ARM-Linux嵌入式系统在农业大棚中的应用.doc

ARM-Linux嵌入式系统在农业大棚中的应用2007年第6期总第269ARMLinux嵌入式系统在农业大棚中的应用李国政,张强,杨红卫,陈卫东(河南工业大学信息科学与工程学院河南郑州450001)摘要:温度,湿度和二氧化碳浓度是影响棚栽农作物生长的3大要素.为了实现农业大棚中这3种要素数据的远程实时采集,引入了当前嵌入式应用中较为成熟的ARM9微处理器和Linux嵌入式操作系统技术,采用温度传感器PH100TMPA,湿度传感器HM1500和二氧化碳浓度传感器NAP21A,设计一种基于TCP/IP协议的嵌入式远程实时数据采集系统方案.从硬件设计和软件实现2方面对该系统进行具体阐述.在实际应用中,该系统运行稳定,可靠.关键词:嵌入式系统;ARM;Linux;远程数据实时采集;大棚监控中图分类号:TP274文献标识码:B文章编号:1004373X(2008)06019一o3ApplicationofEmbeddedSystemBasedonARMLinuxinAgricultureGreenhouseLIGuozheng,ZHANGQiang,YANGHongwei,CHENWeidong(CollegeofInformationScienceandEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou,450001,China)Abstract:Temperature,humidityandconcentrationofcarbondioxidearethreeessentialfactorsaffectedthegrowthofcropinagriculturegreenhouse.Inordertocollectthesedataremotelyandrealtimely,acurrentlyprevalentandmaturetechniqueofLinuxembeddedsystemontheARM9platformisintroduced,andtemperaturesensorPH100TMPA,humiditysensorHM1500andcarbondioxidesensorNAP一21Aareused.ArealtimedatacollectionsystembasedonTCP/IPisdesigned.Thissystemisdescribedwellfromsoftwareandhardware.Itisprovedbyactualapplicationthatthesystemisstableandreliable.Keywords:embeddedsystem;ARM;Iinux;remoterealtimedatacollection;monitoringinagriculturegreenhouse1引言农业大棚是我国农业发展史上的一个里程碑,他的出现极大地促进了该产业的发展和大众生活的提高.大棚内的温度,湿度和二氧化碳浓度是影响棚栽农作物生长的3大要素.虽然目前已经出现了一些基于现场总线技术的单片机为核心的自动检测系统,但由于农业大棚环境及本身技术因素的影响,并没有得到广泛的应用.随着嵌入式系统的广泛应用和计算机网络技术的迅速发展,嵌入式远程数据采集成为信息控制领域的一项新兴技术.传统的嵌入式远程数据采集系统一般基于8/16位单片机,其对外通信的方式主要有2种:一种是使用串口进行通信,虽然串口具有易用性但其传输距离有限,易受干扰等缺点制约了他的广泛应用;第二种是通过扩展的以太网控制芯片将传统的嵌入式系统网络化,但是8/l6位单片机的处理速度和内存空间很难满足嵌入式设备网络化,实时性的要求.近年来随着芯片技术和嵌入式操作系统的发展,这方面的问题得到了较好的解决,各种价收稿日期:20071114基金项目:国家十五科技攻关重点项目(2004BA523BO602)格低,运算速度快的32位处理器以及相应的各种嵌入式操作系统受到人们的广泛关注.2系统环境简介2.1ARM简介ARM(AdvancedRISCMachines)既是公司的名称又是产品的名称.ARM微处理器凭借性能卓越,扩充性好,成本低,能耗省等特点,广泛应用于各种领域.ARM公司既不生产处理器,也不销售处理器,只向世界着名半导体厂商出售技术授权.每个厂商得到的都是一套独一无二的OEM相关技术及服务.利用这种合伙关系,ARM很快成为许多全球性标准的缔造者.龙珠(DragonBal1)MC9328MX1是Motorola公司的i.MX系列微处理器,他嵌入了先进的低功耗ARM920T内核.该处理器带有16k指令缓存和16k数据缓存,两路通用UART,两路SPI,11通道DMA,两个通用32位计数器/定时器,Watchdog定时器,实时时钟/采样定时器,PWM模块,LCD控制器,通用I/0端口以及电源管理单元等部件,运行速度可达200MHz.这种高度集成化不仅方便系统的硬件设计,而且提高了系统的稳定性和可靠性.】9李国政等:ARMLinux嵌入式系统在农业大棚中的应用2.2LinuX简介Linux是源代码开放的类Unix操作系统.自LinusTorvalds于1991年首次发布以来,在广大Linux爱好者和Unix专家的努力下,Linux逐渐成为一个稳定可靠,功能完善的操作系统.Linux具有以下优异的特点:(1)采用模块化设计,源代码完全开放,任何人都可以根据需要任意修改并在GUN协议下发行;(2)具有强大的网络功能,能提供各种网络服务;(3)具有丰富的软件资源,几乎所有Unix下的应用软件都可移植到Linux平台上;(4)良好的开发环境,各种开发工具在开源爱好者的推动下不断发展;(5)支持多种体系结构,如ARM,SPARC,X86等(6)支持大量外围硬件设备.这些特点使得Linux在与传统商业化的嵌入式操作系统竞争中占有一席之地,并呈现不断扩展的局面.3系统结构组成本系统由嵌入式控制器,远程监控站,前端采集器和相应的分线器组成.前端采集器分为温度采集器,湿度采集器和二氧化碳浓度采集器.系统结构如图1所示.图1系统总体结构图嵌入式控制器通过基于TCP/IP协议的以太网和远程监控站连接,使用RS485现场总线与分线器连接.前端采集器分布在温室大棚中的各个监控点,负责实时地采集温湿度和二氧化碳浓度数据,然后将采集到的数据经分线器通过RS485现场总线上传到嵌入式控制器.分线器接收嵌入式控制器的控制信号,切换相应的检测点,并将前端采集器采集到的数据上传到嵌入式控制器.嵌入式控制器负责接收各个前端采集器上传的数据,并对这些数据进行实时处理,再将处理后的结果经以太网发送到远程监控站供技术人员做进一步的分析.除负责接收和保存嵌入式控制器发送来的数据外,远程监控站还可以根据技术人员的需要向嵌入式控制器发送各种控制指令,以采集和处理所需的各种数据.4系统设计4.1硬件设计系统硬件设计的核心是嵌入式控制器设计,其硬件组2O成结构如图2所示.嵌入式控制器硬件部分采用龙珠MC9328MX1作为CPU,外加2片8MB16一bIntelStrataFlash,两片32MB16一bSDRAM,一个CS8900A10M以太网控制器以及其他电子器件.能提供的接口有Rs232接口,USB接口,RS485总线接口和10Mb/s以太网接口.其中RS232接口和USB接口主要用于系统的烧写和调试.图2嵌入式控制器硬件结构图温度采集器主要部件是温度传感器PH1OOTMPA.该传感器采用光刻铂电阻作为感应部件,感应部件位于杆头部,外有一层滤膜保护,具有分辨精确和准确度高的特点.湿度采集器采用深圳三达科技有限公司的HM1500.HM1500尺寸小,不受水浸影响,可靠性高,稳定性强,对温度的依赖性低.二氧化碳浓度采集器采用NEMOTO公司的NAP一21A.NAP一21A是热传导式气体传感器,具有灵敏度高,探测气体浓度范围广的特点.分线器的硬件部分主要是单片机AT89s52和串行电平接口芯片MAX483.主要用作数据传输和控制信号寻址.远程监控站是一台PC机及其所需配套器件(如:报警器,存储磁盘等).4.2软件设计系统的软件设计包括系统运行环境构建和应用程序设计.4.2.1系统运行环境系统运行环境主要由嵌入式控制器主板启动程序BootLoader,Linux内核,根文件系统cramfs,初始化进程,设备驱动程序等组成,为应用程序提供低层服务.BootLoader负责初始化CPU工作模式,初始化sDRAM,FLAsH,串口等,并引导Linux内核启动.在本系统中BootIoader程序被烧写在FIASH存储器的起始位置,而FLAsH的开始部分被映射到OxO0000000地址上.嵌入式控制器主板加电或复位后,Mc9328MXICPU将从地址OxO0000000处取第1条指令并执行,所以BootLoader程序将首先得到执行.Iinux系统虽然非常适合作嵌入式操作系统,但他也是通用操作系统,支持很多设备.对于面向特定应用的嵌入式操作系统而言,有许多设备是多余的,而且嵌入式设备存储空间相对有限,因此需要对Linux内核裁减.根据现代电子技术2oo7年第6期总第269期计算机应用技术本系统软硬件的要求,对Linux2.6.10内核进行裁减,保留了对串口,USB设备,TCP/IP协议,网络设备等模块以及其他系统必须的模块.Linux系统的运行除了内核映像外还需要用户空间的管理程序,配置文件,启动脚本文件,库文件和基本命令集等的支持,所以需要创建一个根文件系统.在本系统中使用的根文件系统是建立在ROM上的只读文件系统cramfs.cramfs不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存之中,而只是在系统需要访问某个位置的数据时,计算该数据在cramfs中的位置,将其实时地解压缩到内存之中,然后通过对内存的访问获取文件系统中需要读取的数据,从而节省内存.设备驱动程序能够让嵌入式操作系统访问和控制外围设备,使这些设备在该系统下正常工作.在本系统中用到的设备驱动程序有CS8900A网卡驱动和其他通信接口驱动,负责完成系统通信的低层工作.4.2.2应用程序设计本系统的应用程序主要运行于嵌入式控制器,负责收发和处理数据,并对相应的外设进行控制.其流程图如图3所示.因此嵌入式控制器与各个前端采集器,远程监控站之间的数据通信,以及外设的控制是其工作的主要部分.图3嵌入式控制器应用程序流程图嵌入式控制器和各个分线器之间的通信采用主从式,即嵌入式控制器处于主导地位,而前端采集器以中断方式接收指令和发送数据.该方式保证了数据通信的有序性,避免通信混乱.嵌入式控制器发送的指令帧格式是:ADDR+CMD.其中ADDR是地址位(预设),用来选定前端采集器;CMD是命令位,用来控制前端采集器的数据采集.分线器发送的数据帧格式为:ADDR+NUM+DATA+BCC.其中ADDR是当前采集数据的前端采集器的地址位;NUM为发送数据的大小;DATA为发送的数据;BCC为校验码,用于嵌入式控制器验证接收到的数据是否正确.嵌入式控制器和远程监控站之间的通信采用c/s模式,用socket套接口编程实现.嵌入式控制器运行服务器端,监听和响应远程监控站客户端的服务请求,其相互间的通信指令帧和数据帧格式与嵌入式控制器和各个前端采集器之间的基本相同,只是地址位中多了嵌入式控制器本身的地址,以区分指令的操作对象.嵌入式控制器的应用程序采用多进程的思想,分为看守进程和指令执行进程,并赋予不同的优先级.看守进程负责监听RS485总线端口,网络端口以及数据的传输.由于嵌入式控制器与各个分线器,远程监控站之间的数据通信占用了大部分运行时间,所以看守进程优先级高于指令执行进程.嵌入式控制器应用程序初始化后运行看守进程,看守进程一方面监听远程监控站的服务请求,当服务请求命令到达后,先对命令解析,判断该命令的执行对象,然后再将其交给执行进程执行;另一方面接收分线器发送的数据,对接收的数据进行标准化处理,确定温室大棚条件是否在正常范围内,若是,就将处理后的结果发送至远程监控站以供进一步处理.否则发送一紧急中断信号,触发报警器以采取相应措施.5结语本系统利用嵌入式Internet技术实现了农业大棚中的温湿度和二氧化碳浓度的在线实时监测,方便了大棚环境条件的监控.在实际应用中,该系统运行稳定,可靠性高,抗干扰能力强,基本达到了预期的设计目的.同时,该系统实现了远程集中监控,该技术不但可以应用在本领域中,在其他远程控制系统中都可以借鉴和应用,具有较好的应用前景.参考文献1杨皓砷,王秀,夏克俭,等.基于ARM的uCLinux网络控制系统的设计与实现J.计算机应用研究,2005,22(6):189191.2王祖林,龙翔,郑红.新一代嵌