基于ARM的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端控制系統(tǒng)

盧愛紅

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院，蘇州215009）

0 引言

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)在向智能化的物聯(lián)網(wǎng)應用方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)環(huán)境控制是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的核心。農(nóng)業(yè)環(huán)境控制是在一定范圍內(nèi)，根據(jù)功能需要選擇不同的傳感器，采集區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境因素：光、熱、水、肥等或者農(nóng)作物的生長情況，通過有線或無線網(wǎng)絡傳送給主控制器，主控制器對數(shù)據(jù)進行分析處理形成專家系統(tǒng)，并根據(jù)植物最適宜的生長條件，由主控制器發(fā)出針對性的指令，對區(qū)域內(nèi)相關設備操作，使光、熱、水、肥等因素協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過智能控制方法，將以前的人工經(jīng)驗農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^電子系統(tǒng)精確采集經(jīng)驗模糊控制的模式，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的投入精細化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量最大化。農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖基礎設施的迅速發(fā)展，使得溫室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也呈現(xiàn)指數(shù)增長，連棟大棚規(guī)模越來越大，簡易溫室大棚也越來越多。連棟大棚的監(jiān)控區(qū)域較大，需要部署大量的信息采集傳感器節(jié)點構(gòu)成大型傳感網(wǎng)絡，且探測節(jié)點和探測節(jié)點數(shù)量、位置要經(jīng)常改變。而簡易溫室大棚探測、控制的節(jié)點較少，但要求簡單方便、價格便宜。因此環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)必須符合市場的需求：①探測與控制的節(jié)點容量要足夠多；②探測與控制的節(jié)點數(shù)容易增減；③探測點的位置能靈活移動；④安裝、調(diào)試、使用、維護、維修方便而且要安全可靠；⑤性價比高。根據(jù)市場需求設計現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，使用可靠的無線傳感網(wǎng)絡代替有線連接，結(jié)合最新的智能傳感技術、無線組網(wǎng)技術、微處理技術、模糊控制技術等，設計出由一臺PC和多個多用途物聯(lián)網(wǎng)智能中央控制器組成主從式分布結(jié)構(gòu)的環(huán)境無線智能監(jiān)控系統(tǒng)，能有效解決以上市場需求問題，可廣泛應用于農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖等環(huán)境自動檢測、監(jiān)控領域[1]。

1 系統(tǒng)要求與整體設計

具有多個用途的物聯(lián)網(wǎng)終端控制器是我們設計的重點。作為物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)終端的主控制器，一般采用嵌入式設備來完成物聯(lián)網(wǎng)終端控制器的信息采集和控制的功能。物聯(lián)網(wǎng)終端控制器是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感器采集信息的集中管理和采集信息數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云服務平臺的中間紐帶，同時也是現(xiàn)場用戶和網(wǎng)絡遠程用戶指令的執(zhí)行器?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的終端控制器因其功能復雜，部署數(shù)量眾多，價格敏感等特點，大多采用基于ARM的嵌入式控制器的硬件架構(gòu)，ARM開發(fā)板具有較高的主頻、豐富的接口等性能，能適應各種嵌入式要求。終端控制器的軟件操作系統(tǒng)可以選用可移植可裁剪功能強大的Linux操作系統(tǒng)。為了實現(xiàn)控制器的可視化操作，可選用常用的Android或者Qt作為GUI開發(fā)平臺。

本設計以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最多的溫室生產(chǎn)為例，說明物聯(lián)網(wǎng)終端控制器的設計方法。當前溫室生產(chǎn)的傳感網(wǎng)絡，需要完成采集和控制兩大任務，溫室大棚需要采集信息諸如空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤濕度、營養(yǎng)液EC值、PH值以及室外天氣參數(shù)等信息，并驅(qū)動溫室中執(zhí)行機構(gòu)的控制節(jié)點諸如開窗系統(tǒng)、拉幕系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、補光系統(tǒng)（農(nóng)用鈉燈）、二氧化碳補給系統(tǒng)（二氧化碳生成器）、加氧等。溫室大棚的采集和控制網(wǎng)絡需要大量的傳感節(jié)點來實現(xiàn)，溫室大棚對其監(jiān)測與控制系統(tǒng)的需求就是網(wǎng)絡容量大、監(jiān)測點位置能靈活變動、節(jié)點數(shù)目可隨意增減、系統(tǒng)可靠性高，可使用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡來匹配這些要求。ZigBee傳感網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器負責ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的管理。終端控制器通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，根據(jù)用戶預定義的通信協(xié)議通過ZigBee協(xié)調(diào)器收集ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中的信息，并通過ZigBee協(xié)調(diào)器向ZigBee無線網(wǎng)絡傳達指令。終端控制器選用三星公司的ARM芯片S3C2440作為主CPU的開發(fā)板，在開發(fā)板上安裝Linux操作系統(tǒng)，使用Qt界面設計軟件完成終端控制器的可視化界面設計。物聯(lián)網(wǎng)終端控制器系統(tǒng)功能框圖如圖1所示：

圖1 終端控制器系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

物聯(lián)網(wǎng)終端控制器的開發(fā)板選用CPU為S3C2440的ARM開發(fā)板，開發(fā)板周邊接口豐富。選用ARM開發(fā)板的串口UART0和網(wǎng)口eth0與PC電腦相連，串口UART0作為開發(fā)板調(diào)試串口，網(wǎng)口eth0作為文件傳輸接口。PC電腦上安裝Ubuntu虛擬機，再通過軟件搭建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要的交叉編譯環(huán)境。ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器開發(fā)板設計時，為了外觀的輕便簡介，采用USB總線的轉(zhuǎn)接芯片CH340實現(xiàn)了USB轉(zhuǎn)串口，ARM開發(fā)板需要通過USB接口與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的USB接口相連，并在ARM開發(fā)板上Linux操作系統(tǒng)中安裝芯片CH340的USB轉(zhuǎn)串口的驅(qū)動，使得ARM開發(fā)板與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器開發(fā)板之間硬件連線是通過USB接口連接，軟件通信是通過串口協(xié)議方式實現(xiàn)通信。ARM開發(fā)板選用LCD接口與群創(chuàng)7寸真彩液晶屏，帶四線電阻式觸摸屏接口。ARM開發(fā)板采用5V電源供電。

3 軟件設計

ARM開發(fā)板的軟件設計分為三個部分：ARM開發(fā)板的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核程序及其驅(qū)動程序的安裝；物聯(lián)網(wǎng)終端控制器ARM開發(fā)板與ZigBee協(xié)調(diào)器串口通信協(xié)議的設計；物聯(lián)網(wǎng)終端控制器Qt可視化界面的設計。

（1）Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核程序

ARM開發(fā)板使用的內(nèi)核源碼是開發(fā)板定制的linux-2.6.30.4版本，內(nèi)核的交叉編譯工具選用EABI-4.3.3版本，拷貝內(nèi)核源碼和交叉編譯工具壓縮包到Ubuntu虛擬機，解壓后，配置交叉編譯環(huán)境的PATH環(huán)境變量，進入內(nèi)核源碼包目錄，使用#make menuconfig命令可以選擇CH340驅(qū)動加入內(nèi)核源碼編譯，在確認各個內(nèi)核編譯選項后，調(diào)用#make zImage命令生成內(nèi)核鏡像。通過BusyBox生成ARM開發(fā)板的文件系統(tǒng)，由制作yaffs文件系統(tǒng)工具mkyaffs2image生成文件系統(tǒng)鏡像。使用ARM開發(fā)板支持的燒錄鏡像的工具，將內(nèi)核鏡像和文件系統(tǒng)鏡像分別燒錄到ARM開發(fā)板的NandFlash不同分區(qū)中，開發(fā)板上電，內(nèi)核和文件系統(tǒng)成功啟動，并正常進入內(nèi)核的shell模式，完成了內(nèi)核鏡像的燒錄和啟動。

（2）物聯(lián)網(wǎng)終端控制器ARM開發(fā)板與ZigBee協(xié)調(diào)器的串口通信協(xié)議

ARM開發(fā)板與ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口通信，方便ARM開發(fā)板查詢ZigBee網(wǎng)絡各節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)參數(shù)和傳感器信息，并根據(jù)需要設置各個ZigBee節(jié)點執(zhí)行器的狀態(tài)。由于ZigBee網(wǎng)絡傳感和執(zhí)行節(jié)點較多，各種功能需求的通信比較復雜，需要通過用戶自定義的ZigBee無線網(wǎng)絡通信協(xié)議來規(guī)范化通信的數(shù)據(jù)包格式。ZigBee無線網(wǎng)絡通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式可以采用如表1、表2所示的命令包格式和返回包格式，命令包是ARM開發(fā)板向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，返回包是ZigBee協(xié)調(diào)器向ARM開發(fā)板發(fā)送的數(shù)據(jù)包。命令包及返回包中多字節(jié)內(nèi)容，均是低前高后存放[2]。

表1 命令包格式

表2 返回包格式

ARM開發(fā)板讀取ZigBee網(wǎng)絡各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，首先需要向ZigBee協(xié)調(diào)器查詢各個節(jié)點ZigBee網(wǎng)絡參數(shù)，包括各節(jié)點物理地址和網(wǎng)絡地址及其父節(jié)點物理地址和網(wǎng)絡，讀取ZigBee網(wǎng)絡參數(shù)RNW命令格式為：&（1）+WSN（3）+RNW（3）+“yyyyyyyy”（8）+*（1），返回格式為：&（1）+WSN（3）+RNW（3）+（type）S（1）+節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+總節(jié)點數(shù)（1）+節(jié)點類型（3）+節(jié)點物理地址（8）+父節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+PANID（2）+“yyyyy”（5）+*（1），其中返回格式中的節(jié)點類型用ROU表示路由器，COR表示協(xié)調(diào)器，RFD表示終端。ARM開發(fā)板查詢到ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點信息后，形成一張當前ZigBee網(wǎng)絡拓撲圖，并根據(jù)各個節(jié)點的物理地址識別出各個節(jié)點的功能，自動完成功能與節(jié)點的綁定。然后ARM開發(fā)板需要向ZigBee協(xié)調(diào)器查詢各個功能節(jié)點的傳感器信息，以讀取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地空氣溫濕度數(shù)據(jù)和氣壓壓力數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式為例，說明查詢傳感器信息的數(shù)據(jù)格式。讀取溫濕度數(shù)據(jù)RWS命令格式為：&（1）+WSN（3）+RWS（3）+節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+“yyyyyy”（6）+*（1），返回格式為：&（1）+WSN（3）+RWS（3）+（type）S（1）+節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+溫度數(shù)據(jù)（2）+濕度數(shù)據(jù)（2）+”yyyyyyyyyyyyyyyy”（16）+連接質(zhì)量（1）+*（1）。讀取氣壓壓力數(shù)據(jù)?RYL?命令格式為：&（1）+WSN（3）+RYL（3）+節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+”yyyyyy”（6）+*（1），返回格式為：&（1）+WSN（3）+RYL（3）+（type）S（1）+節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+氣壓數(shù)據(jù)（1）+”yyyyyyyyyyyyyyyyyyy”（19）+連接質(zhì)量（1）+*（1）。根據(jù)讀取溫濕度數(shù)據(jù)RWS命令和讀取氣壓壓力數(shù)據(jù)RYL命令的關鍵字的區(qū)別，可以衍生出其余功能傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)包詳細格式。

ARM開發(fā)板在獲取到各個節(jié)點傳感器的實時信息后，形成專家系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)驗模糊控制，設置農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)絡各個執(zhí)行器節(jié)點的狀態(tài)。以控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的風扇開關和LED調(diào)光光源為例，說明設置命令的數(shù)據(jù)格式。風扇開關SFS命令格式為：&（1）+WSN（3）+SFS（3）+節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+打開或關閉風扇控制碼（1）+“yyyyy”（5）+*（1），返回格式為：&（1）+WSN（3）+SFS（3）+（type）S（1）+節(jié) 點網(wǎng)絡地址（2）+“yyyyyyyyyyyyyyyyyyyy”（20）+連接質(zhì)量（1）+*（1）。LED燈調(diào)光 STG 命令格式為：&（1）+WSN（3）+STG（3）+節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+占空比（1）+“yyyyy”（5）+*（1），返回格式為：&（1）+WSN（3）+STG（3）+（type）S（1）+節(jié)點網(wǎng)絡地址（2）+“yyyyyyyyyyyyyyyyyyyy”（20）+連接質(zhì)量（1）+*（1）。根據(jù)風扇開關SFS命令和LED調(diào)光STG命令的關鍵字的區(qū)別，可以衍生出其余功能執(zhí)行節(jié)點的數(shù)據(jù)包詳細格式。

（3）物聯(lián)網(wǎng)終端控制器Qt可視化界面的設計

Qt的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）采用Qt Creator應用程序，開發(fā)環(huán)境基于Ubuntu平臺，需要在Ubuntu上安裝Qt Creator的安裝程序qt-creator-linux-x86-opensource.bin。安裝Qt Creator之后，新建項目工程仍不具備Application GUI應用，需要安裝Qt庫文件Qt4.8.1，并配置Qt編譯環(huán)境qmake，須用Ubuntu操作系統(tǒng)的root賬戶安裝Qt SDK。再在Qt Creator應用程序中配置Qt Sdk，設置好交叉編譯環(huán)境，生成的可執(zhí)行文件拷貝到ARM開發(fā)板的Linux文件系統(tǒng)后，可以運行GUI界面程序。

4 結(jié)語

基于ARM的物聯(lián)網(wǎng)終端控制器的設計，在考慮到控制器的應用功能需求，適當?shù)剡x擇ARM開發(fā)板作為硬件平臺，部署了操作系統(tǒng)，并根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無線連接的通信需求，定義了ZigBee串口通信的協(xié)議和編程方法，最后介紹了物聯(lián)網(wǎng)終端控制器ARM開發(fā)板上部署Qt可視化界面的設計方法。本設計相對系統(tǒng)地介紹了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中核心的控制器的設計方法，詳細地描述了終端控制器與周邊網(wǎng)絡連接的設計方案，以及終端控制器自身，從底層硬件到上層應用程序設計的完整設計方案。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端控制器的設計為物聯(lián)網(wǎng)終端控制器在其他行業(yè)中應用提供了參考方案。

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