基于ARM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

范文良，李兵尚

（1.北京國家檢察官學(xué)院，北京102206；2.海軍潛艇學(xué)院三系，山東 青島266071）

在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，溫濕度作為生產(chǎn)環(huán)境的重要因素需要對其進(jìn)行監(jiān)測和控制。如農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，溫度和濕度作為重要的土壤信息，是農(nóng)作物和樹木生長的重要生態(tài)因素之一，利用土壤溫濕度數(shù)據(jù)可以預(yù)報洪水和干旱災(zāi)害，對土壤溫濕度進(jìn)行測定是實施生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)的重要步驟。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，生產(chǎn)現(xiàn)場溫濕度的有效監(jiān)測和控制是很多產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證[1-3]。

基于ARM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是能夠運行嵌入式操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體，其體積較小，智能程度高，利用通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)溫濕度的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)組成

整個監(jiān)測系統(tǒng)由ARM控制模塊、UART串口傳輸模塊和GPRS無線傳輸模塊、溫濕度測量模塊和電源模塊等組成，如圖1所示。

圖1 基于ARM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

溫濕度測量模塊對環(huán)境的溫濕度進(jìn)行采集，S3C2440A作為ARM控制模塊的核心芯片定時對采集信號進(jìn)行讀取分析，處理好的數(shù)據(jù)通過UART串口傳輸模塊和GPRS無線傳輸模塊傳輸給連接在Internet上的GPRS網(wǎng)絡(luò)，最終發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、監(jiān)測和判斷。

S3C2440A通過UART串口模塊與GPRS無線傳輸模塊構(gòu)成串口通信，將溫濕度測量數(shù)據(jù)實時無線傳輸，UART串口模塊基于MAX3232EEAE芯片開發(fā)。通過串口登錄utu Linux以后，在命令行下可以使用rz、sz命令和上位機(jī)通信。S3C2440A給GPRS無線傳輸模塊發(fā)送文件數(shù)據(jù)的命令格式為：[root@utu-Linux]$ sz/*/*.*/**。

GPRS無線傳輸模塊采用現(xiàn)成技術(shù)，經(jīng)UART串口模塊與ARM相連，通過串口通信協(xié)議來讀取信息。系統(tǒng)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，GPRS在分組交換模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，特別適用于間斷的、突發(fā)的和頻繁的少量數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS模塊采用GM862，該模塊已嵌入TCP/IP協(xié)議棧，通過串行口完成對模塊的操作，IP數(shù)據(jù)包的傳輸對用戶是透明的，從而使接口設(shè)計簡化，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在用戶終端和服務(wù)器之間的透明傳輸。將GPRS用于溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中，具有接入范圍廣、傳輸速率高、實時性好和維護(hù)容易等優(yōu)點[4-5]。下面對監(jiān)測系統(tǒng)的ARM控制模塊和溫濕度測量模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 ARM控制模塊

ARM控制模塊基于utu linux嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)，以32 bit ARM920為內(nèi)核，工作頻率400 MHz，JTAG調(diào)試模塊為用戶對主控模塊進(jìn)行調(diào)試和二次開發(fā)提供端口。為了提高嵌入式操作系統(tǒng)運行的速度和效率，ARM920核心控制芯片擴(kuò)展了32 MB SDRAM靜態(tài)內(nèi)存作為程序數(shù)據(jù)運算的暫存空間，硬件基于HY57V561620RT-H芯片開發(fā)。外擴(kuò)的64 MB Flash可擦寫存儲器用來存儲系統(tǒng)掉電后仍需要保存的代碼和數(shù)據(jù)，也是嵌入式操作系統(tǒng)固化程序的存儲空間，硬件基于K9F1208UOM芯片開發(fā)，硬件電路原理圖如圖2所示。

圖2 外擴(kuò)Flash硬件電路簡圖

1.2 溫濕度測量模塊

溫濕度測量模塊選用SHT10傳感器芯片，每秒鐘可以進(jìn)行3次測量和數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)精度選擇12 bit并且系統(tǒng)工作穩(wěn)定。SHT10傳感器芯片是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定數(shù)字輸出。芯片內(nèi)部集成一個用能隙材料制成的溫度敏感元件和一個電容性聚合體濕度敏感元件，通過12 bit A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口傳送測量數(shù)據(jù)。根據(jù)溫濕度測量區(qū)的范圍和分布區(qū)域不同，可選擇多個SHT10傳感器芯片共同完成測量工作，單個SHT10傳感器芯片硬件接口關(guān)系如圖3所示。

圖3 SHT10傳感器芯片硬件電路接口原理圖

溫濕度測量模塊初始化時，使用Linux 2.6內(nèi)核函數(shù)將設(shè)備注冊到ARM內(nèi)核，相關(guān)函數(shù)定義如下：

2 嵌入式程序設(shè)計

ARM溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)程序基于Linux 2.6開發(fā)平臺開發(fā)，該軟件具有良好的圖形界面、豐富的網(wǎng)絡(luò)資源、內(nèi)核可定制性等優(yōu)點。Linux 2.6編制的程序具有實時性強、方便移植、內(nèi)存共享和I/O系統(tǒng)優(yōu)化等特點[6]。嵌入式程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溫濕度誤差補償模塊和上位機(jī)響應(yīng)模塊等。對傳感器的溫濕度誤差補償采用軟件實現(xiàn)比硬件方案方法更簡單、更靈活而且更穩(wěn)定。系統(tǒng)軟件程序主要包括兩部分：一是傳感器數(shù)據(jù)采集和處理部分；二是GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和監(jiān)測中心軟件。

溫濕度監(jiān)測時，如圖4所示，首先系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備模塊端口初始化和系統(tǒng)自檢，自檢通過后進(jìn)行通道選擇，相應(yīng)傳感器對監(jiān)測點進(jìn)行環(huán)境溫濕度信號采集，S3C2440A核心芯片對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行寄存器存儲并進(jìn)行算法分析，包括溫濕度的算法換算和誤差補償?shù)龋幚砗玫臄?shù)據(jù)存入Flash可擦寫存儲器，同時通過GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)測中心。

圖4 ARM溫濕度遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)程序框圖

系統(tǒng)對溫濕度的測量由于采用SHT10傳感器芯片，SHT10可通過DATA數(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值。所測溫度值計算公式如下：

式中SOT為傳感器返回的溫度值，d1，d2，SOT取值如表1所示。

表1 溫度計算各相關(guān)系數(shù)的取值

所測濕度值為相對濕度，需要進(jìn)行線性補償和溫度補償后才能得到較為準(zhǔn)確的濕度值，計算公式如下：

式中：RHtrue為經(jīng)過線性補償和溫度補償后的濕度值；T為測試濕度值時的溫度；RHlinear為經(jīng)過線性補償后的濕度值；SORH為相對濕度測量值；C1，C2，C3為線性補償系數(shù)，t1和t2為溫度補償系數(shù)，取值如表2所示。

表2 濕度線性補償系數(shù)和濕度值溫度補償系數(shù)

本文研究建立生產(chǎn)環(huán)境的溫濕度參數(shù)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng)，主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以32 bit嵌入式處理器ARM920為核心，以Linux 2.6為平臺開發(fā)采集器的控制程序，并以GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet為信息載體將測量數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心進(jìn)行判斷、處理、儲存和監(jiān)控。系統(tǒng)選用SHT10傳感器芯片進(jìn)行溫濕度測量，測量數(shù)據(jù)精度高、反應(yīng)靈敏且工作穩(wěn)定，所開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)程序具有實時性強、方便移植、內(nèi)存共享和I/O系統(tǒng)優(yōu)化等特點。因此基于ARM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)體積較小，智能程度高，可以很好地滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)不同生產(chǎn)領(lǐng)域環(huán)境溫濕度因素遠(yuǎn)程實時監(jiān)測的需要。

[1]史國濱，王熙.農(nóng)作物圖像及溫濕度無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011（4）：167-170.

[2]付華圓，鄒洪波，魯仁全.基于MSP430F149的溫濕度測控儀設(shè)計[J].機(jī)電工程，2011（4）：493-499.

[3]張曉東，李秀娟，張杰.基于ARM的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息，2010（8）：124-125.

[4]吳葉蘭，廉小親，張曉力，等.一種基于GPRS的無線數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2010（20）：55-57.

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[6]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.