大節(jié)約了水資源，且作物產(chǎn)量也有提高。試驗表明：溫室微噴自動控制系統(tǒng)采用科學可行的方法實施灌溉，不僅很大程度地節(jié)省水資源，解決了人工監(jiān)測難度大、效率低下、灌溉不及時的缺點，還可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

6 結論

針對農(nóng)業(yè)種植中人工灌溉難度大、效率低、灌溉不及時的問題，提出了基于嵌入式Linux內核移植設備驅動的溫室微噴自動裝置。通過分析溫室參數(shù)和作物生產(chǎn)信息，利用傳感器網(wǎng)絡采集大棚內溫、濕度等環(huán)境因子，并結合大棚種植應用進行試驗和分析。試驗結果表明：該溫室微噴自動控制裝置，能夠對溫室環(huán)境實施有效監(jiān)測，并通過電磁閥控制執(zhí)行網(wǎng)絡進行微噴灌水，可以有效控制和調節(jié)環(huán)境因子，大大節(jié)約了灌溉用水量，提高了作物種植產(chǎn)量，使農(nóng)業(yè)灌溉效率有較大的提高。同時，系統(tǒng)運行過程中穩(wěn)定性強，適應復雜的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境，對微噴灌溉的普及具有重要意義。

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Micro Injection Automatic Device Based on the Porting Device of Embedded Linux Kernel

Wang Hui, Zhang Lu

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

In order to meet the concept of precision irrigation and water saving, it puts forward an automatic device based on embedded Linux kernel for greenhouse micro injection. Through the analysis of the greenhouse and field parameters and crop production information, the system makes use of the sensor network to gather the greenhouse temperature and humidity environment factor, micro irrigation regulation and control in greenhouse environment and crop growth to provide the most favorable conditions. In this paper, we focus on the embedded kernel system, sensor detection network, data processing unit and the micro injection automatic control device of water pump, and set up the experimental platform. Experiments show that the system can meet the real-time monitoring of greenhouse environment, and by controlling the electromagnetic valve actuator of micro spray irrigation, effective control of environmental factors, system not only has high reliability, high stability, micro spray irrigation application in agricultural cultivation, which has an important guiding significance.

precision irrigation; embedded; kernel transplantation; greenhouse micro injection

2016-05-05

河南省自然科學基金項目(2015GZC155)

王 慧(1983-)，女，河南南陽人，講師，碩士。

張 璐(1982-)，女，河南南陽人，講師，碩士，(E-mail)zhanglu0377@163.com。

S499；TP316.81

A

1003-188X(2017)07-0196-05