基于ARM9的嵌入式温室数据采集与CAN总线通信技术研究.pdf

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1、分类号密级基于单位代码：学号：。专目碧童夭等A R M 9C A N学位论文1 0 0 1 9S 0 4 1 1 7 3的嵌入式温室数据采集与总线通信技术研究R e s e a r c ho nA R M 9B a s e dE m b e d d e dD a t aA c q u i s i t i o na n dC A NB u sC o m m u n i c a t i o nT e c h n o l o g yf o rG r e e n h o u s e研究指导教申请学位门类级别：王堂亟向：电王信：鼠捷苤查壅些主的廛旦2 0 0 6 年1 1 月名方学业究在专研所摘要随着设

2、施农业技术的进步，相关支持技术的研究也得到迅速发展，温室信息采集和相关设备研究成为技术创新的研究方向之一。本文以解决实际应_【J 中温室环境调控信息快速采集、处理、通信等问题为目标，本着系统集成的思想，从数据采集终端雨l 中央控制端两个方面提出可行的解决方案。在数据采集端，集A R M 9$3 C 2 4 1 0、C A N 总线网络、传感器E C U，执行机构E C U、以太网传输模块于一体；具备U S B 接口，可以在U S B 存储设备中存储温室环境监测与控制相关信息；采用键盘和液晶显示屏作为人机接口，为操作人员提供了良好的操作界面；采埘相应的嵌入式开发工具，实现采集、显示、处理、通信等

3、多种功能。在中央控制端，接收数据采集端的有效数据进行处理，并可向数据采集端发出反馈信息。中央控制端采用L i n u x 平台完成软件编写。本研究成果为实现具有自主知识产权、适合我国国情的温室信息采集技术和以太网通信技术提出了一种可行的解决方案；经测试，数据采集和网络传输能够满足设施农业应用实践的需求。关键词：设施农业，数据采集，嵌入式系统，C A N 总线A b s t r a c tT h ea p p l i c a t i o n o f m a n y a d v a n c e d t e c h n i q u e s h a s g r e a t l y p r o m o

4、t e d t h e d e v e l o p m e n t o f g r e e n h o u s ei n d u s t r i e s T h ed e v e l o p m e n to f a p p r o p r i a t ee q u i p m e n t sf o rc o l l e c t i n ge n v i r o n m e n t a ld a t ai ng r e e n h o u s ew a so n eo f t h ei n v e s t i g a t i v ed i r e c t i o n so f t e c h

5、n o l o g i c a li n n o v a t i o n F o rt h ep u r p o s eo f s o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m ss u c ha so b t a i n i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n，a n dd a t ac o m m u n i c a t i o n，b a s e do ns y s t e mi n t e g r a t i o n,af e a s i b l es o l u t i o nt od

6、 a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a la n dc e n t r a lc o n t r o l l e rW a sp u tf o r w a r d T h e d a t a a c q u i s i t i o n t e r m i n a l W a s d e v e l o p e d b a s e dO I I A R M 9$3 C 2 4 1 0，C A N B u s N e t w o r k,S c n s o rE C U，E x e c u t i o nE C Ua n dE t h e m e tc o

7、 m m u n i c a t i o n I ts u p p o r t e dU S Bd e v i c ea c c e s st os t o r ed a t a K e y b o a r da n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yw e r ee m p l o y e da saf r i e n d l ym a l l m a c h i n ei n t e r f a c e T h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n tk i t sw e r eu s e df o rd a t

8、aa c q u i s i t i o n d i s p l a y i n g p r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n T h ec e n t r a lc o n t r o l l e rr e c e i v e da n dp r o c e s s e dd a t af r o mt h ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a l，a n df e e db a c k T h ep r o g r a m m i n gf o rt h ec e n t r a lc

9、 o n t r o l l e rW a s1 1 1 1 1i nt h ep l a t f o r m so f L i n u x T h i sr e s e a r c hd e s c r i b e daf e a s i b l es o l u t i o nt od a t aa c q u i s i t i o n，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n de t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nw i t ha ni n d e p e n d e n ti n t e l l

10、 e c t u a lp r o p e r t y T h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a td a t aa c q u i s i t i o na n de t h e m e tt r a n s m i s s i o na b i l i t yo f t h es y s t e mc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f p r a c f i c a lg r c c l l h o u a p p l i c a t i o n s K e yw o r d s

11、：i n s t a l l a t i o na g r i c u l t u r e，D a t aa c q u i s i t i o n，E m b e d d e dS y s t e m，C A Nb u sI I独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：蒌糙箜时问：2。年，月，7 日关于论

12、文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：毒挺萱时间：跏年，月矽日导师签名：时间：,o-r 6 年C，月谚日中国农业大学顾士学位论文第一章引占1 1 前言第一章引言农业是支撑国民经济发展的重要基础。目前，我国农业已经进入了一个新的历史发展阶段，农业生产将处于主要依靠科技进步加速农业结构调整、改善农产品品种品质、迅速增加农民收入

13、、提高农业整体效益、改善生态环境以及大力提高农产品市场竞争力的新时期。随着中国加入W T O、经济全球化、市场国际化进程的日益加快，科技创新的作用更加突出，技术含量低的农产品市场竞争力将越来越弱，农业产品的市场实力和缺乏竞争力的农业企业将面临世界范围的巨大冲击和威胁。因此，在很大程度上要求以现代技术，特别是高新技术改造和替代传统的农业技术体系。由依靠常规技术和资源密集型或劳动密集型为主的生产方式，转变到依靠科技进步，利用高新技术和现代工业技术装备农业的生产方式，提高资源产出率和劳动生产率，实现可控条件下高效益集约化的可持续发展的生产方式。世纪之初，设施园艺工程科技的发展趋势，是注重提高科技含量

14、和提升国际竞争力，注重提高品牌产品品质，优化产业链，发展高新科技应用。现代园艺工程将向无土栽培和封闭式水培系统逐步过渡。这可以显著节约水资源，防止对地下水的污染，提高产品品质，也正推动着相关技术的创新性研究。园艺设施新材料开发研究与结构设计创新，环境参数与作物生长过程控制自动化水平，一直是现代温室设施工程技术创新的驱动力。当今传感器技术的快速进步和计算机控制技术的发展，已使工厂化温室控制与自动化向数字化、智能化方向快速发展。现代设施嗣艺工程环境控制自动化的技术创新方向主要是：先进传感技术与控制技术的开发研究。在设施园艺工程领域未来技术发展方面，专家们提出了由保护地栽培向建立植物生产工程系统的新

15、概念，这实际上是突出基于信息和知识来管理复杂的设施园艺系统的一种技术思想。“植物生产工程系统”研究，包括保护地栽培系统，受控环境植物生产系统，水土污染生物治理系统希I 作为长期太空探索生命支持系统一部分的高效生物质生产系统等。其成功实施，将涉及作物栽培、自动化、环境调控与系统管理等科学技术领域。技术创新包括：植物生跃过程模拟，调控机理与技术研究；生物信息采集新型传感技术与植物生长过程监测研究与开发；计算机视角与图像信息处理技术用于生物对象模式识别；生物机器人研究与应用技术开发；遗传算法、神经网络、模糊逻辑、人工智能理论方法用于复杂生物系统控制与诊断决策研究；智能化同艺作物管理专家系统与辅助管理

16、决策支持系统开发研究；系统分析与集成技术研究等。设施同艺工程是设施农业的一部分，是一种高产、高效的现代农业生产方式，目前已成为我国农业的一个重要领域。它是随着农业环境l：程技术的突破，迅速发展起来的一种集约化程度较高、包含环境和技术设施及操作管理方法的一整套综合农业生产体系。它通过对光照、温度、湿度、养分等环境因子的控制，为作物提供最佳或较适宜的生长发育空间，从而完全或部分地摆脱中国农业大学硕七学位论文第一章引言传统农业中自然气候的限制，促进农业资源的科学开发和合理高效利圳，提高资源利川率、劳动生产率和社会经济效益，同时还有助丁I 整个农业的可持续稳定发展。冈此，设施农业义被称为：【厂化农业。

17、广义的设旖农业主要包括设施栽培和设施养殖两个方面，而狭义的设施农业包括塑料人棚、温室、植物I：厂化三种不同的技术层次。近年来，随着农业环境I：程技术的发展，设施农业已由早期的地膜覆盖栽培、同艺作物温室栽培和无士栽培向由高新科技成果支持的工厂化种植和I：厂化农业车间生产迅速发展，使作物的生长速度加快、生长周期缩短、产量增加、质量提高，其效率和效益比传统农业要提高几倍甚至几十倍。由于先进的设施农业是现代生物技术和，1：程技术的集成，科技含量高，已成为当今世界各国大力发展的高新技术产业。随着国比经济的快速发展和人民生活水平的提高，设施农业的发展趋势是提高水平，档次，逐步实现规范化、标准化，系统化，形

18、成具有我国特色的技术和设施体系，重视现有技术薷成果的推广应用，形成高新技术产业，实现大规模商品化生产尽管目前温室人棚、无土栽培、节水灌溉、工厂化养殖等在生产上得到了前所朱有的大发展，并实现了农业工厂化生产、企业化运作，但美中不足的是智能化程度与智能化普及率过低。虽然不少地方引进了一些国外的计算机智能控制系统，如温室环境控制系统，施肥灌溉控制系统、工厂化育苗智能系统等，也真l E 实现了数字化、智能化、自动化，但投资过大、系统故障维护不便，导致经济效益过低，许多农业高科技园区都存在这个瓶颈问题，实现农业智能化对于大部分农民来说还是可望而不可及。冈此，开发低价位实用型的农业设施智能控制系统已迫在眉

19、睫，对于推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具有很人的市场商机。1 2 研究背景及意义为适应我国农业进入新阶段后对农业高新技术的迫切需求，近年来，设施农业科技项目受到国家前所未有的重视。在九五期间国家启动了工厂化农业示范项目，经过五年的示范，取得了一定的成就，设施农业中的一个共性问题就是环境的调控问题，在九五期间已经引起了设施领域、控制领域的高度重视，专家向科学技术部提供了许多建设性的工厂化农业发展战略报告，因此在十五期间“工厂化农业关键技术研究与示范”被列入国家科技部十五国家重点科技攻关项目，“设施园艺可控环境生产技术”也被首次列入国家“8 6 3”计划，国家自然科学基金生命科学

20、部也设立了“可控环境农业生产技术”等研究项目。随着设施农业的发展，工厂化、集约化程度的不断提高，对设施农业环境I：程调控技术与设施的要求也越来越高。在：厂化高效农业科技产业项目中，建立现代化的智能温室是其重要的组成部分。温室环境自动控制技术是现代设施农业领域中温室环境控制的核心内容，智能化温室是集农业科技上的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的最先进的农业生产设施，是现代农业科技向产业转化的物质基础，它能营造相对独立的作物生长环境，彻底摆脱传统农业对自然环境的高度依赖。2中固农业大学硕上学位论文第一章引苦本课题以中国一希腊2 0 0 5-2 0 0 7 年科技合作项目。信息与通信技术(I

21、 C T)在可持续性设施农业中的应用”为依托，提出基于C A N 通信标准的总线型农业温室分布式测控系统，在L i n u x操作系统下开发一套上位测控管理软件；同时，C A N 总线终端采用$3 C 2 4 1 0 处理器设计为嵌入式系统，充分发挥嵌入式系统专_ l J 性和软硬件可裁剪的特点，移植嵌入式L i n u x 操作系统和应_ H j程序，从而实现温室环境冈子数据的实时采集、文本文件保存和以太网传输。课题研究目的是利J E I j 嵌入式终端通过C A N 总线对温室环境进行控制，实时采集和保存环境因子，为温室环境动态建模和智能控制算法研究提供硬f l：q l 软件平台，进一步提

22、高温室环境控制的智能化。1 3 国内外研究现状1 3 1 国外研究现状1、国外设施农业发展现状荷兰、日本，以色列、美国、韩国、西班牙、意大利、法国等国是设施农业十分发达的国家，其设施没备标准化程度、种笛技术及规范化栽培技术、植物保护及采后加工商品化技术、新型覆盖材料开发与应用技术、设施综合环境调控及农业机械化技术等有较高的水平，居世界领先地位。荷兰、日本、以色列、韩国等1 常重视运用温室品种选育，能为温室提供专用的耐低温、高温、光照、高湿，具有多种抗性，优质高产的种苗。如荷兰境内有1 3 0 个种茸专营公司，种质资源有强大优势，在脱毒、快繁等方面有很高的技术水平。荷兰是世界四大种子出口国之一，

23、有4 9 0 0个品种，1 2 0 0 公顷生产面积，种子出E l1 0 0 多个国家。日本、韩国、以色列的蔬菜种子在我国也有较人面积种植，均有良好的表现。日本、韩国研究开发了瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本开发了育苗移栽机器人，有触觉和视觉，移栽几十万株苗的繁重作业，对机器人而言非常轻松。机器人能指挥灌溉，可根据光反射和折射原理准确测定基质的含水量，根据需要适量灌溉，达到节水、防病、保持环境整洁的目的。日本研制了可行走的耕耘、施肥机器人；可完成多项作业的机器人；能在设施内完成各项作业的无人行走车；用丁组织培养作业的机器人；柑桔、葡萄收获机器人。在无土栽培方面，所有欧盟国家同艺作物要全部实现无

24、土栽培。无土栽培不仅高产，而且可向人们提供健康、营养、无公害、无污染的有机食品。能够充分注意营养液循环利用，节省投资，保护生态环境作用强。西方发达国家近些年内设施农业，无土栽培技术发展十分迅速。荷兰、英国、法国、意大利、西班牙、德国人部分设施农业均进行无土栽培。另外，奥地利、美国、日本等国家目前建造了一些世界上最为先进的植物工厂，采取完全封闭生产、人工补充光照，全部采用电脑控制和采用机器人或机械手进行播种、移动作业、采收等。所谓植物工厂与温室设施没有本质区别，通常是指那些具有生产设备先进、控制与管理自动化程度1 F 常高的植物生产保护设施。一般来说称得上植物厂要具有以卜重要特征：具有一定规模的

25、自动化生产方式；能进行周年生产；营养液栽培；植物可以移动；高度环境控制性能等2、国外温室环境控制发展现状国外对温室环境控制技术研究较早，在美国、荷兰、以色列、英国等国家的设施农业中，智中固农业大学硕I：学位论文第一章引亩能化温室环境测控技术已得剑广泛的普及与应_ H j。目前，各国温室制造公司相继研制了专用的温室气候控制计算机及其它如灌溉、施肥计算机等，这些在温室现场的控制计算机可与远离温室的计算机控制室进行数据和信息交换，使温室管理人员在遥远的地方就可以对温室生产的情况一日了然。发达国家如荷兰、美国、英国等都人力发展集约化的温室产业，温室内温度、湿度、光照，C 魄浓度、水、气，营养液等实现计

26、算机调控。1 9 7 8 年日本东京人学的学者研制出微型计算机温室综合环境控制系统。目前，日本、荷兰、美国等发达国家可以根据温室作物的特点和要求，对温室内的诸多环境冈子进行环境控制“1。在提高温室管理水平的同时，国外温室研究人员也非常重视环境冈子的控制技术研究，从简单的P I D 控制方法到较高级的最优控制方法、专家系统控制方法都已广泛应用了温室的研究与生产实践中去，如美国的Q c o m e 公司，通过对温室开窗机构进行P I D 调节来控制温室内空气温度，在恒温控制时，一昼夜间单测点的温度波动范围偏差小于1 5 1 2。美国密执安州人学研制的温室专家系统，可以研究温度对花卉如一品红、百合等

27、的精确影响，并将环境控制系统与决策系统融为一体。荷兰位于欧洲西部，全国现有玻璃温室1 万多公顷，全部由计算机操纵，其中蔬菜与花卉的生产各占一半。荷兰在1 9 7 4 年首次研制出计算机控制系统C E C S。荷兰的园艺生产引人注目，它是世界著名的鲜花生产王国，花卉销于世界各国，每年出口收入达l O 1 4 亿美元，蔬菜每年出口近1 0亿美元。荷兰国内有十大温室制造公司。多数成立于本世纪2 0 年代，有较长的生产历史，经验丰富，技术精湛。高成本的投入，高效率的劳动，高质量的产出，高效益的收入，是荷兰温室同艺生产持续发展、不断提高的主要原因。良好的社会服务，是农民集中精力搞好生产的重要保证。在园艺

28、生产的领域内，除了温室公司外，还有泥炭土公司、种子公司、种苗公司以及肥料、农药、工具等为生产服务配套的公司。英国在一些农业工程研究所里进行温室骨架与荷载、温室光照与材料、温室环境、温室环境因子的计算机优化、温室节能、温室自动化控制，温室作物栽培与产后处理、无土栽培等课题的研究。英国国内目前主要与荷兰温室公司合作推广荷兰的温室设备，自己只生产一些非标准的特殊要求的温室设旌。在7 0 8 0 年代，英国的温室加热主要用燃油锅炉，后来由于石油价格暴涨，能源产生了危机，因此，改为使_ H J 燃煤。温室管理全部采用计算机管理，主要控制温度，湿度、光照、通风、二氧化碳施肥、营养液供给及p H 值、E c

29、 值等。伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观察并遥控5 0 k m 以外温室内的温、光、湿、气、水等环境状况，并进行调控。二氧化碳施肥在英国温室生产中占3 0 4 0 9 6，主要是生产规模较大的农户，小农户一般不使用。为保证二氧化碳浓度分布均匀，在温室中安装通风机，搅动空气使温室中c 0 2 的浓度一致。在温室种植中，无土栽培占温室面积的3 0 9 6，主要以岩棉基质栽培为主占9 0。在英国温室群建设中，特别注意温室的防风，采用树木做屏障。既防风又美化了环境。1 3 2 国内研究现状1、国内设施农业发展现状我国设施农业的发展历史悠久，至今已形成多种类型，普遍采_ j 的几种模式有：

30、简易覆盖型、简易设施型、一般设施型和工厂化农业，其中以节能日光温室、普通日光温室和塑料大棚发展最4中固农业人学硕：学位论文第一章引苦快。简易覆盖型、简易设施型和一般设施型农业技术含量低，租放经营，经营规模较小。工厂化农业是设施农业的高级发展阶段，即利川高科技设施材料，运用先进的I：群技术手段构建与田间传统农业截然不同的生产环境，如同在工厂中进行农业生产。通常包括加热系统，降温系统、通风系统、遮目I 系统、微灌系统和中心控制系统。它属于集约高效型农业，在我国尚处丁实验阶段，但代表我国设施农业的发展方向”1。目前，我国设施栽培已进入巩|i l i I、完善、提高、再发展的比较成熟的阶段。设施栽培总

31、体布局趋于合理，多数地区在发展中体现了以节能为中心，低投入、高产出的特色，设施设备的总体水平有了明显提高，设施类型向大型化发展。设施栽培的技术水平不断提高，专业品种的培育受到重视，设施栽培蔬菜的总产和单产人幅度提高，栽培作物的品种不断扩大和丰富，不但提高了经济效益，也促进了农【毛增收。2、国内温室环境自动控制发展现状我国对于温室控制技术的研究较晚，始于2 0 世纪8 0 年代。国内工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和c O：浓度等单项环境因子的控制，随后我国的温室控制技术得到了迅速发展。2 0 世纪8 0 年代，我国先后从欧美

32、和日本等发达国家引进了2 1 2 公顷连栋温室。由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。9 0 年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并采用V i s u a lB a s i c 工具开发了基于W i n d o w s 操作系统的控制软件。九五初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。到9 0 年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统“

33、1。1 9 9 6 年，江苏理工大学研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、二氧化碳施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。该系统由人棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。1 9 9 7 年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学，中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施计算机控制与管理技术。九五期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金委

34、，均首次增设了工厂化农业研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度。其中九五国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了。智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”专题。9 0 年代末，河北职业技术师范学院研制了蔬菜人棚，其能够对温、湿度进行实时测量与控制。可以看出我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展”。但由于我国农业现代化水平较低，农业劳动力大量过剩，温室的一次性投资丈，资金短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的扩展。日前，国内的一些大中型温室其控制系统主要采用以一F 两种

35、形式：一是温室单片机控制系统。这种系统充分发挥单片机抗干扰能力强、数据采集方便快捷、体积小、性能价格比优越等优点。华北型连栋温室白动控制系统就是采用这种控制系统，它能很好地完成环境监测、控制、存储及通信功能。二是以工业控制计算机为核心的温室控制系统。这两种控制系统一般都位于温室现场，给管理造成不S中国农业大学硕I：学位论文第一章引苦方便。另外，国内温室白动控制系统虽能较好地完成数据采集、显示与存储功能，但对环境冈子的控制水平、控制精度还有待进一步提高”1 4 课题研究内容本课题主要研究内容是根据“设施农业”应用中的实际需要，在嵌入式A R M 9$3 C 2 4 1 0 处理器平台上开发一套嵌

36、入式总线终端系统。通过软张：开发，实现温室环境因子的采集、处理、保存、远程数据传输；结合在实际项目中的麻用，设计适宜的软硬什解决方案，解决温室设备应用中的关键问题。由于农用嵌入式设备的应用开发属丁新兴技术，相关的资料较少，在本课题研究过程中，需要对嵌入式处理器、嵌入式操作系统、嵌入式应用程序编程技术等相关技术进行深入研究。传统温室监控系统一般由基于5 l 单片机的采集控制仪构成，为了便于集中监控，采集控制仪通过现场总线与负责监控的P C 机连接并进行数据通讯。它在一定程度上满足了中小型温室自动化生产的需要，促进了生产力的发展，但同时也存在不足之处，主要表现在采用P C 机来解决上述问题。体积较

37、大不利于安装，布线比较复杂，成本高，不利于产业化应用推广等，需要基于嵌入式系统和I n t e m e t 来重新设计远程温室监控系统。基于C A N 总线的嵌入式终端是对传统温室监控系统的改进与扩充。用基于A R M 技术的微处理器取代P C 机，系统整体性能不会发生改变，便于引入I n t e m e t 技术，成本大幅度下降。现场总线技术和嵌入式技术在植物环境生产系统中的应用可实时获取植物长势、土壤、基质等信息，支持温室作物生产管理辅助决策，而且成本低廉、稳定性高，有利于产业化推广应用。本文主要提出一种温室采集系统中应用的嵌入式总线终端设计方案，终端基于A R M 9 处理器设计，可作为

38、一个节点挂接在C A N 总线上，实现温室环境数据的实时采集与远程传输，取代P C机，降低成本。针对当前我国温室生产中信息采集技术相对落后、工作效率较低等实际情况，充分利用最新的嵌入式技术，设计开发能够对温室信息进行采集，实现多种数据的融合，并对信息进行存储和传输的总线终端系统。预期目标是研究与开发具备下述功能的嵌入式C A N 总线终端：1)终端与现场设备可以组成网络，进行网络通信；2)终端能够采集C A N 总线上的信息，并进行实时显示与存储3)可以将终端保存的数据拷贝到u 盘，或者利用以太网进行远程传输。6中国农业大学硕，I：学位论文第一二章系统总体设计第二章系统方案选择和相关支持技术2

39、 1 方案论述和选择2 1 1 嵌入式温室总线终端开发平台的选择本课题研究提出的嵌入式总线终端麻能够满足温室作业的环境要求，运行稳定，操作简单，界面清晰友好，轻便易于安装，且便丁推广应用。根据对温室环境监控因子采集的基本要求，研究如下几种方案进行了分析比较。l、采用P C I 0 4 卡开发：P C I 0 4 夤是高集成高性能的C P U 模块嵌入式主板，目前主要用于工业控制领域，有很多厂家从事这方面的开发，技术体系比较成熟，而且它抗寒抗振，体积相对较小，稳定性好，适于野外作业”1。但要自行开发这种总线终端难度较大，选择合适的忙并不困难，但要做成符合应用要求的总线终端，还需要配备显示屏和机箱

40、、电源等相关外部设备，根据市场报价，总造价比较高，而且系统集成以后体积和便携式计算机没有太大区别，不适合温室作业。2、采用单片机开发：用单片机进行开发具有成本低的优点，但目前大多数采用8 位或1 6 位单片机进行开发，功能有限，数据处理速度慢，不适合数据量大的场合进行数据采集、处理，也不适合实时性要求较高的场合。传统温室监控系统一般由基于5 l 系列单片机的采集控制仪构成，为了便于集中监控，采集控制仪通过R S 4 8 5 总线与监控中心的P C 机连接并进行数据通讯。它在一定程度上满足了中小型温室自动化生产的需要，促进了生产力的发展。但同时也存在很多不足之处，主要表现在以下三个方面：第一，硬

41、件方面由于5 l 系列单片机资源和性能有限，需要扩展的外围电路多，设计复杂，而且雉以满足较高的实时性要求；第二，软件方面由于没有操作系统支持，软件设计复杂，任务调度、硬件驱动等都需要程序员从底层开始设计，工作量大，调试困难；第三，随着温室生产逐渐向产业化发展，大型系列温室层出不穷，甚至有不少企业集团跨地域建立温室生产基地，因此提出了远程监控的需求，而采_【l j5 1 系列单片机做采集终端很难满足这个需求。3、采用嵌入式处理器开发：随着A R M 处理器在全球范围的流行，3 2 位的P d S C 嵌入式处理器已经成为嵌入式虑用和设计的主流。与国内大量应用的8 位单片机相比，3 2 位的嵌入式

42、C P U 有着明显的优势，它为嵌入式设计提供丰富的硬r I：功能，使得整个嵌入式系统的升级只需通过软件的升级即可实现，也不存在8 位处理器程序存储空间6 4 k 的限制。设计者可以任意选择多任务操作系统，并将麻川软件设计得复杂庞丈、功能齐全，真正体现”硬件软件化”的设计思想。现在主流3 2 位嵌入式处理器有A R M 系列、I n t e lX c a l e 系列、P o w e r P C 系列等，其中A R M 系列应用最为广泛。不带M M U(内存管理单元)的A R M 7 利带M M U 的A R M 9 在实际应用中使用最多，在各种嵌入式领域都体现7中国农业人学顾：学位论文第一二

43、章系统总体设计了强人的功能，取得了可观的成果”“经过多方面综合比较，决定基T-A R M 9 内核的$3 C 2 4 1 0 处理器进行开发，主要原因在于：$3 C 2 4 1 0 基于A R M 9 内核，运行速度快，功能齐全，扩展性能好；可以移植操作系统，便于系统开发和升级；功耗低，运行稳定。2 1 2 嵌入式终端开发环境选择嵌入式操作系统E O S(E m b e d d e d()p e f a t i n gS y s t e m)是一种J【l j 途广泛的系统软件。E O S 负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度协作、控制活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模

44、块来达到系统所要求的功能。目前，用丁=嵌入式系统开发主流的嵌入式操作系统有P a l mO S、W i n d o w sC E 0 c k e tP C)、V x W o r k s 和L i n u x 等。W i n d o w s C E 操作系统在国内的移动设备中戍圳较广，相关的资料和软件工具也比较齐全，但是由于不是开源软件，开发者受到很多限制。L i n u x 是一套免费使用和开放源代码的类U n i x 操作系统，这个系统是由全世界成千上万的程序员设计和实现的。它以高效性和灵活性著称，具有多任务、多用户的能力。L i n u x 之所以受到广大计算机爱好者的喜爱，主要原冈有两个

45、，一是它属于开源软件，用户不用支付任何费月j 就可以获得它和它的源代码，并且可以根据自己的需要对它进行必要的修改。同时作为嵌入式应用开发的嵌入式L i n u x 系统如A r m l i n u x、u c l i n u x 等都有成熟应用，因此在硬件资源允许的情况下可选择A r m l i n u x 作为温室终端的操作系统。开发模式采用宿主机加目标板模式，在L i n u x 宿主机上通过交叉编译环境编泽生成目标板可以运行的可执行文件，然后烧写到H a s h 中或者通过N F S 方式进行调试。2 1 3 传感器E C U 与执行机构E C U 方案选择为满足基本技术要求，考虑到系统

46、的结构和运行稳定性，同时降低开发成本，C A N 总线上的其它数据采集处理器采用了P h i l i p s 半导体公司生产的集成有C A N 控制器的增强型5 1 单片机P 8 7 C 5 9 l。它是一个8 位高性能微处理器。除了具有5 l 系列微处理器的通用功能和片内C A N控制器外，还集成有6 路模拟输入的l O 位A D C，并可选择快速8 位A D C，2 个8 位分辨率的脉宽调制输出(P W M)，带字节方式主，从功能的I I C 总线串行I O 口，以及片内看门狗定时器T 3。此外，它还具有4 个中断优先级，1 5 个中断源：全静态内核提供了扩展的节电方式；振荡器可停止和恢复

47、而不会丢失数据；改进的l：l 内部时钟预分频器在1 2 M H z 外部时钟速率时实现5 0 0 n s指令周期”“。P 8 7 C 5 9 1 微处理器采用了强大的8 0 C 5 1 指令集，并包括了P h i l i p s 半导体S J A l 0 0 0 独立C A N控制器的P e l i C A N 功能。P e l i C A N 与P 8 7 C 5 9 1 内核通过内部总线相连，如2 一l 所示，通过5 个特殊功能寄存器就可对P e l i C A N 寄存器和R A M 区进行便捷的访问。这5 个特殊功能寄存器分别是：C A N A D R(地址寄存器)、C A N D A

48、 T(数据寄存器)、C A N M O D(模式寄存器)、C A N S T A(状态寄存器)和C A N C O N(控制寄存器)。P 8 7 C 5 9 1 完全履行C A N 2 0 B 规范，具有S J A l 0 0 0 所有功能。8中国农业大学硕上学位论文第二章系统总体设计接口控制器读Je A N A D 毽C A N D A l。S F R写+(特藩功戆8 0 C 5 1数据卜寄存器)c l 菠斛内核Nyk”C A N C O N地址e N S 茂、r C A N M 0 02 2 C A N 总线技术图2-lP 8 7 C 5 9 1 微处理器5 l 内核与C A N 的接口2

49、 2 1 现场总线应用现场总线是应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是一种开放的、数字化的、多点通信的底层控制网络。现场总线技术将专用的微处理器置于传统的测量控制仪表之中，使它们各自都具有数字计算和通信能力，采用连接简单的双绞线等作为通信介质，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按照公开的、规范的通信协议，在位丁I 现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，进一步形成适应各种实际需要的自动控制系统。简言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互进行信息交换、共同完成自控

50、任务的网络和控制系统。它把众多分散的计算机连接在一起，使计算机的功能、作用发生了变化。现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。它实现了t l 动化设备之间的多点数字通信，底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式控制系统，它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示，监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项集智能传感器、嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为