基于ARM处理器的温室大棚智能监控系统设计_孙启昌.pdf

收稿日期 基金项目 陕西省重点研发计划农业领域一般项目 陕西省教育厅一般专项科学研究计划项目 第一作者 孙启昌 男 陕西西安人 工程师 硕士 研 究方向为信息化建设与管理 信息通信 计算机应用技术 基于 处理器的温室大棚智能 监控系统设计 孙启昌 胡国强 杨凌职业技术学院 陕西杨凌 西北农林科技大学 陕西杨凌 摘要 为了实现温室大棚的智能监测与控制 设计基于 处理器的温室大棚智能监控系 统 系统分为三个部分 数据采集及设备控制终端 智能网关终端 手机客户端 数据采集 及设备控制终端以 微处理为核心 通过传感器 算法 等技术 实现温室大棚数据采 集 数据处理 数据传输及执行设备的智能控制 智能网关终端实现多个温室大棚数据从内网发送 至公网 手机客户端实现数据的接收与发送 经测试验证 系统能够实现温室大棚的智能 监控 关键词 处理器 数据采集 智能网关 算法 手机客户端 中图分类号 文章编号 文献标识码 引言 温室大棚作为现代农业种植的主要手段 通过 控制大棚环境的温度 光照 空气湿度 土壤湿度等 因子 实现农作物的增产增收 目前 大棚环境因子 的控制 主要靠人工经验 无法实现精准化智能控 制 市面上温室大棚环境监控手段主要是通过单片 机技术实现 但是该技术具有局限性 无法实现远程 控制 人机交互 复杂的控制算法 实时数据传输 等 随着电子技术 通信技术 传感器技术的发 展 该文利用 微处理技术 数据采集技术 数 据处理技术 技术 技术 技术 设计基于 处理器的温室大棚智能监控系统 实现温室大棚数据采集 数据处理 执行设备智能化 控制 数据无线实时传输等 年第 期 工业仪表与自动化装置 系统总体设计 基于 处理器的温室大棚智能监控系统分 为三部分 一是数据采集及设备控制终端 二是智能 网关终端 三是 手机客户端 系统框架如图 所示 数据采集及设备控制终端以 处理器为核心 外置多个不同类型的温度 传感器 光照传感器 空气湿度传感器 土壤湿度传 感器 将采集的各类数据通过算法分析后 处 理器控制卷帘 加热器 喷灌 光源灯 风机等设 备的智能工作 同时将算法分析后的数据利用 模块发送至智能网关终端 智能网关以 处理器为核心 通过 模块将接收到 的多个采集及设备控制终端数据经转换后 使用 通信模块发送至 手机客户端 用户利用 软件实时查看温室大棚内的环境信息或控制数 据采集及设备控制终端中的执行设备 图 系统框架图 系统硬件设计 根据系统框架 系统硬件由主要由 处理 器 各类传感器设备 各类执行设备 模块 模块及显示屏等组成 处理器采用 该处理器由中国自主研发 具有高性 能 低功耗 功能丰富等特点 集成四核 位 架构 主频高达 内置 丰富的功 能拓展接口 外接 的 和 的存储 兼容 网络 满足系统开发需求 因此 系统硬 件设计主要分为 部分 一是数据采集及设备控制 终端 二是智能网关终端 两个终端通过 模 块进行数据交互传输 数据采集及设备控制终端硬件设计 数据采集及设备控制终端硬件主要由 处理器 模块 显示屏 温度传感 器 光照传感器 空气湿度传感器 土壤湿度传感 器及各类执行设备组成 各类传感器将采集的数 据经 转换后通过通过 接口传输到 处理器 数据经 处理器处理后 根据设 置阈值 通过比较 利用 口发送控制指令 控 制卷帘 加热器 喷灌 光源灯 风机等各类执 行设备的工作 显示屏主要实现处理后的数据显示 及人机互动 模块将处理后的数据传输至智 能网关终端 模块选用飞凌的 模块 数据 传输速率 频率范围在 之 间 传输距离 之间 支持 操作系 统 采用 接口 性能稳定可靠 显示屏采用 寸的电容屏 接口 分辨 率为 支持触摸 像素比例 温度传感器选用星仪 防水温度传感 工业仪表与自动化装置 年第 期 器 测量范围在 测量精度在 光照传感器选用建大仁科光照度传感器 测量 范围在 测量精度在 空气湿度传感器选用华控兴业 测量范围在 测量精度在 响应 时间小于 土壤湿度传感器选用威盟士 测量范围在 测量精度在 内置 温度补偿器 智能网关终端硬件设计 智能网关终端硬件主要由 处理 器 模块 显示屏和 模块组成 模 块实现数据的发送与接收 显示屏实现人机互动功 能 模块实现处理后数据发送至 手机客 户端或接收 手机客户端发送的控制指令 智能网关终端 模块同样采用飞凌的 模块采用移远 接口 支持 和 模式 向下兼容 网络 支持 操作系统 传输速率为 系统软件设计 系统软件设计采用 开发软件 支持 操作系统开发及 操作系统 开发 具有 同一代码可部署在 目标平 台 的优点 保证了系统的统一性设计与开发 软件设计分为三个部分 一是数据采集及设备控制 终端 二是智能网关终端 三是手机客户端 具体软 件设计如下 数据采集及设备控制终端软件设计 数据采集及设备控制终端采用 系统 软件 通过交叉编译后将 系统和 开发软件移植到终端 处理器上 至此 终端开 发环境部署完成 传感器数据采集软件设计 在 软件开发中 使用 函数管理控制各 类传感器接口 第一 初始化温度传感器 光照 传感器 空气湿度传感器 土壤湿度传感器等设备 第二 各类传感器开始采集数据 通过 函数读 取传感器参数 第三 利用 函数每间隔 分钟 采集一次数据 以此往复循环采集大棚各类环境数 据 第四 将每次采集的数据通过 转换后 通过 接口传输至处理器 第五 数据采集结束 传 感器数据采集软件设计如图 所示 图 传感器数据采集软件设计流程图 数据处理软件设计 为控制温室大棚执行设备处于合理工作状态 保证作物水 光 温度等最优配比 需对各类传感器 采集的数据进行处理 首先 在同一时刻 通过拉依 达 准则对同类型传感器在不同位置采集的 异常数据进行剔除 其次 将剔除后的数据加权 平均 最后 将计算的数值与设定阈值进行比较 判 定是否控制相对应执行设备 设系统在同一时刻 同类传感器在不同位置采集的独立数据为 依据拉依达 准则 分别算出 温度 光照 空气湿度 土壤湿度的算术平均值 剩余 误差及标准误差 若剩余误差大于 倍标准误差 时 则判断为异常数据并进行剔除 反之则保留数 据 通过判断后的数据 加权求平均 算术平均值公式为 剩余误差公式为 标准误差公式为 加权求平均公式为 执行设备软件设计 数据通过 处理器处理后 将上述计算的 结果与设置的阈值进行比较 判断是否控制相应的 执行设备 若计算结果在设定的范围内 口输 出 设备保持原状 若计算结果不在设定范围内 年第 期 工业仪表与自动化装置 口输出 打开卷帘 加热器 喷灌 光源 灯 风机等相应执行设备进行工作 数据无线传输 处理器将数据处理后 通过 模块 发送至智能网关终端 系统支持 协议 数据传输采用 网络编程 通过 协 议建立可靠稳定的连接 首先 初始化模块 建立 通过 函数绑定智能网关终端公网 地 址 利用 函数连接到智能网关终端 使用 函数发送处理后的数据 调用 函数接收 手机客户端发送的控制执行设备指令 数据无线传 输软件设计如图 所示 图 数据无线传输软件设计流程图 智能网关终端 智能网关终端采用 系统 软件 通过交叉编译后移植到 处理器上 终端 的作用是将多个温室大棚采集处理后的数据经智能 网关发送至 手机客户端 为了保障数据在 公网上传输 需要通过运营商申请一个公网 地 址 至此 智能网关终端软件设计环境准备完成 首 先 初始化终端 建立 通过 函数绑定本 地 与公网 使用 函数监听数据采集及设 备控制终端和手机客户端的连接 如果连接成功 使 用 函数接收数据采集及设备控制终端发送的 数据 利用 函数将接收到的数据通过 模块 发送至 手机客户端 反之 智能网关终端通 过 模块接收 手机客户端发送的控制指 令 再使用 模块将接收的数据发送至数据采 集及设备控制终端 智能网关终端软件设计如图 所示 图 智能网关终端软件设计流程图 手机客户端 手机客户端采用 操作系统 开发软件采 用 软件支持 软件开发 首先 初始化 设备 建设 通过 函数绑定智能网关终端 公网 地址 使用 函数连接智能网关终端 调用 函数接收数据或者通过 函数发送 控制指令 手机客户端软件设计流程如图 所示 图 手机客户端软件设计流程图 工业仪表与自动化装置 年第 期 系统测试 系统测试选择在北方种植的火龙果温室大棚 内 种植时间一般为 月至 月 成熟期在 月至 月 该文以温室大棚火龙果生长所需的温度 光照 空气湿度 土壤湿度为例 在大棚内不同位置分别部 署温度传感器 光照传感器 空气湿度传感器 土壤 湿度传感器各 个进行数据采集 系统设置火龙果生 长最适宜的温度在 光照范围在 要求的空气湿度保持在 土壤湿度在 当各类传感器采集的参 数通过算法处理后 若不在以上数据范围内 数据采 集及设备控制终端通过 处理器自动控制温室 大棚内的卷帘 加热器 喷灌 光源灯 风机等 执行设备的工作 启动数据采集及设备控制终端 智能网关终端 手机客户端 终端自动配置网络 三个终端网络连接 成功 第二 在大棚中分别部署温度传感器 光照传 感器 空气湿度传感器 土壤湿度传感器各 个进行 数据采集 将采集的 类数据通过处理器中拉依达 算法判断数据的异常 然后再利用加权求 平均的算法分别计算当前温度 光照 空气湿度 土 壤湿度 温室大棚温度 光照数据采集及算法见表 温室大棚空气湿度 土壤湿度数据采集及算法见 表 表 和表 为 月 日 截取的 数据 设置传感器采样间隔为 分钟 表 温室大棚温度 光照数据采集及算法 月 日 时间温度 算法光照 算法 表 温室大棚空气湿度 土壤湿度数据采集及算法 月 日 时间空气湿度 算法土壤湿度 算法 根据上述计算结果 判断是否控制相应的执行 设备 本系统的执行设备分别为卷帘 加热器 喷灌 光源灯 风机 将计算的结果与设置的阈值进 行比较 若计算出的结果在设定的参数范围内则表 示为 反之 情况一 计算出的值大于设定参数则 表示为 情况二 计算出的值小于设定参数则表示 为 表 是系统计算结果与执行设备之间的控制 关系 表 计算结果与执行设备之间的控制关系 计算结果与阈值比较执行设备状态 序号温度光照空气湿度土壤湿度卷帘加热器喷灌 光源灯风机 关闭关闭关闭关闭关闭 关闭关闭打开关闭关闭 关闭关闭打开关闭关闭 打开关闭打开关闭打开 将计算后的结果通过 模块发送至智能 网关终端 智能网关将接收的各类数据通过 网 络发送至 手机客户端 农户通过 手 机客户端实时掌握大棚内的环境信息 农户也可以 通过 手机客户端控制温室大棚内的卷帘 加热器 喷灌 光源灯 风机等设备工作 智能 网关初始化如图 所示 手机客户端接收数 据如图 所示 年第 期 工业仪表与自动化装置 图 智能网关初始化 图 手机客户端接收的数据 结语 该文设计的基于 处理器的温室大棚智能 监控系统 能够实现温室大棚精准化监控与控制 系统分为三个部分 一是数据采集及设备控制终端 二是智能网关终端 三是 手机客户端 数据 采集及设备控制终端通过 处理器实现温室大 棚环境信息采集 数据处理 智能控制执行设备 将 处理后的数据通过 模块发送至智能网关终 端 智能网关终端实现多个数据采集及设备控制终 端的数据处理及转发 将接收的数据通过 模块 发送至 手机客户端 手机客户端实时查看 数据或控制数据采集及设备控制终端中执行设备 工作 参考文献 龚琴 基于物联网的温室大棚智能监控系统在农业中 的应用 电脑与信息技术 赵尚飞 陈立万 符译丹 等 温室大棚花卉智能监控 系统设计 农业工程技术 邢玲玲 基于物联网的智能温室大棚监控系统研究 电子制作 陈慧 基于物联网的温室大棚智能监控系统研究 杭州 浙江科技学院 刘玉芹 徐海华 基于 的温室大棚远程智能 监控系统设计 自动化仪表 汪言康 周建平 许燕 等 基于物联网的温室大棚智 能监控系统研究 机床与液压 肖云方 温室大棚温湿度智能监控系统实现 信息 技术与信息化 巩师洋 农业温室大棚远程智能监控系统的设计与实 现 银川 北方民族大学 张宝峰 杨雷 朱均超 等 温室大棚温湿度智能监控 系统的设计与实现 自动化仪表 王冬梅 路敬祎 基于单片机的温室大棚智能监控系 统设计 内燃机与配件 程倩 基于无线传感器的温室大棚智能监控系统设 计 无线互联科技 魏芬 季宇峰 基于无线传感网的温室大棚智能监控 系统的研究 测控技术 韩力英 杨宜菩 王杨 等 基于单片机的温室大棚智 能监控系统设计 中国农机化学报 程剑 基于 技术的温室大棚智能监控系统 福建电脑 鞠传香 吴志勇 基于 技术的温室大棚智能监 控系统 江苏农业科学 杨宝贵 基于 的温室大棚智能监控系统设计 中国新通信 陶平 基于 的温室大棚智能监控系统的研究 成都 西华大学 雷文礼 张鑫 任新成 等 基于 的大棚环境监 测系统设计 电子设计工程 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 工业仪表与自动化装置 年第 期