基于ARM—Linux智能温室的设计与实现

杨立基++刘阳+王焱俊

摘 要：智能温室已经在全国范围内进行了推广，如何采用更加科学和高效的模式进行管理是目前重点研究的对象。基于ARM-Linux的智能温室利用传感器和物联网技术，对温室作物生长环境的信息进行实时采集，并将采集的数据上传到服务器，经过系统优化对温室内的设备进行自动控制，实现温室大棚的智能化操作，降低了温室的人工管理成本，提高了温室的管理效率，实现了温室管理的信息化和智能化。

关键词：智能温室 嵌入式Linux 数据集 智能控制

中图分类号：TP316.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0001-02

随着科学技术的发展和物联网技术的普及，农业温室生产和管理的智能化成为现代化农业发展的一项重要发展方向。温室的作物种植通过控制光照、温度、湿度和二氧化碳浓度，采用先进的技术措施，为作物营造最佳的生长环境，促使作物快速生长和尽早开花结果。温室技术的发展使人们可以吃上反季节的蔬菜水果，观赏到反季节的花卉，同时给温室种植者带来了可观的经济效益。然而相比欧美发达国家先进的温室种植，我国的温室种植还是简单的塑料薄膜技术，缺少先进的科学技术和设备。温室作物种植产量基本依赖农户种植经验，许多生产种植过程中的不可预见性问题无法解决。基于ARM-Linux的智能温室实现了对温室作物生长环境信息的实时采集和智能控制，实现了温室的智能化和现代化。

1 智能温室构架设计

在兼容现在移动终端、手持设备等物联网架构的基础上附加了终端接入层，因此基于ARM-Linux的智能温室的架构总共分为4层：用户交互层、软件核心架构层、传输层和采集层。

（1）用户交互层：用户通过这一层和智能温室管理系统进行交互，通过PC端和智能移动终端设备，对温室作物生长环境的各种信息进行实时查询，并可以进行远程控制。

（2）软件核心架构层：这层是智能温室大棚的核心架构。通过嵌入式温室大棚中的传感器对数据进行采集，形成最终的数据模型，数据模型通过不同农作物特点，形成用户可读的数据，并将分析的数据和网上大数据进行对比，结合农作物的生长特点和培育计划，给用户一个最终的解决方案。

（3）传输层：是一个网关，对收集到的数据进行控制指令译码，并且对这些译码进行路由封装，形成一个数据单元，这种单元通过3G和GPRS方式进行无线传输。

（4）采集层：负责大棚温室作物生长信息的采集。通过对农作物生长的土壤、大气、湿度和温度这些要素设置传感器，对周围环境进行实时采集，并将数据传输到软件核心架构层进行分析，通过不同传感器的数据分析，进而控制肥料浓度和灌溉水量、风机等一些参数，实现温室控制管理的智能化和自动化。

2 智能温室功能设计

2.1 智能实时监控

通过PC端或者移动智能终端查看智能温室作物生长的土壤湿度、空气湿度、光照强度、二氧化碳的浓度和氧气的浓度、空气温度等的实时环境信息，通过PC端查看温室监控视频，并且还可以保存大棚环境录像文件。

2.2 智能预警系统

（1）智能温室系统对历史数据进行大数据分析，每个温室不同环境参数设置阈值。如果超出阈值，系统可以根据用户的设置，通过网络用系统消息和手机短信等方式提醒相应管理者。

（2）这些预警机制触发的信息可根据用户个人灵活配置，根据每个客户需求可以配置不同的内容，在最大程度上满足所有客户的个性化需求。

（3）可以根据保存的报警记录查看当前关联的温室设备，更加快速和及时地远程控制温室设备，更加高效地处理温室环境问题。

2.3 远程RPC控制

智能温室系统通过目前最先进的远程工业自动化控制技术，让每个用户足不出户远程RPC控制智能温室设备。客户可以自己设置，让每个温室设备随环境参数变化进行自动控制，比如说当土壤湿度过高时，温室排风机开始工作。并且提供智能手持设备用户交互端，让每个客户可以通过手机在任何地点远程控制温室的所有设备。

系统由信号转换器、信号控制器、传感器、PC和3G信号转换器等设备组成。信号控制和信号转化器通过物联网技术进行无线连接，每个信号控制器和信号转化器下面可同时连接多部终端设备，并且所有智能手持终端、计算机进行自动组网，非异步工作。信号控制器和信号转化器与计算机或智能手持设备中断，则通过移动或3G或有线通讯网络连接或串口连接。

信号控制器和信号转换器在智能温室大棚中处于比较核心的地位，几乎所有传感器采集到的数据都要汇集到信号转换器中，所有对终端的控制指令也都要通过信号转换器向下发送。计算机终端机通过局域网或网络直接打开信号转化器和信号控制器后，可进行系统配置、采集网络管理、数据查看、图表的绘制、导出数据等操作。信号控制器也具备远距离传输能力，智能温室通过信号转换器将所有的设置数据以及采集到的数据通过网络传输到服务器上，这种模式支持多用户同时登陆网络服务器对网关的数据进行查看。

2.4 智能温室数据分析

智能温室大棚可以对采集到的数据進行分析，并且可以和以往保存的历史数据进行对比。同时支持图表和列表两种不同方式查看，每个客户都可以通过计算机或智能手持移动设备查看历史数据曲线。和农业生产的服务器数据建立统一的数据模型，智能温室大棚系统通过数据挖掘、大数据等技术对相互关系进行分析，给出更适合农作物生长、最能提高农作物产量的环境参数和辅助决策。

3 系统开发

3.1 嵌入式环境搭建

3.1.1 开发环境

硬件：2440开发板、JLINK仿真器、USB转串口、网线、 64位Windows系统的计算机。

软件：Linux-2.6.31版本的内核源码、装有Ubuntu系统的虚拟机Virtual-box、arm-linux-gcc-4.3.2交叉编译工具链、busybox-1.15.2，mkyaffs2image、SecureCRT 6.1串口终端、Uboot、J-Flash ARM V4.02d、DNW软件。

3.1.2 搭建過程

（1）烧写Uboot。烧写Uboot有两种方法：一种是直接使用厂家提供的Uboot镜像文件；第二种是根据开发板的参数以及自己需要的功能进行烧写。

（2）编译内核。将Linux-2.6.31的源码解压到虚拟机Ubuntu下，用命令make menuconfig配置内核，一般配置内核功能的网卡、USB、LCD、开发板型号和文件系统，最后用命令make uImage在arch/arm/boot目录下生成了linux内核的镜像文件zImage。

（3）制作文件系统。将busybox-1.15.2、mkyaffs2image的压缩文件解压到虚拟机Ubuntu下，制作好各个目录及文件，利用busybox-1.15.2制作精简指令集，将其拷贝到制作好的/bin目录下，在/etc/init.d/rcS文件中写上开机需要执行的指令，指定本机的IP地址和挂载nfs到服务器，为了方便与虚拟机通信，最后用mkyaffs2image目录中的mkyaffs2命令把刚才制作好的各个目录文件制作成文件系统myyaffs2。

（4）配置虚拟机Ubuntu，启动NFS服务，将来开发板可以挂载文件到虚拟机服务器上，实现文件共享。

（5）利用DNW软件和开发板上的USB接口，启动开发板，从NorFlash启动，进入Uboot控制界面，用USB传输将之前制作的内核镜像zImage和myyaffs2烧写到开发板的NandFlash中。

3.2 传感器驱动

（1）所需传感器。

DS18B20温度传感器、土壤湿度计检测模块、BH1750光照传感器模块、MH-Z18二氧化碳气体传感器、空气湿度传感器SHT11。

（2）驱动的编写。

我们采取的是ARM架构的开发板，搭载的是Linux操作系统，需要编写每个传感器的驱动，然后加载到内核中，应用程序就可以调用这些驱动接口，从而控制相应的传感器。

DS18B20温度传感器驱动首先调用在模块初始化函数中创建设备文件，并且绑定文件的操作函数。再分别实现这3个函数，ds18b20_open（）完成传感器的初始化，即对传感器进行寻址，并进行寄存器的设置，使其完成相应的功能，ds18b20_read（）完成对传感器数据的采集，应用程序调用read函数时就是调用此函数作为接口，ds18b20_close（）函数完成一些传感器驱动中释放动态分配的内存，一般为空函数。ds18b20_exit（）函数完成一些结构体的释放。最后用这两个函数修饰初始化函数和离开函数，使其能在加载驱动模块和卸载模块时发挥作用。

4 结语

智能温室控制系统通过应用现代电子信息技术于传统温室种植中，运用传感器实时监测温室内外温度、二氧化碳浓度等关乎农作物生长的重要环境因子，同时处理器根据监测结果，采取相应措施并调用相关设备来控制温度等环境因子，使农作物处于最佳生长环境，加快植物生长速度，从而缩短植物生长周期，基于ARM-Linux智能温室提高了农作物的经济效益，降低了人力成本，提高了我国的农业科技水平，实现了农业种植智能化管理。

参考文献

[1] 于合龙，刘杰，马丽，等.基于Web的设施农业物联网远程智能控制系统的设计与实现[J].中国农机化学报， 2014，35（2）：240-245.

[2] 闫晓军，王维瑞，梁建平.北京市设施农业物联网应用模式构建[J].农业工程学报，2012，28（4）：149-154.

[3] 秦琳琳，陆林箭，石春，等.基于物联网的温室智能监控系统设计[J].农业机械学报，2015，46（3）：261-267.

[4] 葛文杰，赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J].农业机械学报，2014，45（7）：222-230.

[5] 路康，马斌强，刘美琪，等.温室动态参数测试系统的设计[J].河南农业大学学报，2008，42（3）：330-333.