智能植物培养箱设计（结合ARM和Linux）

摘要

　　随着信息技术的不断发展，现代农业正在逐步取代传统农业，信息技术在农业生产上的应用也越来越广泛，人工植物培养室(或人工植物培养箱)就是其中一个典型代表。

　　人工植物培养室(或人工植物培养箱)一般都有监测温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、土壤酸碱度这几个环境变量的功能，一旦发现其内部环境达不到植物生长的要求，可以自动进行调节。

　　在信息技术发展的浪潮中，嵌入式系统无疑是最令人瞩目的技术之一。嵌入式系统是针对特定用户和特定需求而开发的一种专用计算机系统，一般都具有软件硬件可裁剪、运行稳定、体积较小、功耗较低等特点，近年来已经被广泛地应用于网络通讯、实时监控、工业自动化、消费电子产品等多个领域。

　　本文结合 ARM 和 Linux，设计了一款基于嵌入式系统的智能型植物培养箱，该培养箱有采集和控制两大功能。采用三星的 S3C2440 作为主控CPU，搭载了SDRAM、NandFlash、USB 模块、网卡、SD 卡等构成嵌入式系统的硬件基础，并连接了用于实时采集箱内温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度这四个环境参数的传感器，还设置了一款摄像头用于拍摄箱内的实时图片。由于要实现箱内环境的调节，因此硬件部分还包括对应的环境调节装置。软件方面主要分为系统底层软件设计和应用层软件设计两大模块，底层软件设计包括构建嵌入式 Linux 系统和编写(或者配置)必要的驱动程序；应用层软件主要用于实现核心的业务逻辑，进行数据的采集、存储、控制、显示等。

　　关键词：植物培养箱 嵌入式 Linux 采集 存储 控制 显示

Abstract

　　With the continuous development of information technology, modern agriculture is now going to replace the traditional agriculture and the application of information technology in agricultural production is becoming more and more widely. Artificial plants rooms (or artificial plants incubators) is one of the typical representatives of it. Artificial plants rooms(or artificial plants incubators) usually have the function of collecting environment variables like temperature, humidity, illuminance, carbon dioxide concentration, soil ph, etc, and require human intervention or adjust automatically if needed.

　　In the tide of information technology development, the development of embedded system is undoubtedly one of the most remarkable technology. An embedded system is usually for a specific kind of users for specific requirements. It can be regarded as a special computer system with the characteristics of using hardware that can be cut, stable processing, small volume and low power consumption. Over the past few years, embedded technology has been widely used in network communication, real-time monitoring, industrial automation, consumer electronics and other fields.

　　This paper designed an intelligent plant incubator based on embedded technology with ARM and Linux. The incubator has two functional modules: data collection module and control module. The main hardwares of the system consisted of samsung S3C2440 , which was selected to be the main controller, SDRAM, NandFlash, USB interface and sensors that were used for acquisition of the temperature, humidity, illuminance , the concentration of carbon dioxide and a camera for capturing real-time images in the incubator. It also carried the corresponding environment adjusting devices to adjust the climatic conditions. Software design was mainly divided into two parts: low level softwares and application softwares. Low level softwares included embedded Linux system and the necessary drivers. Application softwares were mainly used for processing the data collection, storage, control, display, etc.

　　Key words：Plant Incubator, Embedded Linux, collection, storage, control, display

　　为了引出该课题，有必要先介绍一下人工气候的概念，假设某地引进另一地的某类动植物，而这两地的气候条件又有较大的差距时，可能就需要人工模拟当地的气候条件以适应引进物种的生长，为此可设计一套易于人为控制其温度、湿度、光照度、气压、气体成分的装置，若此装置的空间较大，称其为“人工气候室”，若空间较小，称其为“人工气候箱”，二者实现原理基本是一致的。

　　人类对于该领域的研究已经有 60 多年的历史，世界上最早的人工气候室出现在1949 年的美国加利福利亚，由当时一位名为温特(F.W.Went)的着名园艺学家主持修建[1]，这是一个大型的人工植物培养室，取名为 phytotron，因此今天该词汇也被赋予了“人工气候室”的含义。Phytotron 一出现就引起了世界范围内的广泛关注，相继有多个国家都投入了对人工气候技术的研究。

　　早期的人工气候室功能比较单一，主要用于植物培养。但是,在 80 年代左右，人工气候室的应用领域有了很大的扩展，被普遍用于蔬菜栽培、名贵植物培养、动植物检疫、环境监测、动植物检疫、海洋探测等多个方面。并且随着控制论的发展，当时的人工气候室已经有了简单的自动校正功能。90 年代，随着网络化和信息化的到来，计算机成为了人们生产生活中必不可少的一项工具，以计算机替代人力工作的方式得到人们的青睐，出现了由计算机程序控制的人工气候室或人工气候箱。

　　当前，人类已经逐渐迈入了智能化的时代，大量的传统的人力工作都可以由计算机来替代，大量新型的技术也都可以运用到本文涉及的这个领域中来。当前市面上已经出现了很多植物培养箱，但它们大多采用单片机作为其主控制器，一般都有抗干扰能力较差、故障率高、不易扩展、人机交互体验差、不支持远程管理等缺点。基于此，本文着力设计了一款性能更加优越，功能更加齐全，界面更加友好的植物培养箱。

　　本论文设计的植物培养箱基于 ARM 控制器和嵌入式 Linux 操作系统，稳定性高，成本低，能够提供优良的人机交互界面，并且带有网络功能，可结合 Web 技术提供远程管理功能。

　　论文第二章主要讲述了系统的总体框架，包括硬件结构框架和软件设计框架。

　　第三章讲述系统的硬件设计，详细介绍了系统中各个主要器件的特性和连接方式，并给出了硬件电路原理图或原理框图。

　　第四章主要讲述了如何搭建嵌入式系统(对于本文，即移植 U-Boot、Kernel 和文件系统)，以及如何编写或者配置相应的驱动程序，使得硬件能够在系统中使用。

　　第五章主要介绍应用层软件，包括嵌入式 Web 服务器的构建、嵌入式数据库的搭建、数据处理程序的编写和网页脚本的设计。之后还选择温湿度为被控对象，介绍了模糊控制算法。

　　智能植物培养箱软件应用：

用户登录界面

lighttpd 运行成功画面

浏览器中打印出 PHP 的信息

网页实时显示

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题的背景和意义
　　　　1.2 国内外发展现状
　　　　1.3 论文的主要研究内容
　　第二章 系统总体设计
　　　　2.1 系统需求性分析
　　　　2.2 系统设计选择
　　第三章：系统硬件设计
　　　　3.1 ARM 核心板设计
　　　　　　3.1.1 S3C2440
　　　　　　3.1.2 SDRAM
　　　　　　3.1.3 NandFlash
　　　　　　3.1.4 USB 接口
　　　　　　3.1.5 网卡
　　　　　　3.1.6 触摸屏和 LCD
　　　　　　3.1.7 SD 卡
　　　　3.2 传感器选型
　　　　　　3.2.1 温湿度传感器
　　　　　　3.2.2 光照度和二氧化碳传感器
　　　　　　3.2.3 USB 摄像头
　　　　3.3 控制电路
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 系统软件设计
　　　　4.1 嵌入式 Linux 开发平台的搭建
　　　　4.2 移植 U-Boot
　　　　　　4.2.1 U-Boot 简介
　　　　　　4.2.2 U-Boot 的修改和移植
　　　　4.3 移植 Linux kernel
　　　　　　4.3.1 Linux kernel 特点及其功能
　　　　　　4.3.2 Linux kernel 的配置和移植
　　　　4.4 构建 Linux 文件系统
　　　　　　4.4.1 Linux 下的文件系统简介
　　　　　　4.4.2 根文件系统的制作和移植
　　　　　　4.2.3 构建 GUI 环境
　　　　4.5 驱动程序的编写和移植
　　　　　　4.5.1 DHT11 驱动程序
　　　　　　4.5.2 NandFlash 驱动程序
　　　　　　4.5.3 摄像头驱动
　　　　　　4.5.4 其它驱动程序
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 应用软件设计
　　　　5.1 嵌入式 Web 服务的实现
　　　　　　5.1.1 lighttpd 服务器的移植
　　　　　　5.1.2 PHP 的移植
　　　　　　5.1.3 SQLite 数据的移植
　　　　5.2 数据处理程序的设计
　　　　　　5.2.1 时间获取子程序
　　　　　　5.2.2 图像采集子程序
　　　　　　5.2.3 数据采集子程序
　　　　　　5.2.4 数据库设计和数据存储子程序
　　　　　　5.2.5 主程序
　　　　　　5.2.6 软件测试
　　　　5.3 网页交互设计
　　　　　　5.3.1 验证登录模块
　　　　　　5.3.2 数据实时显示模块
　　　　　　5.3.3 历史数据查看模块
　　　　5.4 温湿度控制
　　　　　　5.4.1 温湿度控制的难点
　　　　　　5.4.2 模糊控制
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　发表论文和科研情况说明
　　致 谢

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