丁欣,孫智卿,郭鵬舉

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,北京 100083;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,山西 太谷 030801)

基于ARM的智能溫室控制系統(tǒng)

丁欣1,孫智卿1,郭鵬舉2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,北京 100083;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,山西 太谷 030801)

為實(shí)現(xiàn)溫室系統(tǒng)的智能控制,系統(tǒng)以ARM9嵌入式處理器為核心,將各類數(shù)字傳感器收集的數(shù)據(jù)通過(guò)模糊控制算法進(jìn)行處理,采用自動(dòng)控制、GUI和遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種方式調(diào)整溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu),在搭建的溫室模型中取得穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行效果。ARM系統(tǒng)比傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單、功耗低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。較之同類設(shè)計(jì),該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了數(shù)字傳感器驅(qū)動(dòng)、圖形化窗口、模糊控制程序、網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了溫室控制的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和可視化。

ARM;嵌入式系統(tǒng);智能溫室;遠(yuǎn)程監(jiān)控;模糊控制

智能溫室控制系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的節(jié)約型設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù),在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算機(jī)綜合控制,通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境因子中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等來(lái)獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件,從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前,荷蘭、以色列等國(guó)的智能溫室技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,我國(guó)也曾多次引進(jìn)其產(chǎn)品,但由于環(huán)境差異,荷蘭采用的玻璃溫室在國(guó)內(nèi)的效果沒(méi)有預(yù)期理想且造價(jià)過(guò)高,且關(guān)鍵技術(shù)對(duì)我國(guó)保密,于是國(guó)內(nèi)多所大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行過(guò)許多相關(guān)研究,設(shè)計(jì)方案包括單片機(jī)(MCU)控制[1,2]、工業(yè)控制機(jī)(IPC)[3]、PLC控制[4,5]、分布式控制(DSC)[6]等方法。

傳統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)算能力較差,難以完成復(fù)雜的控制算法;IPC控制系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護(hù)困難;而PLC控制系統(tǒng)造價(jià)高昂,應(yīng)用不便[7]。針對(duì)這一問(wèn)題,本設(shè)計(jì)采用基于ARM的嵌入式Linux控制系統(tǒng)。旨在提高溫室系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持、并發(fā)處理能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性,同時(shí)降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度、成本和功耗,滿足溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)日益復(fù)雜化的需要。而較之同類ARM控制系統(tǒng),本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了數(shù)字傳感器驅(qū)動(dòng)、圖形化窗口、模糊控制程序、網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和可視化。

1 系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)基于ARM9平臺(tái)開(kāi)發(fā)平臺(tái),構(gòu)建嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境,裁剪移植Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)溫度、濕度、光照強(qiáng)度傳感器采集數(shù)據(jù)通過(guò)控制程序調(diào)控,協(xié)調(diào)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)溫室參數(shù)實(shí)施控制并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而為溫室中的作物提供最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。

系統(tǒng)具有多種運(yùn)行模式。既可以根據(jù)農(nóng)業(yè)專家給出的參數(shù)預(yù)設(shè)值實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)調(diào)控,也可以通過(guò)按鍵和觸控屏進(jìn)行手動(dòng)控制以應(yīng)對(duì)特殊情況;通過(guò)溫室內(nèi)的監(jiān)控?cái)z像頭,可以在開(kāi)發(fā)板的LCD上對(duì)溫室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控,同時(shí)系統(tǒng)將攝像頭通過(guò)ARM開(kāi)發(fā)板連接到以太網(wǎng),利用linux強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,建立boa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)作為客戶機(jī),只需登陸開(kāi)發(fā)板的網(wǎng)址,就可以看到溫室的錄像并獲得溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)。

我們搭建了一套溫室模型用以檢驗(yàn)溫室控制系統(tǒng)的性能,其構(gòu)造和真實(shí)溫室相同,其中包括加熱板、風(fēng)扇、開(kāi)窗電機(jī)等裝置對(duì)應(yīng)實(shí)際溫室中的各種執(zhí)行器件?？紤]到實(shí)際的溫室環(huán)境中會(huì)存在各類干擾信號(hào),系統(tǒng)全部采用新型的數(shù)字傳感器,精度高,抗干擾能力強(qiáng),使之可以在實(shí)際生產(chǎn)中有地得實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的控制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1整個(gè)系統(tǒng)包括ARM開(kāi)發(fā)板、外圍電路和溫室模型三部分。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware System Structure

2.1 ARM開(kāi)發(fā)板

開(kāi)發(fā)板以三星公司的S3C2440A芯片為核心,S3C2440為ARM920T內(nèi)核,采用5級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu),最高運(yùn)行頻率為 400MHz,內(nèi)置 STN/CSTN/TFT LCD控制器,并提供了一套完整的通用外圍接口,從而免去了添加、配置附加外圍接口的麻煩,有效地縮小了線路板的面積。外接64MB Nand-Flash和64MB SDRAM,為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了足夠空間[8]。

開(kāi)發(fā)板的硬件資源主要包括:GPIO接口、RS232接口、以太網(wǎng)接口、USB接口、I2C總線接口等,用以連接各類器件。開(kāi)發(fā)板上還帶有一塊觸控屏,通過(guò)圖形界面程序與用戶進(jìn)行交互,在直觀展現(xiàn)溫室環(huán)境狀態(tài)的同時(shí)大大節(jié)省了IO端口,有利于擴(kuò)展更多的傳感器,擴(kuò)大溫室的控制范圍。

2.2 傳感器電路

2.2.1 溫、濕度傳感器

本系統(tǒng)要求的溫度控制范圍為10～48℃,濕度控制范圍為0.1%RH-100%RH,本系統(tǒng)選用瑞士Scnsirion公司的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器芯片。它高度集成,將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上。測(cè)量精確度高,由于同時(shí)集成溫濕度傳感器,可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。其測(cè)溫精度為 ±0.4℃,測(cè)濕精度為±3.0%RH,符合系統(tǒng)要求[9]。

SHT11通過(guò)二線數(shù)字串行接口,硬件電路簡(jiǎn)單。其通信協(xié)議類似于I2C總線,但時(shí)序有所不同。DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻;時(shí)鐘線SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步,所以可以使用多個(gè)傳感器公用一條時(shí)鐘線,用以節(jié)省IO端口。

2.2.2 光照傳感器

根據(jù)溫室環(huán)境控制的要求,光照傳感器的測(cè)量范圍應(yīng)在0～12萬(wàn)lx,本系統(tǒng)選用的光照傳感器為Intersil公司的ISL29001,它可以感應(yīng)可見(jiàn)光(380～770 nm),并能將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)便易用的15位、I2C標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出信號(hào)。集成了電流放大器、用于消除人為光閃爍的50Hz/60Hz抑制濾波器和15位ADC。這些集成式光/數(shù)字傳感器實(shí)現(xiàn)了最高的靈敏度,可以達(dá)到人眼的靈敏度,并具有低功耗,延長(zhǎng)了背光控制應(yīng)用中的電池壽命和面板可見(jiàn)度[10]。

2.3 溫室模型

溫室模型如圖 2所示,整個(gè)溫室架構(gòu)采用PRE/E仿真設(shè)計(jì),實(shí)物模型用有機(jī)玻璃搭建,造型美觀大方。模型內(nèi)的執(zhí)行器件包括4臺(tái)控制開(kāi)窗角度的直流電機(jī)作為自然通風(fēng)設(shè)備,1臺(tái)控制遮光卷簾的直流電機(jī),3排LED補(bǔ)光燈,2臺(tái)用來(lái)強(qiáng)制通風(fēng)的風(fēng)扇,1部加濕器、1塊加熱板和1個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭。其中直流電機(jī)型號(hào)為WRF-130CH,采用AE2501作為驅(qū)動(dòng)芯片;加熱板采用220v交流電源供電,由GC-4F05D0M光控可控硅進(jìn)行功率調(diào)控;攝像芯片為中星微301,與utu Linux具有良好的兼容性。由于 s3c2440芯片的輸出電壓為3.3V,而外圍電路電壓為 5V,故選用T I公司的SN74ALVC164245作為電壓轉(zhuǎn)換芯片。

圖2 溫室模型外觀Fig.2 Greenhouse model

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的宿主機(jī)使用ubuntu linux操作系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上構(gòu)建嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境,采用arm-linuxgcc-4.3.2交叉編譯器進(jìn)行程序編譯,使用 Qtopia2.2.0嵌入式圖形界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫界面程序;通過(guò)RS232接口與開(kāi)發(fā)板通信,在ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)中移植的linux 2.6.29內(nèi)核版本的utu-linux系統(tǒng),根文件系統(tǒng)采用yaffs2文件系統(tǒng)。

3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫

本系統(tǒng)的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括GPIO驅(qū)動(dòng)、傳感器驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)。

3.1.1 基本輸入輸出(GPIO)驅(qū)動(dòng)

該驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加濕器、開(kāi)窗電機(jī)和遮陽(yáng)簾電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及按鍵的驅(qū)動(dòng)功能。通過(guò)s3c2440-gpio-cfgpin()函數(shù)配置管腳功能為輸入或輸出。s3c2440-gpio-setpin()函數(shù)設(shè)定管腳輸出。s3c2440-gpio-getpin()函數(shù)獲取當(dāng)前管腳的高低電平值[11]。

3.1.2 傳感器驅(qū)動(dòng)

該驅(qū)動(dòng)是按照溫濕度傳感器SHT11和光照傳感器ISL29001要求的時(shí)序進(jìn)行讀取傳感器信號(hào),并轉(zhuǎn)換接為溫濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳輸給主控程序。

3.1.3 脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)

該驅(qū)動(dòng)用于補(bǔ)光燈、加熱板及風(fēng)扇等需要通過(guò)PWM進(jìn)行功率控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。利用S3C2440總共有5個(gè)16位的PWM 通道——定時(shí)器,其中只有定時(shí)器0～3可以輸出脈沖調(diào)制解調(diào)信號(hào),通過(guò)改變其占空比來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

另外,開(kāi)發(fā)板在移植嵌入式系統(tǒng)時(shí)帶有了網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、觸控屏驅(qū)動(dòng)和攝像頭驅(qū)動(dòng),節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

3.2 主程序及其控制算法

由于溫室系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)格非線性、參數(shù)分布不均、大時(shí)延、大滯后、多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng),它所處的環(huán)境充滿著大量不確定性因素,其數(shù)學(xué)模型很難建立,經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論很難到達(dá)滿意的效果,因此不需要被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的模糊控制算法成為了我們的首選[12]。

3.2.1 模糊控制器選擇

經(jīng)相關(guān)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)溫室參數(shù)解耦與未解耦的效果相差不大[10],而解耦則會(huì)增加溫室能耗,所以我們以溫度為主控量,其他環(huán)境因子為輔助因子。實(shí)際系統(tǒng)中,微分這一輸入值影響并不大,綜合考慮計(jì)算的復(fù)雜程度與編程的化簡(jiǎn),決定只將溫度和光照與參考值差值作為輸入量。同時(shí)將所有的被控機(jī)構(gòu)劃為一個(gè)整體即執(zhí)行機(jī)構(gòu),輸出變成了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)變化量。于是整個(gè)控制器成為一個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制,解決了耦合問(wèn)題?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.2 專家經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)方面專家的意見(jiàn),溫室系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)的適合情況大概是溫度25℃左右,光強(qiáng)350 lx。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:采暖保溫系統(tǒng),通風(fēng)系統(tǒng),補(bǔ)光系統(tǒng),遮陽(yáng)系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分組劃分如下:關(guān)閉窗戶,加熱片加熱;關(guān)閉窗戶不加熱;執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作;打開(kāi)四個(gè)窗戶;關(guān)閉窗戶,加濕器打開(kāi);關(guān)閉窗戶加濕器打開(kāi),開(kāi)風(fēng)機(jī)通風(fēng);光照控制系統(tǒng)單獨(dú)工作:一般情況下采集自然光,光照過(guò)強(qiáng),拉上紗簾;光照不夠,利用LED燈補(bǔ)光。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Controler structure chart

3.2.3 模糊控制器設(shè)計(jì)

溫度誤差e1模糊集為{NB,NS,Z,PS,PB},輸出量u0的模糊集與輸入量e1一樣。設(shè)定參考溫度為25℃,溫度誤差e1的變化范圍[-4,4],為了保證模糊集的完備性,溫度誤差的論域設(shè)為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},則尺度變化因子k1=1.5。設(shè)定光強(qiáng)的參考值為350 lx。u0的變化范圍{-3,-2,-1,0,1,2,3},論域?yàn)榕ce1相同,尺度變換因子為k2=2。賦值如表1所示。輸入輸出量均采用三角形隸屬函數(shù)。

表1 模糊變量e的賦值表Table 1 Assignment Table of fuzzy variable e

則模糊條件語(yǔ)句為:

由此進(jìn)行模糊推理,模糊推理采用最大最小法。清晰化采用重心法,得到輸出u0。

主程序流程如圖4所示,模糊控制子程序流程如圖5所示。

3.3 GUI開(kāi)發(fā)

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)通常都采用交叉編譯的方式進(jìn)行,基于Qt/Embedded和 Qtopia的 GUI應(yīng)用開(kāi)發(fā)也采用這樣的模式。先在宿主機(jī)上調(diào)試應(yīng)用程序,調(diào)試通過(guò)后,經(jīng)過(guò)交叉編譯移植到目標(biāo)板上。Qt/Embedded直接寫入幀緩存,在宿主機(jī)上則是通過(guò) qvfb(virtual framebuffer)來(lái)模擬幀緩存。qvfb是X窗口用來(lái)運(yùn)行和測(cè)試Qtopia應(yīng)用程序的系統(tǒng)程序。qvfb使用了共享內(nèi)存存儲(chǔ)區(qū)域(虛擬的幀緩存)來(lái)模擬幀緩存并且在一個(gè)窗口中模擬一個(gè)應(yīng)用程序來(lái)顯示幀緩存,顯示的區(qū)域被周期性的改變和更新。從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。并利用servfox程序和boa服務(wù)器開(kāi)啟攝像頭,實(shí)現(xiàn)LCD以及網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

圖5 模糊控制程序流程圖Fig.5 Fuzzy control program flow chart

4 結(jié)論與討論

本設(shè)計(jì)充分利用了嵌入式 Linux系統(tǒng)和ARM芯片的優(yōu)勢(shì),相比于傳統(tǒng)的溫室控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)智能化。本系統(tǒng)發(fā)揮了ARM分布式多任務(wù)處理能力的優(yōu)勢(shì),先進(jìn)的數(shù)字傳感器智能地分析采集來(lái)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù),通過(guò)模糊控制算法決定驅(qū)動(dòng)哪些裝置與機(jī)構(gòu)工作,從而為農(nóng)作物提供最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。同時(shí),ARM系統(tǒng)功耗低、維護(hù)簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)成本低,應(yīng)用前景十分廣闊。

(2)網(wǎng)絡(luò)化。本系統(tǒng)基于嵌入式Linux系統(tǒng),Linux內(nèi)核支持 TCP/IP、IPX/PX等多種協(xié)議。充分利用ARM和Linux在網(wǎng)絡(luò)上的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控。管理員登陸嵌入式終端的ip地址就可以實(shí)時(shí)對(duì)溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(3)可視化。本系統(tǒng)通過(guò)圖形界面進(jìn)行操控,操作方便快捷,便于人機(jī)交互,并且利用攝像頭可以現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室內(nèi)狀況,合理開(kāi)發(fā)了嵌入式系統(tǒng)的硬件資源優(yōu)勢(shì)。

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Intelligent Greenhouse Control System Based on ARM

DINGXin1,SUN Zhi-qing1,GUO Peng-ju2
(1.College of Information and Electrical Engineering,China Agriculture University,Beijing 100083,China;2.Information College,Shanxi Agriculture University,Taigu Shanxi 030801,China)

In order to control the greenhouse system intelligently,our design,which is based on the ARM9 embedded processor,conditions the data from various digital sensors using fuzzy control algorithm.It utilizes auto control,GUI,long-distance monitoring and some other methods to regulate the execution units of the greenhouse and finally got stable and reliable running effects in the model of greenhouse.Compared to traditional greenhouse control systems,the one based on ARM is easier to be maintained and has a lower power consumption.Different from the other similar designs,this system exploits the digital sensor driver,graphical windows,fuzzy control program,IP network camera and makes the control of greenhouse visual,webified and intelligent.

ARM;Embedded system;Intelligent greenhouse;Remote monitoring;Fuzzy control

TP273

A

1671-8151(2010)01-0056-05

2009-10-20

2009-12-28

丁欣(1988-),女(漢),山西原平人,主要從事電子信息工程方面的研究。

(編輯:楊忠義)