基于ARM嵌入式技術的農業(yè)遠程監(jiān)控系統集中器的設計與實現*

黃 欽，閆德鑫，曾平紅

湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421000

農業(yè)已經成為一個比較繁榮的國家支柱性產業(yè)，我國目前已經成為現代化農業(yè)大國。農業(yè)的發(fā)展直接關乎我國對于農業(yè)在經濟建設和社會進步中所處的地位。現代農業(yè)的發(fā)展主要依靠良好的氣候和生態(tài)環(huán)境條件。中國幅員遼闊，地理位置優(yōu)越。由于我國部分地區(qū)的氣候、生態(tài)環(huán)境等條件相對較差，各種條件之間的不同影響了我國當前農業(yè)的迅速進步。隨著現代社會科學技術的進步和發(fā)展，從事基層特色農業(yè)勞動和生產工作的人數越來越少，我國各地區(qū)人民對于農產品的需求也越來越多[1]。時代的進步為人們提出了更高的材料質量要求。

1 ARM嵌入式技術的應用現狀

隨著信息技術的發(fā)展，時代的不斷進步，5G時代的到來，大數據的發(fā)展趨勢勢不可當。大數據的本質是所有數據的一個結合，在新技術的要求下，大數據的采集已不再是之前簡單的方式，而是采用更加先進的技術。如果在生產生活中，加強大數據的利用，必然對工作的準確性，對生活的、生產的質量都有著很大的提升作用。因此，在今后的發(fā)展中，加強對大數據的使用，促進生活的進步、社會的發(fā)展與經濟的建設，培養(yǎng)專業(yè)的人才來促進大數據的正確合理使用。

目前，我國的設施農業(yè)溫室也得到了廣泛的應用，但大多數的控制技術都過于落后。傳統的手工測試和控制的使用也占用了大量的人力和時間。工業(yè)計算機的使用成本昂貴，同時需要配備專業(yè)的操作技術人員，給農業(yè)的發(fā)展帶來極大的不便。價格較低的單片機性能較低，不利于技術的推廣。因此，我國設施農業(yè)溫室的環(huán)境控制在許多方面還有待改進和完善。在此基礎上，采用嵌入式技術和嵌入式集中器作為溫室領域的主控制器，是設施農業(yè)發(fā)展中采用技術手段的適宜選擇。設施農業(yè)溫室監(jiān)控系統的研究涉及多種技術，包括嵌入式控制技術。

如今，智能手機已經與人們的生活密不可分，移動應用的應用領域也在不斷擴大。嵌入式技術與計算機和智能手機終端應用相結合是未來必然的發(fā)展道路[2]。通過Zig-Bee無線傳感器網絡采集溫室內的數據信息，通過RS232串口發(fā)送到嵌入式集中器終端，然后通過無線通信技術將控制器與普通計算機連接起來。計算機可以實現監(jiān)控，PC機也可以實現。設置服務器還可以使移動電話遠程訪問計算機端的數據，農業(yè)技術人員也可以離開溫室現場，在家中或室外實時進行監(jiān)視和控制。

2 設施農業(yè)遠程監(jiān)控系統相關理論及關鍵技術

設施農業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統的研究對我國農業(yè)的發(fā)展具有現實意義。它改善了傳統溫室生產管理技術的落后，改變了農業(yè)技術人員煩瑣的人工控制過程，提高了生產效率，提高了我國的生產效率。農業(yè)大國的核心競爭力在未來農業(yè)發(fā)展中具有巨大的農業(yè)科技研究價值。設施農業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統包括嵌入式技術、無線傳感器網絡技術、數據庫技術、網絡通信技術、PC服務器技術、Android移動應用開發(fā)技術等。

2.1 嵌入式技術

嵌入式系統是一種以應用為中心的計算機專用系統，基于計算機技術，軟件和硬件可以定制，對系統的可靠性、功能、體積、成本和功耗都有非常嚴格的規(guī)定。嵌入式系統應用領域非常廣泛，主要應用于工業(yè)控制設備、智能儀表、網絡設備、汽車電子、環(huán)境監(jiān)測、通信設備等領域。嵌入式系統結構包括嵌入式處理器、車載硬件（FLASH、LCD等）、嵌入式操作系統、嵌入式應用。其中，嵌入式處理器、車載硬件和各種外圍接口構成了嵌入式系統的硬件組件，嵌入式操作系統、應用程序和設備驅動層構成了嵌入式系統的軟件部分。

2.2 無線傳感器網絡技術

最初，Linux主要被應用于服務器。Linux以其低廉的成本和定制化的可能性,后來在各種嵌入式系統中已經得到了廣泛的應用。嵌入式Linux之所以能夠快速地發(fā)展,因為它實際上是一個安全的免費軟件；Linux平臺是一個多功能、多任務的操作系統，具有豐富的圖形用戶界面，強大的平臺擴展性，幾百kb的文本大小都可以多達幾mb。Linux由于其強大的網絡功能,在服務器領域已經得到了突破性的發(fā)展。Linux能夠提供的網絡協議棧既穩(wěn)定又豐富。一個完整的 Linux發(fā)行版主要包括：Linux內核、gnu庫和工具、命令行shell、桌面環(huán)境，并包含數千個辦公套件、文本編輯器應用軟件。

近年來，ZigBee無線傳感器網絡技術已經被廣泛地認為是21世紀最重要的互聯網技術，是一種綜合性地集成控制、監(jiān)視和無線通信的網絡體系。傳感器、數據處理單元與通信模塊等應用在AdHoc網絡中。構成了無線網絡。每個傳感器節(jié)點都可以向受眾傳輸信息，收集到所有在監(jiān)測范圍內的環(huán)境物體對象上的信息，對該物體的信息進行處理,并通過無線傳感器的網絡向受眾發(fā)送[3]。計算機技術與無線通信技術在整個互聯網網絡體系中的相互結合所形成產生的無線傳感器網絡，實現了三元世界的鏈路連接,對我國農業(yè)的建設與發(fā)展也產生了積極影響。

2.3 互聯網通信技術

TCP/IP協議是Internet協議傳輸控制協議Internet協議的英文縮寫。該協議通常被稱為網絡通信協議，是當今互聯網上最為基本的一項協議。TCP/IP協議明確規(guī)定了各種電子設備之間與Internet的連接和通信方式,以及其他數據傳輸的標準。TCP主要是負責在Internet上發(fā)現傳送問題并進行重傳，直到用戶所發(fā)送的大量數據信息已經到達其目的地為止，而IP則為Internet上的每一個網絡設備指定了一個位置。

當一個客戶端和服務器之間建立了連接時,通過數據流直接實現了對數據信息的傳遞,即客戶端的輸出流和服務器的輸入流分別被連接到了服務器的輸入流和服務器的輸出流。不管服務器和客戶端的運行操作系統之間是否相同,編程語言之間是否相同,都可以有直接地建立聯系。與本次課題研究的基礎性設施-農業(yè)溫室遙感器遠程監(jiān)測管理系統一樣，嵌入式集中器系統采用Linux系統，PC服務器端采用Windows系統，智能手機移動終端系統采用Android系統，嵌入式應用程序系統采用qt編程，移動電話和伺服計算機端的通信模塊系統采用套接字網絡編程。

2.4 PC機服務器技術

PC服務器就是在普通計算機上建立一個服務器和一個數據庫，實現對嵌入式集中器發(fā)送的數據信息的存儲、查詢和控制。該系統的PC服務器可向嵌入式集中器發(fā)送控制命令，進行參數設置，同時利用MySQL關系數據庫進行信息處理、查詢等功能，實現設施農業(yè)溫室的溫濕度、CO2濃度、光強等環(huán)境參數的存儲。在PC端建立服務器，使用戶能夠通過手機應用程序或服務器IP地址通過智能手機終端進行訪問，實現遠程控制功能。

2.5 手機 App 開發(fā)技術

目前，市場上的智能手機操作系統分為iOS系統和Android系統。本課題開發(fā)的手機應用程序使用Android系統，直接使用Java編程實現應用程序的開發(fā)，然后將開發(fā)的應用程序下載到手機上。在手機遠程控制模塊中，給出了手機應用程序的登錄界面。溫室內的數據信息可以通過GPRS數據流或局域網通過服務器查詢，農業(yè)技術人員可以通過設置環(huán)形模式對溫室進行實時監(jiān)控[4]。

3 系統總體設計

傳統的溫室控制系統大多采用人工控制方法來控制溫室環(huán)境，有些系統采用單片機進行控制，以達到一定的控制功能。如果將其應用于多個溫室，則需要增加勞動力成本，并由人為因素控制整個系統，從而降低效率。

文章研究的基于嵌入式集中器的設施農業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統由嵌入式集中器子系統、PC服務器子系統和移動應用子系統三部分組成。文章討論了監(jiān)控系統的總體功能和體系結構。在分析和研究的基礎上，重點介紹了嵌入式集中器子系統的總體結構和功能設計、軟硬件設計和通信接口設計、硬件和軟件開發(fā)平臺的選擇和無線傳感器的選擇。

地下集中器也安裝在溫室中，如無線傳感器。嵌入式集中控制器連接液晶顯示器和繼電器。LCD觸摸屏可實時顯示溫室內環(huán)境參數。Sink節(jié)點通過RS232串口與集中器通信集中器可以通過繼電器查詢和控制溫室內的卷簾、風扇等外圍設備，從而調整適合作物生長的溫室環(huán)境參數。嵌入式集中器內置DM9000，網卡通過網線連接路由器，分配IP地址，建立網絡連接，與遠程PC服務器通信。嵌入式濃縮器向遠程計算機發(fā)送溫度、濕度、CO2濃度、數據和時間等參數信息，并提供來自外圍設備的定時接收命令。

設施農業(yè)大棚遠程監(jiān)控系統各子系統的功能如下：（1）集中器管理子系統。其主要包括無線數據采集模塊、數據傳輸模塊和設備控制模塊。無線數據采集主要包括溫室內的溫度、濕度和CO2。實時采集濃度和光強數據信息。數據傳輸功能是指集中器收到信息后將信息發(fā)送到PC服務器，并接收服務器發(fā)送的命令[5]。設備控制模塊主要通過GPIO接口控制繼電器，進而控制溫室內的卷簾、吹風機等設備，達到調節(jié)溫室環(huán)境的目的。（2）PC服務器管理子系統。其主要包括集中器發(fā)送數據的接收、處理和存儲，通過數據庫查詢溫室數據的信息變化，負責集中器與手機之間的傳輸功能。（3）移動應用管理子系統。其主要功能模塊包括用戶登錄和賬戶管理、溫室環(huán)境參數實時顯示、遠程控制命令和溫室參數閾值設置。當溫室內數據超過閾值時，會有報警功能。

4 結束語

總而言之，當今時代是信息時代，物聯網技術也在逐步發(fā)展，合理地將物聯網技術應用于人們的日常生產和生活中，有利于改善和提高人們的日常生產和生活質量，有利于推動社會進一步發(fā)展。在互聯網時代的發(fā)展過程中，將先進的物聯網技術充分融入農業(yè)工程，有利于推動社會主義經濟的發(fā)展，維護社會生態(tài)平衡，提高自然資源的利用率，從而促進經濟的健康可持續(xù)發(fā)展和自然生態(tài)環(huán)境的保護，最大限度地改善和提高自然資源的利用率，有利于社會主義經濟的進一步健康發(fā)展和人民生活水平的提高，有利于提升我國在國際上的地位，早日達到我國的發(fā)展目標。