基于ARM的嵌入式土壤水分、温度定点监测及远程传输系统的应用.doc

基于ARM的嵌入式土壤水分、温度定点监测及远程传输系统的应用 湿地是人类重要的生存环境之一。拉姆萨尔湿地公约定义湿地是指天然或人造、永久或暂时之死水或流水、淡水、微威或咸水沼泽地、泥炭地或水域，包括低潮时水深不超过6m 的海水区。同时又规定可包括邻接湿地的河湖延岸、沿海区域以及湿地范围的岛屿或低潮时水深不超过6m 的区域川。湿地具有巨大的环境功能和效益，在涵养水源、净化水质、调蓄洪水、控制土壤侵蚀、补充地下水、美化环境、调节气候、维持碳循环和保护海岸等极为重要的生态功能等方面有其它系统不可代替的作用，被誉为地球之肾与森林、海洋一起被称为地球的大生态系统。我国是湿地大国，湿地面积位居世界第四、亚洲第一。我国目前的湿地管理已经进入湿地生态系统管理阶段，建设湿地生态环境远程实时监测系统是首要任务。湿地土壤水分、温度定点监测及远程传输系统通过远程实时监测生态环境的重要参数是浙江托普仪器的BNL-GPRS，监测污染等突发事件和环境急剧变化所影响的区域的生态环境状况，并进行准确、快捷地评估，为湿地的管理提供准确、及时的数据保证。因而，本研究以黑龙江省安邦河湿地为试验区，基于ARM 的嵌入式技术和元钱局域网技术相结合，研究建立嵌入式湿地监测管理系统。 1 研究区概况与方法 安邦河湿地省级自然保护区位于黑龙江省集贤县东北45 km 处，总面积10 295 hm2 , 1993 年建立安邦河县级湿地自然保护区， 1996 年晋升为市级湿地自然保护区， 21 年晋升为省级自然保护区。安邦河湿地自然保护区总面积10295平方米 ，其中核心区面积3980平方米 ，占保护区积的38.7% ;缓冲区面积2436平方米 ，占保护区面积的23.7% ;实验区面积79平方米占保护区面积的37.6% 。保护区气候属温带大陆性季风气候，冬季长、寒冷而干燥;夏季短、温热而多雨，属于内陆湿地和水域生态系统保护区类型，是三江平原湿地的重要组成部分。 1. 1 湿地监测的内容、指标与现状 湿地监测是湿地管理过程的有机组成部分，是对湿地保护区管理行为的反馈。监测资料库将使管理者既能跟踪湿地的环境状况，又能跟踪对湿地的特殊威胁，并且能方便地利用监视资料生成其它数据表及报告。湿地监测内容主要包括:监视l 不同尺度上的生物多样性;监视生态系统的健康状况或其完整性;监测特殊的威胁或压力;监视环境状况和人类影响i 监测便于变化在地区水平上的反映监视游客数量和财政收入;监测地区发展和湿地保护区之间的相互作用等。研究者依据各自不同的研究目的，选择监测指标对湿地进行监测2J 。传统的地面监视即湿地野外观测是定点定时的人工采样观测，但是随着科学技术的发展，传统的地面监测方法在数据精度、时效等方面渐渐不能适应现代化的要求了。目前的电子计算机和自动化技术已经发展到非常成熟的阶段，湿地监测也渐渐地引入了自动化连续观测技术，主要体现在湿地气象观测、湿地水质观测、湿地面积变化等方面。自动观测系统在可靠性、稳定性方面能够达到比较高的要求，而且自动化观测具有数据精度高、灵敏度强、分辨率好等特点，基于现代电子技术的自动化仪器成本也在逐渐下降，可以在较大的密度和范围内设置观测站点，在空间、时间上相对于传统观测方法都是非常高效的。1. 2 研究方法 基于湿地监测的特点，为实现湿地的自动化远程监测，本研究提出基于ARM 的嵌入式系统监测平台，硬件设备：浙江托普仪器-土壤水分、温度定点监测及远程传输系统BNL-GPRS系列。研究基于ARM+WLAN( 元钱局域网)的嵌入式系统用于湿地生态信息的自动化监视。相对于其它湿地监视IJ 手段， ARM + WLAN 有如下优点:高性能的AllM 微处理器可在硬件上实现高速、高精度的数据处理及通信能力;WLAN 技术成熟，能提供高速、稳定的网络连接，摆脱了传统有线监视IJ 网络布线限制，减少了对湿地生态环境的影响，监测点的设置可以更加灵活;系统成本低，相对于人工采样及传统监测站等方法，人工和设备费用大大降低。可实现密集部署，密集部署多个监视点，可以对大范围湿地环境的每个小区域进行监测。整个系统包含2 个部分:湿地嵌入式监测系统(以下简称WEMS) 和控制中心信息管理系统(以下简称CCMIS) 。系统技术路线见图l 。一个完全封装了WLAN IEEE 802.11 b/g 的模块，主要应用于手机、VoIP 无线电话、PDA 、M凹、数码相机等，该模块体积小，仅13 mm x 13 mm ，支持Linux , WinCE 等多种嵌入式平台，支持802. 11 b/g 标准。提供SDIO 及SPI 接口，可以用S3C24 1Ox 连接。本系统采用SDIO 方式连接， SDIO 有3 种信号发送模式:SPI ， 1 位数据、4 位数据， 1 位数据和4 位数据接口模式，见表l 所示。ARM (Advanced RISC Machines) 是一种技术的名字，是对一类微处理器的通称，同时也是一个公司的名字。目前，采用ARM 技术知识产权(IP) 核的微处理器(即通常所说的ARM微处理器)已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统和无线系统等各类产品市场。ARM 微处理器具有如下特点:体积小、低功耗、低成本、高性能;支持mmb( 16 位)和ARM (32 位)双指令集;大量使用寄存器，指令执行速度快;寻址方式灵活简单，执行效率高山。ARM 是嵌入式系统使用最广泛的一类微处理器，以此作为主控芯片可在硬件上实现高速、高精度的数据采集处理通信系统。元线局域网WLAN (Wireless Local Area N etwork )是固定局域网的一种延伸，没有钱缆限制的网络连接，相对于有线网络具有较好的灵活性和移动性。IEEE802.11x 是一个无线局域网标准，包括a 、b ， eJ、g 、i 和j 等。已经成为正式标准且广泛应用的有a 占、g。802. 11 a 的工作频率为5 GHz ，使用正交频率划分多路复用(OFDM) 的多载波调制技术，物理层速率可达到Mb/s ，传输层可达25 Mbpso 802.11 b 的载波频率为2.4 GHz ，调制方法采用补偿码键控(CKK) ，传输速率能够从11 Mbps 自动降到5.5 Mbps ，或者根据直接序列扩频技术( DSSSS) 调整到2Mbps 和1 Mbps ，以保证设备正常运行与稳定。802.11 a 优势在于传输速率快(最高54 Mbps) 且受干扰少，但价格相对较高;802.11 b 的优势在于价格低廉，但速率较低(最高11 MbpS)o 802.11g 是802.11 b 的继任者，使用与802.11 b 相同的2.4 GHz 频段，与802. 11 a 相同的正交频分多路复用(OFDM) 技术，最高可达到Mbps 的数据传输率，室外最大传输距离为300 m 左右，在使用高增益天线时，传输距离可达到几公里。目前，基于802.11 g 的产品已经非常成熟，许多产商都开发了同时支持802. 11 a/b/ g 的产品。基于湿地监测一般是远距离野外监测和元钱局域网的特点，本文采用基于802.11 g 的无线网络作为系统的通信手段。 2 系统设计与实现 2.1 WEMS 硬件设计WEMS 硬件平台结构框架见图2 。系统采用Samsung 的S3C2410x 芯片为核心，这是一款ARM920T 架构的16/32 位嵌入式处理器，主要面向手持设备及高性价比、低功耗的应用。其主要特性有:基于ARM920T内核，自带16 阔的指令缓存和16 阳的数据缓存以及MMU单元，工作时钟频率最高可达203 MHz ，拥有丰富的片内外设，如USB( 一个Host ，一个Device) 、SDRAM 控制器、LCD 和触摸屏控制器、UART(3 个)、DMA 、Timer 、RTC 、口S 、口C 、SPI等，同时还有丰富的110 端口资源，是一款性价比很高的ARM 核SOC 芯片。系统无线通信模块采用Accton 公司的WM3236A ，这是数据采集模块使用瑞士Sensirion 公司推出的基于CMOSensTM 技术的新型温湿度传感器SH171 ， SH171 系列为插针型温湿度传感器芯片，具有以下特性:全量程标定，两线数字输出; i显度测量范围:0 -100%; 温度测量范围: -40 -+ 123. 8 C ;湿度测量精度: :t 3. 0%; 温度测量精度: :t O. 4C;响应时间:小于8 s; 低功耗(typ. 30W) ;可完全浸没。该传感器可直接通过fc 总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，可减少接口电路的硬件成本，简化接口方式。SH171 的4 个针脚功能见表2 。此外，硬件设计部分还包括:存储单元，电源管理，人机交互单元等。存储单元采用了64M 的SDRAM ， 2M 的NORFLASH 和64M 的NAND FLASHo NOR FLASH 主要用来存储程序代码， NAND FLASH 主要用来存储数据以及部分程序代码。S3C24 1Ox 支持NOR 和NAND2 种方式启动，可以通过配置S3C24 1Ox 的OM1:0J 来选择CPU 的启动方式。电源单元采用模块化设计，输入+5 V 、输出稳定的+ 3.3 V 和+5 V 分别供给通信模块和处理器使用。在系统设计实现中加入了多级稳压电路和高精度低功耗CMOS 线性调压电路，使电压稳定。电源管理芯片具有过热和过流保护功能，起到电源管理的作用。人机交互单元包括键盘， LED 显示等。 2.2 WEMS 软件设计 嵌入式系统软件设计主要包括操作系统、驱动程序和应用程序。操作系统本文选用uClinux o uClinux 是一种开放源码的嵌入式Linux 版本，是micro - Control - Linux 的缩写。它经过各方面的小型化改造，是一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式LinllX ，虽然它的体积很小，但是仍然保留了Linux 的大多数优点:运行稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持，以及标准且丰富的AP1 。关于编译开发环境的建立，基于u以叫Clim一般是由目标系统硬件牛开发板和宿主P眈C 机所构成的。硬件开发板用于操作系统和应用软件的运行，而操作系统内核的编译、应用软件的开发和调试则需要借助宿主PC机来完成。双方之间一般通过串口建立连接。系统工作时的执行流程见图3 0首先，通过f供共电单元提供的电源进行系统上电;接着启动Bo0创t叫loade凡r ，开始加载 llClim的初始化进程，在存储单元准备就绪后，初始化进程的顺序为:显示单元(触摸屏IT阿LCD 液晶显示屏)、GPIO( 通用输入输出接口)和WLAN 元线通信模块;如果外设未初始化成功，将重新进行初始化，成功后则准备接入元钱网络;开始加载网络协议( Point - To - Point Protocol 、TCP/IP) ，;b日载成功后执行用户应用程序;系统使用结束后，关闭主程序，系统工作执行结束。 2.3 CCM1S设计 控制中心信息管理系统( CCM1S) 实现一个数据库应用系统，使用MS SQL Server 做数据库服务器，基于ASP. Net 技术组建一个B/S 架构的信息系统。 系统实现的功能包括:数据库:建立一个中心数据库服务器，用以保存监测数据;通信模块:负责与监测点的嵌入式系统进行以太网通信，在TCP/IP 协议基础上实现通讯内容的编、解码，数据的发送和接收;查询模块:实现各种监测指标的查询，统计等功能;管理模块-对数据库、通信模块、查询模块等进行统一管理，维护各模块间的联系与运行。 3 结果与分析 温度是湿地气象环境监测的基本指标，为了测试WEMS 系统性能，本研究以温度指标为例进行数据采集实验。外业在5d内选择5 个实验点分别进行实时监测。实验时，将CCMIS 服务器的IP 设置为192. 168. 1. 1 ，放置在办公室内， WEMS 的1P 设置为192. 168. 1. 1，放置在室外。元线局域网的拓扑结构有2 类:无中心拓扑(对等式拓扑， Ad H)和有中心拓扑( Infrastmcture) ，本研究使用第2 种方法建立元线局域网络，此时需要一个AP( AccessPoint 元钱访问节点)充当中心站，相当于无线路由器，WEMS 与AP 的距离为50 -1 m 左右， AP 与CC阳S 的距离在10m 左右。数据采集时间间隔设置为30 min 1次，每采集1 次温度后向监视IJ 中心通信模块发送1 次采集数据。实验监测到各个时刻的温度数据见表3 。实验结果表明，系统实现了远程实时采集温度数据的功能。在实际应用中，可以密集布点建立一