（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式系统的农业环境监测系统的研究.pdf

湖北2 - 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do fg l o b a li n f o r m a t i o na n dd i g i t i z a t i o n ，t h e g l o b a l a g r i c u l t u r e a l s oh a sb e e nt r a n s f o r m e df r o mt r a d i t i o n a l a g r i c u l t u r e t om o d e m a g r i c u l t u r e ；a n dm o r e o v e r , r e a l i z i n gt h ea g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o na n dt h ed i g i t i z a t i o na r e t h ei m p o r t a n ts y m b o l sa n dt h ec o r et e c h n o l o g i e so fm o d e ma g r i c u l t u r e a g r i c u l t u r ei s o b v i o u s l ya f f e c t e db ye n v i r o n m e n t ；t h e r e f o r e i t s e x t r e m e l yi m p o r t a n tt om o n i t o rt h e e n v i r o n m e n ta n dt h eb i o l o g yi n f o r m a t i o n d r a wl e s s o n sf r o mt h ea p p l i c a t i o no ft h ei n d u s t r i a lf i e l dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ， d e s i g n i n ga g r i c u l t u r ee n v i r o n m e n t a lr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e e m b e d d e ds y s t e m ，r e a l i z i n gt h es e a m l e s sl i n k a g eb e t w e e nb o t t o mm o n i t o ra n dc o n t r o l o fd a t ag a t h e r i n ga n dt o pm a n a g e m e n tn e t w o r ko fi n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i n g ，w h i c hn o t o n l yg r e a t l yi m p r o v et h es y s t e mc o s tp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oi m p r o v et h es y s t e m s i n t e g r a t i o n sa n dt h es t a b i l i t y t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tb a s e do nt h e e m b e d d e d s y s t e mw i l lb ea ni m p o r t a n tt e n d e n c yo fa g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o nm o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t ，w h i c ha l s o w i l lb ef o u n d a t i o n so fe s t a b l i s h i n gt h e m o d e r n i z e d a g r i c u l t u r em a n a g e m e n t ，t h em a n a g e m e n t ，t h e c o n t r o l i n t e g r a t e d i n f o r m a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e m o t ed i s t r i b u t i o n ，v o l a t i l ev a r i a t i o na n d d i v e r s i t yf o ra g r i c u l t u r a lo b j e c t s ，as y s t e md e s i g ns c h e m eo ft h er e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mf o ra g r i c u l t u r a le n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nw a sp r e s e n t e d 。 t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t i o n ，t r a i t sa n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o n so f t h ee m b e d d e ds y s t e m ，a l s oe x p l a i n e dt h ec o n n e c t i o n sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w o s y s t e m s a n dt h e nl e a du st ot h es y s t e md e s i g ns c h e m eo ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m f o ra g r i c u l t u r a le n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n ，t h ed e s i g n i n ga n da c t u a l i z i n gw a y sb o t hi n s o f t w a r ea n dh a r d w a r e i ta l s oi n t r o d u c e dt h ec o n d i t i o n sa n ds t e p so fp o r t i n gl a c o s i i r e p r o g r a ma n d r e d e s i g np a r to ft h ec o d ei na l l u s i o nt ot h ew 7 8 e 5 16 bc h i p s a c t u a l i z e dt h euc o s 一 p o r t sa n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a me x p l o i t a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep o r t i n g r t c o s 1 1w o r k s f i n a l l y ti ts u m m a r i z e da n dp r o s p e c t e dt h i ss y s t e md e s i g n k e y w o r d s ：d i g i t a la g r i c u l t u r e ，r e m o t em o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m ，1 1c o s l i ，u l p 讯嘉亡工絮火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导f ，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 五漾 日期： 湔年 月，o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 日期：砌6 年歹月，o 日 日期：抄6 年r - 月f 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 在全球信息化和数字化背景下，全球农业也i 白传统农业和现代农业向数字化 农业方向转变。数字农业又叫精细农业或信息农业【| i 。具体地讲，数字农业是对有 关农业资源( 植物、动物、土地等) 、农业生产( 生产品种引进，作物栽培、病虫 防治、厅发利用) ，农业管理等类数据的获取、存贮、处理、分析、查询、预测、 决策支持的一个系统总称。近年来，数字农业( 精细农业) 的范围除了农业( 耕 作) 外，还包括精细园艺、精细养殖、精细加工、精细经营与管理，甚至包括农、 林、牧、种、养、加工、生产、供销等全部领域。数字农业技术系统以大田耕作 为基础，定位到每一寸j ：地。它从耕地、播种、灌溉、施肥、中耕、田间管理、 植物保护、产量预测到收获、保存、管理的全过程实现数字化、网络化和智能化； 应用遥感、遥测、遥控、计算机等先进技术，以实现农业生产的信息驱动，科学 经营、知识管理、合理作业。它以促进农业增产为目的，使每一寸土地都得到最 优化使用，形成一个包括对农作物、土地和土壤从宏观到微观的监测预测、农作 物生产发育状况以及环境要素的现状和动态分析等在内的信息农业技术系统。 数字农业也就是实现农业信息化 2 j ，其实质是充分利用信息技术的最新成果， 全面实现农业生产、管理、农产品加工、营销以及农业科技信息和知识的获取、 处理、传播和合理利用，加速传统农业的改造，大幅度地提高农业生产效率、管 理和经营决策水平，促进农业持续、稳定、高效发展进程。农业信息技术就是实 现农业各种信息采集、处理、传播、贮存等方面的技术。根据信息技术在农业应 用领域的不同主要分为气象遥感技术、卫星位技术、农业专家系统、农业自动化 技术和互联网络技术等。 其中的农q k 自动化技术就是通过计算机对来自于农、l k 生产系统中的信息进行 及时采集和处f 甲，以及根据处理结果迅速地去控制系统中的某些设备、装置或环 境，从而实现农业生产过程中的自动检测、记求、统计、监视、报警和自动启停 等。 现代网络信息技术的不断完善为农业信息技术的发展提供了j 一阔的空间和机 遇。借鉴工业测控领域的应用，设计基于嵌入式系统的农业环境远程监测系统， 将数据采集的底层测控网络与信息发布的上层管理网络实现无缝连接，不仅大幅 度提高了系统性能价格比，而且提高了系统的集成性和稳定性。因此，基于嵌入 式技术的研究丌发，将是农业信息l 瞌测控制系统发展的重要趋势，也是建立现代 湖北工业大学硕士学位论文 化农业经营、管理、控制一一体化信息系统的基础川。为此提出了基于w e b 和嵌入 式操作系统i 1c o s i i 的分析i 式农业环境远程监测系统 1 1 课题的来源、目的及意义 从农业环境监测领域来讲设施农业在地域上分散分布，要总揽现场环境信息 和作物生长状况，或要实现对分散在各地的现场进行状态监测，没有一个远程环境 峪测系统是很困难的。目前，为了实现远程监控技术，国内外在这方面的研究有 不同的解决力案。所采用的方案包括基于i n t e r n e t 的远程监控技术、嵌入式 w e b 服务系统、g s m c d m a g p r s 无线网络的远程监测系统，等等。在总线结 构设计，j 面，有的采用分布式的系统：有的采用多传感器集成方式( 集【 j 式) ，将 多个传感器集成在个监控模块i ；有的采用集中分徊式相结合的结构。只 前f l 本、美国等国家在农业环境监测领域走在世界前列，在同本，农业信息技术 研究者n i 在大力开发基于网络的分斫i 式决策支持系统，以期为农民提供更完善的 农业生产决策工具。在这一系统中充分利用了f 本网络技术应用的普及性，农民 可以通过多种途径获得农业信息技术支持，例如，利用手机的上网功能，随时随 地获取各种气象数据、种植信息、植保信息等。最近开发的f i e l d s e r v e r 则更为农 民提供了无处不在的网络环境，通过f i l e d s e r v e r ，农民可以随时获得实时的小气候 数据，更可以通过f i e l d s e r v e r 所提供的网络环境直接访问决策支持系统，获得实 时的支持。而国内相对比较落后，传统的农业环境信息采集系统大都由模拟传感 采集数据，通过a d 转换，由r s 一4 8 5 总线传输数据接入p c 机进行现场监测。使 用现场p c 机监测存在很多问题：由于农业环境相对恶劣，例如湿度大、粉尘多、 有腐蚀性气体浓度高等，p c 机放在现场容易加速p c 元器件的老化，甚至无法工 作；p c 机的费用较高造成性能价格比低；r s 一4 8 5 总线传输距离相对较短，一般小 于1 2 0 0 m ，无法实现远程监测。闻此国内农业环境的远程监测上存在“最后一 公驻”的问题尤其突出。 本课题来自围家高新技术“8 6 3 ”项目“l 二壤j 作物信息快速监测技术研究 ( 2 0 0 3 a a 2 0 9 0 4 0 ) ”。本人自2 0 0 5 年9 月以来，以客座研究生的身份在中圈农业 科学研究院农业环境与可持续发展研究所进行该课题的研究。浚课题是本人在参 考了大量的文献资料和充分利用幽际互连网上的免费资源的情况下完成的。 使用基于r s 一4 8 5 总线的数据采集技术和基r 嵌入式操作系统的i n t e r n e t 的 远程数据传输技术实现远程农业环境监测，即在远离农业现场的异地，通过嵌入 式操作系统进行温室设施的温、湿度等环境数据的采集读取，并通过i n t e r n e t 传 至远程服务器上，极人地提高了l ：作效率、方便了用户。使用该技术主要j 以下 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统概述 2 1 什么是嵌入式系统 由于目前嵌入式系统已经渗透到日常生活中的各个方面，在工业、服务业、 消费电子、围防科技等领域的应用范围不断的扩大，使得很难以给出“嵌入式系 统”个明确的定义| 4 i 。根据i e e e 的定义，嵌入式系统是“控制、监视、或者辅 助设备、机器和车i h 运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s t t h eo p e r a t i o no fe q u i p m e nl m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 卜i 。这主要是从应用上加 以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还ij 以涵盖机械等 附属装胃。不过上述的定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一 个被普遍认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的号用计算机系统。 可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义： l 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的它必须与具体的应用相 结合爿会具有生命力、才更具有优势。即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具 有很强的专用性，必须结合实际的系统需求进行合理的裁减利用。 2 系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度 分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统必须根据应用需求可以对软件硬件进行剪裁，满足应用系统的 功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件 基础，然后在其上开发出适合各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前 嵌入式系统的核心往往只有几k b 到几十k b 的微内核，需要根据实际的需要进行 功能扩展或者剪裁，但是【于微内核的存在，使得这种扩展能够顺利的进行。 乱同时嵌入式系统本身是一个外延极厂的名词。儿怂o 产r i 结合在一起的 有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时候很难给它下一个很准 确的定义。现在人们讲嵌入式系统的时候，某种程度 ：是指近年来发展很快的具 有操作系统的嵌入式系统，本文也沿用这一观点。 2 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统与通川计算机系统相比，具j j 一些白己的特点r 面分| ：| j 列出其中的主要力 湖北工业大学硕士学位论文 面。 1 面向特定应用( s p e c i a la p p l i c a t i o no r i e n t e d ) 嵌入式系统与通用型计算机系统的最大不同点就是嵌入式系统大多工作在为 特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够 把通用c p u - p 许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利f 嵌入式系统设 计趋于小型化，移动能力大大增强。 2 高度密集( h i g h l yc o m p a c t ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和微电子技术以及各个行业 的具体应用相结合后的产物。这就决定了它必然是一个技术密集、经验密集、资 金密集、高度分散但管理集中、不断创新的知识集成系统。 3 生命剧期长( l o n gl i f e c y c i e ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，凼此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 4 程序可固化( r o m a b l e ) 为了提高执行速度，增强系统的可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存 储器芯片或微控制器本身中，而不是存贮于磁盘等载体中，这点就与通用计算机 系统有本质的区别。 2 1 2 嵌入式系统的分类 按照不同的标准对嵌入式系统分类，可以有不同的分类方式，这里根据嵌入 式系统的复杂程度以及所实现的功能的复杂程度将嵌入式系统分成以下几类： 1 功能单一型 这类系统可以在小型设备如数字化的传感器、烟雾和气体探测器以及一些比 较简单的应用中找到。这类设备一般根据设备的某个特定的用途来设计。因为所 要实现的功能往往比较单一，所以一般只由颗单独的嵌入式微控制器和一些相 应的外围i 殳箭组成，并且外围设备也不是很复杂，具有体积小、造价低、易于实 现等特点。 2 多种功能型 这类系统一般并不局限于实现某个特定功能，往往具有两种或两种以上的功 能。该类系统虽然可能只由一颗嵌入式微控制器和外围设备共同组成，但外围设 备往往比较复杂而且种类较多，如激光打印机、光驱、数码相机等，该类系统一 般具有数字化、智能化的特点。 3 复杂多功能型 湖北工业大学硕士学位论文 相对上面两种类型的嵌入式系统来说，这类系统的复杂程度和功能的多样性要 高的多，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作，这类系统包括 自动仓储系统和自动发货系统等。在这些系统中，计算机用于总体控制和监视， 而不是对单个设备直接控制。过程控制系统可与业务系统连接( 如根据销售额和 库存量来决定定单或产品量) ，在许多情况下，两个功能独立的子系统可在一个主 系统操作下i 司时运行。如控制系统和安全系统，控制子系统控制处理过程以使系 统中的不同设备能正确的操作和相互作用以生产产品：而安全子系统则用来降低 那些会影响人身安全或危害环境的误操作风险。 2 1 3 嵌入式系统的应用领域 p c 机主要应用在办公室自动化领域，丽嵌入式系统己经广泛渗透到人们的工 作生活中从家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、 军事装备、制造工业过程控制等j 。嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其 应用领域可以包括： i 工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大发展空间，目前己经有很大量的 8 ，1 6 ，3 2 位嵌入式芯片控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网 安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。 2 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获 得了广泛的应用，内联g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端在各种运输行业获得了 成功使用。 3 信息家电 这将成为嵌入式系统一个很大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化 将引领人们的生活步入一个崭新的空问。即使不在家，也可以通过电话线、网路 进行远程控制。 4 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用芯 片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。 5 p o s 网路及电子商务 公共交通非接触式智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机及各 种智能a t m 终端都有嵌入式系统的身影。 6 环境监测 湖北工业大学硕士学位论丈 第3 章系统设计 本系统是针对农业现场而开发的远程分布式环境监测系统，该系统是在考虑 到农业现场设备分布地点广、设备数量多、环境复杂等因素的基础上，结合计算机 监测技术、远程传输技术而开发的数据采集网络监测系统，但同样可应用于其他 领域环境的监测与应用。为了保证数据传输的可靠性、实时性，系统采用r s 4 8 5 总 线技术和u i p 网络通信相结合的方式，整个系统设计利用硬件电路和实时嵌入式 操作系统的任务调度柬实现数据采集，本地显示，并通过路由器接入i n t e r n e t ， 与远程服务器建立连接，由远程服务器接收数据，并完成数据存储，网页实时发 布等功能，实现了远程环境监测的殴计思想。服务器端程序开发使用m i c r o s o r v i s u a lc 十十6 0 ，它提供了完善的对w i n s o c k 的支持。 图3 1 系统设计幽 在uc o s tt 的调度下，微控制器采集的实时数据由u i p 协议栈打包，并通过 交换机接入| ：( 4 络，呼叫远程服务器的【臼定i p 地址以及端门号，远程j j | _ l 务器收到请 求以后，无误则响应并建立连接，然后解色并将数据存入s o ls e r v c r 数据库中， 实现数据存储。在此采用a s p n e t 技术实现动态网页发柑。在该页面实现实时数 据的显示，并提供历史数据的查询。用户操作则通过客户端浏览器( b r o w e r ) 访 问该页面，输入相关查询的参数查询实时数据或者历史数据，服务器埘浏览器的 数据提交请求进行处理，即进行数据分析计算、数据库存取、动态页面生成等工 作：最后w 曲服务器将模型运行结果返网到客，1 ，端浏览器。本系统结合网络通讯 x 湖北工业大学硕士学位论文 操作系统的调度下，分时、并发的运行。 2 内存管理 内存管理是将计算机的内存分成若干页面，对各个页面赋予不同的特性和访 问逻辑地址1 1 ”。利用内存页的不同特性，可以实现不同的访问特性。 3 文件系统管理 文件系统是计算机系统的一个重要组成部分【i ”。文件系统将计算机管理的大 量数据以特定的结构保存在存储系统中，这个特殊的数据结构就是文件。文件系 统一般建立在外存储器中，如磁盘、磁带、光盘等等，以满足数据容量的要求。 但是，在特殊的情况下，文件系统也可以建立在计算机的内存中。 4 设备驱动程序 在操作系统的管理下，应用程序不必要也不应该与底层的各种设备直接打交 道【1 9 】。应用程序可以经过操作系统提供的设备管理手段，即设备驱动程序，来使 用系统的设备。设备驱动程序一般包括对设备的初始化，检查设备状态，控制设 备动作，对设备进行读写操作等功能。 5 系统调用 一个操作系统的各项功能，往往通过一系列应用软件可引用的程序模块来实 现，称为系统调用函数或应用编程接口1 2 引。这些系统调用模块经过比较严格的测 试和实用考验，用他们作为整个应用系统的基础可以保障系统的稳定性和可靠性。 一个建立在操作系统平台上的应用软件i 2 ”，具有更多的优良特性： 借助于操作系统平台，应用软件获得了良好的可靠性； 应用软件可以不依赖或少依赖系统的底层硬件： 利用进程概念开发应用软件，使得应用软件有良好的结构； 操作系统提供的功能齐全的系统调用可以加速软件的开发 有利于团队式的应用软件系统的开发； 有利于应用软件的移植； 2 2 2 适合嵌入式系统的操作系统 操作系统的诞生的动因是为了解决大型通用计算机的硬件层屏蔽和多用，、多 任务管理【2 。经过多年的发展和演变，计算机操作系统的功能基本没有太大的变 化。只是已经从大型扩展到小型领域中，c p u 速度和内存空间都发展很快。而将操 作系统加载到一个嵌入式系统中确实是一个全新的突破。 对于嵌入式系统，它比通用计算机具有更简单的结构。它很可能在大多数的 情况下不需要配置c r t 显示器，不需要文件系统，由于内存空间较小也没有存储 湖北工业大学硕士学位论文 器管理功能。同时，嵌入式系统总是希望加载的操作系统软件不能占据过大的内 存空间，不能消耗过多的系统软硬件资源，这样就要求嵌入式系统的操作系统与 传统意义上的操作系统有很人的区别，要做到代码量小，对堆栈、寄存器、定时 器及中断等系统硬件的依赖要少，能在各种不同类型的微控制器上实现悼。 2 2 3 目前流行的嵌入式操作系统 1 w l n d o w sc e m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个3 2 位的多任务嵌入式操作系统。它的模块化 设计允许用户方便的进行定制。它是微软“维纳斯计划”的核心，包含了i n t e r n e t e x d l o r e r 的版本，可以和i n t e r n e t 实现连接、同步信息。操作系统的基本内核需 要至少2 0 0 k 的r o m 。从s e g a 的d r e a m c a s t 游戏机到现在大部分的高价掌上电脑， 都采用了w in d o w sc e 。但是价格太高，使得整个产品的成本急剧上升。 2 v x w o r k s 和d s o s v x w o r ks i 扫w i n d r i v e r 公司开发，是目前嵌入式系统领域中使用广泛、市场占 有率很高的系统吲。它支持多种处理器，如x 8 6 ，1 9 6 0 ，s u ns p a r c ， m o l o r o l a m c 6 8 x x x ，m i p sr x o o o ，p o w e rp c 等等。使用的是和u n i x 不兼容的环境， 大多数的v x w o r k sa p i 是专有的。采用g n u 的编译和调试器。 p s o s 由i s i 公司开发，是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式 微控制器设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高 性能和高可靠性。开发者可将操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需 的系统。开发者可以利用它来实现从简睢的单个独立设备到复杂的、网络化的多 处理器系统。 w i n d r i v e r 公司己经兼并i s i 公司，现在拥有两大r t o s 系统。 3 0 n x q n x 是一个实时、可扩充的操作系统，它遵循p o s i x 1 ( 程序接口) 和p o s i x 2 ( s h e 儿1 ：具) 、部分遵循p o s i x ib ( 实时扩展) i “”。它提供了一个f 艮小的微内核以 及一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服务：进程调度、进程间通信、底层网 络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它o s 服务，都实现为 协作的用户进程，因此洲x 内核非常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) 而且运行速度极 快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求将系统配置成微小的嵌入式操作 系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 4 p a l m0 s 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系 湖北_ y - 业大学硕士学位论丈 第3 章系统设计 本系统是针对农业现场而开发的远程分布式环境监测系统，该系统是在考虑 到农业现场设备分布地点广、设备数量多、环境复杂等因素的基础上，结合计算机 监测技术、远程传输技术而开发的数据采集网络监测系统，但同样可应用于其他 领域环境的监测与应用。为了保证数据传输的可靠性、实时性，系统采用r s 4 8 5 总 线技术和u i p 网络通信相结合的方式，整个系统设计利用硬件电路和实时嵌入式 操作系统的任务调度柬实现数据采集，本地显示，并通过路由器接入i n t e r n e t ， 与远程服务器建立连接，由远程服务器接收数据，并完成数据存储，网页实时发 布等功能，实现了远程环境监测的殴计思想。服务器端程序开发使用m i c r o s o f t v i s u a lc 十十6 0 ，它提供了完善的对w i n s o c k 的支持。 图3 1 系统设计幽 在uc 0 s tt 的调度下，微控制器采集的实时数据由u l p 协议栈打包，并通过 交换机接入| ：( 4 络，呼叫远程服务器的【臼定i p 地址以及端门号，远程j j | _ l 务器收到请 求以后，无误则响应并建立连接，然后解色并将数据存入s q ls e r v e r 数据库中， 实现数据存储。在此采用a s p n e t 技术实现动态网页发柑。在该页面实现实时数 据的显示，并提供历史数据的查询。用户操作则通过客户端浏览器( b r o w e r ) 访 问该页面，输入相关查询的参数查询实时数据或者历史数据，服务器埘浏览器的 数据提交请求进行处理，即进行数据分析计算、数据库存取、动态页面生成等工 作：最后w e b 服务器将模型运行结果返网到客，1 ，端浏览器。本系统结合网络通讯 湖北工业大学硕士学位论文 技术，充分保证了系统稳定、可靠的运行，软件开发具有极大的灵活性，同时模块化 的编程思想使系统软件易于升级和维护实现了农业环境数据采集系统底层网络与 信患发布上层网络的无缝连接。 3 1 硬件实现 本系统硬件部分是包含了网络通信和w e b 发布功能的微型处理器，根据系统的 特点选用的是性价比很高的8 位微控制器w 7 8 e 5 1 6 b ，它集成了前端的现场测控部 件，具有网络接口部件，其硬件结构如图3 2 所示： 图3 2 硬件系统结构图 其中的微型处理器( 微控制器) 引用嵌入式操作系统肛c 0 s i i 负责全体的运 行和管理；系统中的f l a s hr o m 存储器是用来存储运行在其硬件环境上的软件系 统的内核( pc 0 s i i ) 、t c p i p 协议栈：r a m 存储器存贮各种数据；前端现场测 控的l c d 直接完成对数据的采集、数据的显示等功能；网络接口部件通过r j 4 5 接 口和网线接入路由器实现与i n t e r n e t 连接；为了保证数据传输的可靠性、实时性， 系统采用r s 一4 8 5 总线技术、嵌入式操作系统和u p 相结合的方式。 3 1 1 传感器 数字传感器系中国农业科学院农业环境与可持续开发研究所自行开发的 t h m 1 0 1 空气温湿度采集模块，c d 1 0 l 空气二氧化碳浓度采集模块和p r i o i 光量 子采集模块，根据需要还可以增加其它传感器模块。下面以c d - 1 0 1 空气二氧化碳 浓度采集模块为例介绍该系列传感器。 6 湖北工业大学硕士学位论文 c d _ 1 0 lc 0 数据采集模块，是一体化的人气c o 含 建采集显h ；模块。采集 葜块 采i t 】防水型外壳，模块的上方是 乜路盒，嵌￥几c d ，引线山侧面引出，传感器 1 r f 方穿出暴露在卒气中，便于感应大气中的( 、0 变化。 c d1 0 lc o 采集模块的电路原理框幽见图2 3 。工作时，传感器的信号( 1 0 v ) 进入采集模块后首先进行降压的变换，然后山个1 2 化精度的a d d 变换器进行模数 变换，m c u 从a d c 中读取当前数据，并计算出c o 浓度，最后按照r s4 8 5 总线上的命 令，将数据送 。 堕 l 图3 3c d i o lc 0 采集模块电路原理框陶 该系列数字传感器通过r s 一4 8 5 线输出，并且可以通过l c d 显示实时数据。 根据应用数字传感器技术特性，大大简化了系统丌发过程i 、“。硬件系统是采用 r s 一4 8 5 e 2 , 线将所有数字传感器与监控计算机连接。r s 一4 8 5 总线是采用一对平衡差 分信号线的半双： 通信标准，由于采f t j 的平衡差5 h , q 号传输，使得信号在传输过 程中抗干扰能力相对于r s 一2 3 2 大大增强，传输距离可达1 2 0 0 m ，a i a 戎d , 传输速率 的情况下传输距离- 叮以高达到5 k m 甚至更远。 采f jr s 2 3 2 1 4 8 5 传输技术j w i 很多优点，龙i 世论 ：如求所川的转换麟有足够 的驱动能力，可在同一个总线j 二挂接商达1 2 8 个毖至2 5 6 个数字传感器。而实际 卜，在个温窄中所需要的传感器数翳一般不可能超过上| 述限制，应该能充分满 足需要。 3 1 2 微控制器 从8 0 5 1 系列微控制嚣的问世至今已有2 0 年了，一个微处理系统能，i - 存如此 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 k 的时问，本身就是一个奇迹， 、j 也说明t8 0 5l 系列的软硬件结构至今仍有生 命力。经过多年对8 0 5 1 系列的介绍和推，“，熟悉8 0 5 l 系列的人非常多借助f 嵌入式操作系统的威力，将给8 0 5 l 的应用带来新的春天。8 0 5 1 可以说仍是目前主 流的首选微控制器。 本系统采用的是w i n b o n d 公司的w 7 8 e 5 1 6 b 微控制器，w 7 8 e 5 1 6 b 是具有带 i s p 功能的f l a s he p r o m 的低功耗8 位微控制器；i s p 功能的f l a s he p r o m 可用于 固件升级。它的指令集同标准8 0 5 2 指令集完全兼容。w 7 8 e 5 1 6 b 包含6 4 k 字节 的主r o m 、4 k 字节的辅助r o m ( 位于4 k 字节辅助r o m 中的装载l o a d e r 程序，可 以让用户更新位于6 4 k 主r o m 中的程序内容) 为了方便用户进行编程和验证， w 7 8 e 5 1 6 b 内含的r o m 允许电编程和电读写。一嗵代码确定后，用户就可以对 代码进行保护 ”。 w 7 8 e 5 1 6 b 有2 种节电模式，空闲模式和掉电模式，2 种模式均【，九臼软件来 控制选择。空闲模式下，处理器时钟被关闭，但外设仍继续工作。在掉电模式下 品体振荡器停止工作，以将功耗降至最低。外部时钟可以在任何时间及状态下被 关闭，而不影响处理器运行。 其特性如下： 全静态设计的c m o s8 位微控制器最高达4 0 m h z 6 4 k 字节并带i s p 功能的f i a s he p r o m ，用来存储应用程序( a p r o m ) 4 k 字节的辅助r o m ，用来存储装载程序( l d r o m ) 5 1 2 字节片内暂存r a m ( 包括2 5 6 字节的软件可选的a u x r a m ) 6 4 k b 程序存储器地址空间和6 4 k b 数据存储器地址空间 4 + 8 位双向i o 口 一个4 位多功能可编程口 3 个1 6 位定时计数器 一个全双工串行口( u a r t ) 8 个中断源，2 级中断能力 内建电源管理 代码保护机制 处理器支持1 1 1 条不同的操作码，并可访问6 4 k 的程序地址空f h j 和6 4 k 的数据存 储空问。在传输速度不是很高的f 狩提下，可以很好地满足温室数据远程传输的要 求。 微控制器借助嵌入式操作系统进行任务调度，实现三个功能： 1 采集传感器的数据； 湖北工业大学硕士学位论文 2 驱动i 。c d 显示当前数撕： ： 驱动r t i 8 0 1 9 a s 实现网络传输。 3 1 3 网络接口部件 以太网经过2 0 年的发展成为当今t i 联网络中底层链接不可缺少的部分。在 某些应用领域，嵌入式设备在价格、体积及实时性等方面，有着标准计算机无法 比拟的优点嵌入式设备的网络化开发订管广阔的前景。在开发过程中，首先要解 决的问题之一就是与以太网的接r 】问题：如何利用通用计算机的网络接口器件应 用于嵌入式网络的开发。在本系统中，微控制器与【n l e rr l e t 通过网络接口控制器 十 i 连，选用的足由台湾r e a l t e k 公司d - ：p ：的高集成全双工的1 0m b p s 以太网控制器芯 片r t f 。8 0 1 9 a s 。它具有极佳的性价比，币好能满足这一需要。 r t l 8 0 1 9 a s 是一种高度集成的以太网芯片能简单的实现p l u ga n dp l a y 并兼 容n e 2 0 0 0 掉电等特性p 。由于它拥有三种等级的掉电模式，所以它是作为绿色 电脑的刚络设备的理想选择。在全双工模式下，如果是连接到一个同样是全双工 的交换机或集线器就呵实现同时接收和发送。这个特性虽然不能把传输速率从 i o m b p s 提高至l j 2 0 m b p s ，但是在执行以太网c s m a j c d 协议时可以避免更多的冲 突的发生。而m i c r o s o f t sp l u ga n dp l a y 功能就可以为用户减轻对资源配置的烦恼 ( 如i r q ，i o m e m o r ya d d r e s s 等) 。又或者是在一些特殊的场合，为了对一些 不支持m i c r o s o f t sp l u ga n dp l a y 的器件的兼容，r t l 8 0 9 1 a s 还可以选择跳线模式 或非跳线模式”7 i 。 为了完整的支持p n p ，r t l 8 0 1 9 a s 提供了自动监测t 0 b a s e t 集成收发器 ( r j 4 5 ) 还是a u i b n c 接口。除了1 0 b a s e t 可以自动极性修i f 夕b ，8 路中断请求 和16 位i ，o 地址都可以根据资源配置机动调节。 湖北工业大学硕士学位论文 幽3 4r t l 8 0 1 9 a s 日i 脚图 r t l 8 0 1 9 a s 支持1 6 k 、3 2 k 、6 4 k 字节的b r o m ，另外还支持f l a s hm e n o r y 和页访问方式，最大支持4 m 字节( 1 6 k 2 5 6 ) 。此外还支持在运行完b r o m 后， 释放内存以供系统其他程序的运行。 r t l 8 0 1 9 a s 可以实现以太网媒介访问层( m a c ) 和物理层( p h y ) 的功能，包括m a c 数据帧的收发、地址识别、c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，循环冗余检验) 编码 校验、曼彻斯特编解码、超时重传、链路完整性测试、信号极性监测与纠正等。 r t l 8 0 1 9 a s 内部的1 6k bs r a m 做微控制器的外部数据缓冲区，存储输入输出以太 帧队列。微控制器需要做的是在r t l 8 0 1 9 a s 的外部总线上读写m a c 帧。进而完成接 入网络的工作。外接的e e p r o m 用柬保存配置信息，如网关i p 地址和m a c 地址等。外 接的r j 4 5 接口通过交换机接入i n t e r n e t 。注意在r j 4 5 u 网络信号之问应加接一个 隔离l p f 滤波器。 3 2 软件设计 软件设计主要包括三个部分内容 务调度，二是r t l 8 0 1 9 a s 的驱动程序 一是使用嵌入式操作系统1 tc o s i i 进行任 三是使用小型t c p i p 协议栈u i p 实现 湖北工业大学硕士学位论文 数据网络传输。四是在远程服务器i ：处理收到的数据也并实现网络发布。 3 2 1 嵌入式操作系统uc 0 s 一 系统的性能参数往往被很多人认为是选择和评价实时操作系统的唯一重要的 指标。但从上面的描述中可以知道，嵌入式系统是面向具体应用的，而嵌入式操 作系统主要是为嵌入式系统服务的，而且对其性能起着决定的作用。所以可以说 嵌入式操作系统的选择是要根据系统的具体要求柬决定的【“j 。 从本系统要实现的功能和硬件的要求来看，首先要考虑的是嵌入式操作系统 的文档的可用性和易开发性。从这一点uc o s i i 具有明显的优势，uc o s i i 的源 代码的注解十分的详尽而且有着很多的成功开发例子可供参考。另外在硬件方面， 微控制器的选择也是一个重要的指标。本系统的微控制器选择的是微控制器而且 是8 位的微控制器。这样，r a m 和r o m 的大小就成了选择的瓶颈。在对这几种嵌 入式操作系统的比较中，uc o s i i 十分符合要求。 uc o s i i 是一个源代码