嵌入式植物生长环境监控系统开发

摘 要

　　伴随信息技术和物联网技术的不断发展，各行各业均产生了翻天覆地的变化。在农业领域，信息技术应用于农业生产、农业管理、农业经营和农业服务，采集来自于农田、温室、园林等各个环境信息。结合我国农业实际情况，本文选取了具有高性价比的 ARM 芯片，辅之以开源且免费的嵌入式操作系统。设计了一种采用基于微处理器 ARM9 架构的嵌入式系统，结合图像、温湿度传感器及有线网络，用于对植物生长环境进行监控。为后续科学化的施肥、施药、信息预警和科学管理、决策提供技术支持。

　　本文首先根据当前形势和背景说明环境信息监控系统在农业方面的应用，阐述了开发相关产品的必要性。分析国内外环境监控技术的发展现状，结合我国自身国情，提出了使用以 ARM9 架构的微处理器为核心的控制平台与嵌入式 Linux系统平台，利用传感器技术与网络技术构建一个远程植物环境监控系统。

　　然后，根据功能需求搭建系统硬件平台。嵌入式控制芯片使用三星公司的s3c2440，并结合相关外围电路，来作为系统的控制和服务中心；选用 DHT11 数字温湿度传感器来对环境温湿度进行采集；使用中星微 ZC0301 摄像头来对图像进行采集；远程监控使用 B/S 架构，依靠 PC 端浏览器进行信息监控。在制定总体方案之后，对硬件平台各个模块进行了详细介绍。

　　在完成系统硬件平台的搭建之后，开始软件平台的设计，将采用自下而上的思想，以底层平台的构建为开始，介绍实现原理和开发过程。其中系统软件设计分为两部分：操作系统平台的搭建及应用程序的开发。先进行操作系统平台的搭建，包括：建立交叉编译环境，用以生成适用于本平台的可执行文件；移植BootLoader 程序，用以引导操作系统的运行；配置，移植 linux 内核，用以提供服务给底层可编程部件，并提供运行环境给上层应用程序；使用 Busy Box1.6 工具制作了基于 NAND Flash 的 JFFS2 文件系统，用以对存储设备上的数据进行组织和管理。

　　操作系统平台搭建完成之后，实现对信息的采集工作，通过编写并加载设备驱动及开发信息采集应用程序来完成。本文根据 DHT11 芯片的工作流程，设计驱动程序，编译完成后加载入内核；给操作系统植入 usb 驱动补丁，之后对内核重新配置，编译生成新的内核，增添了对 usb 摄像头驱动的支持；移植 sqlite 数据库，并建立温湿度历史记录表；在图像采集的过程中使用了 Linux 操作系统提供的 v4l 编程接口，根据采集图像流程设计图像采集程序；根据温湿度采集流程编写数据采集程序。

　　接下来，利用嵌入式 web 监控技术实现远程监控。包括：在已搭建完成的系统平台上移植嵌入式 WEB 服务器，用以接受客户机的请求，给客户机提供可以浏览的网页；编写 CGI 程序，用以对环境温湿度信息进行实时监控；使用 JAVA语言编写浏览器客户端 JAVAApplet 小程序，用于对采集到的图像进行动态播放；最后使用 html 语言制作网页客户端，作为展示界面，包括系统主界面，温湿度历史记录显示界面，实时视频播放界面。

　　之后，实现嵌入式服务器程序。主要使用网络套接字、多线程技术创建数据采集线程和处理客户端请求。为提高系统响应速度及减小系统开销，使用了线程池技术来进行线程的管理，当线程池的处理能力不足时，利用动态调整思想对线程池内线程数量进行调整，增强了系统稳定性。

　　最后，对软硬件平台搭建及资源部署完成后的系统进行测试。实验测试结果表明，系统能够及时准确采集环境温湿度及图像信息，并具有远程动态展示功能,为后续功能扩展与完善奠定了基础。

　　关键词：嵌入式系统；温湿度传感器；图像采集；web 远程监控

Abstract

　　With the continuous development of information technology and networking technology, there was a great influence in our world . In agriculture,information technology have been used in agricultural production, agricultural management, agricultural management and agricultural services, collecting information from farmland, greenhouses, gardens and other environmental . Acorroding to the actual situation of Chinese agricultural, this paper selected a cost-effective ARM chip, combined with open source and free embedded operating system ,and designed a microprocessor-based arm9 embedded systems, combining images, temperature sensor and cable networks for plant growth environment monitoring. The system will provide support for subsequent scientific fertilization, spraying, early warning information and scientific management.

　　Based on the current situation and background ,the paper indicated how Environmental Information Monitoring System develop in agriculture, and the necessity for developing related products. Analysing Current Situation about domestic and international environmental monitoring technology, combined with China's own national conditions, the paper proposed to construct a remote environmental monitoring system which used ARM9 architecture microprocessor core control platform and embedded Linux system platform, and used sensor technology and network technology.

　　According to the needs of hardware platform,the paper choose Samsung's s3c2440 combined with related peripheral circuits as control and service center,DHT11 as temperature and humidity sensor selection, Vimicro ZC0301 camera as video capture equipment, B / S architecture as monitoring model, and used the PC browser to monitor information. After drafting an overall plan for the system ,each part of the hardware platforms were introduced.

　　After completing building the hardware platform , the paper started designing software platform.the system software design is divided into two parts: build operating system platform and evelope applications. First,the paper built the operating system,include:transplant BootLoader program; configurated linux kernel to transplante it into embedded platforms; used Busy Box1.6 tool create file systembased on NAND Flash JFFS2 , then transplanted it into the same hardware platform.After completing building the operating system platform , the work was to achieve the acquisition of information, by designing and loading device drivers, and developing information collection applications.First, according to DHT11’s workflow, the paper designed the sensor driver, and loaded it into the system. Then,implanted usb drive to the operating system ,and reconfigure the kernel to add the camera driver support.Next ,transplant sqlite database and establish the database table to restore temperature and humidity history information. Finally,the paper designed video capture application program and temperature and humidity collection application program based on Design Process.

　　Next,the paper achieved remote monitoring,based on embedded web technology. The work included: set up embedded WEB server on the platform where the system had been migrated; wrote CGI program to monitoring real-time temperature and humidity; used JAVA to design video real-time transmission and dynamic display program; used the html to make client web pages as a display interface.

　　The paper achieved embedded server program by using network socket, multi-thread technology to collect and process client data requests. To improve the response speed and reduce system overhead, the paper used the thread pool technology. When the thread pool is too insufficient to process requests, the paper adjusted dynamically the number of threads in thread pool to enhance the system stability.

　　Finally the paper tested the system where the hardware and software platform had been built and the resource deployment had been finished. Experimental results showed that the system can collect information of temperature , humidity and image information accurately, and had remote dynamic display capabilities.

　　Keywords: embedded system; temperature and humidity sensor; image acquisition;web remote monitoring

　　进入 21 世纪之后，随着信息技术和物联网技术的不断发展，给人类社会带来了巨大的变化。在农业领域，信息技术应用于农业生产、农业管理、农业经营和农业服务，采集来自于农田、温室、园林等各个环境信息(魏勤芳,2007)。

　　应用物联网技术可以收集来自各个环境的信息，不但可以采集土壤环境信息，如土壤温度、土壤湿度、土壤 PH。而且可以实时收集大气环境信息，例如空气温度、空气湿度，还可获得水体环境信息，如水体温度、水体 PH（杜艳艳，2010）。

　　相关专业机构利用而收集到的农业环境信息对数据进行分析，可以帮助农户更加合理，更加科学地对农田，园林的植物进行管理，减少灾害的发生。

　　植物生长环境信息采集技术的研究是实现农业自动化的关键。伴随信息技术的发展，环境信息采集系统不断地向智能化、网络化方向进行，结合了网络技术，采用新兴的嵌入式技术及传感器技术，能够对环境现场信息进行精准采集（IF etal，2002）。能够更加方便进行远程数据传输及网络监控，节省了大量的人力资源，为实现农业的现代化管理创造了条件。

　　在植物生长的环境现场，将挂接传感器于环境现场作为监测点，将其与嵌入式控制芯片及外围电路集成。并与嵌入式操作系统结合，通过外围电路配置各种应用接口，检测现场温湿度及图像等环境信息。并利用网络，将监测点与远程计算机相连，进行远程监控。

　　本课题研究的植物生长环境监控系统，利用嵌入式技术及网络技术，构建一个远程信息监控系统，选取了具有高性价比的 ARM 芯片，使用基于 ARM9 架构的微处理器 S3C2440 为核心的控制平台与嵌入式 Linux 系统平台，保持各个模块独立的工作。使用温湿度、图像传感器，采集到的一些植物生长环境信息，通过网络进行实时传输，进行远程监控，实现监测数据的采集、传输及显示功能。

　　为后续实现规范化施肥、预警及管理提供依据。

　　主要工作内容包括：

　　（1）搭建植物生长环境信息采集系统的硬件平台。

　　（2）系统软件平台的搭建，主要有：建立嵌入式交叉编译环境、根据平台移植对应的 BootLoader、配置嵌入式系统 Linux 内核、制作根文件系统、设计传感器驱动程序等。

　　（3）实现系统的应用程序开发。包括：构建嵌入式服务器；编写温湿度采集程序；编写图像采集程序；编写服务器程序及制作客户端网页等。

　　嵌入式植物生长环境监控系统开发：

起始部分时序图

数据读取部分时序图

开发板启动信息

cpu 配置

串口驱动配置

usb 驱动配置

busybox 配置

目 录

　　第 1 章 引 言
　　　　1.1 课题背景和意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 国外研究概况
　　　　　　1.2.2 国内研究概况
　　　　1.3 主要研究内容
　　第 2 章 系统总体方案及硬件平台介绍
　　　　2.1 功能需求分析
　　　　2.2 系统方案总体设计
　　　　2.3 硬件平台介绍
　　　　　　2.3.1 目标板设计
　　　　　　2.3.2 摄像头的选取
　　　　　　2.3.3 温湿度传感器
　　第 3 章 系统软件平台设计
　　　　3.1 嵌入式系统的组成
　　　　3.2 交叉编译环境的建立
　　　　3.3 自举程序开发和移植
　　　　　　3.3.1 Bootloader 介绍
　　　　　　3.3.2 Bootloader 启动过程分析
　　　　　　3.3.3 U-Boot 介绍
　　　　　　3.3.4 U-Boot 详细配置和移植
　　　　3.4 Linux 内核的定制和移植
　　　　　　3.4.1 Linux 内核概述
　　　　　　3.4.2 Linux 内核构成和结构
　　　　　　3.4.3 Linux 内核定制和移植
　　　　3.5 根文件系统的制作
　　　　　　3.5.1 根文件系统概述
　　　　　　3.5.2 常见的文件系统类型
　　　　　　3.5.3 Busybox 工具包介绍和配置
　　　　　　3.5.4 根文件系统制作与移植
　　第 4 章 驱动设计和数据采集程序开发
　　　　4.1 嵌入式 Linux 驱动开发
　　　　　　4.1.1 Linux 设备驱动
　　　　　　4.1.2 温湿度传感器驱动设计
　　　　　　4.1.3 摄像头驱动移植
　　　　4.2 系统数据库设计
　　　　　　4.2.1 嵌入式数据库介绍
　　　　　　4.2.2 嵌入式开发对数据库的需求
　　　　　　4.2.3 SQLite 数据库建立
　　　　4.3 视频采集程序的设计
　　　　　　4.3.1 Linux 中 V4L2 的简介
　　　　　　4.3.2 图像采集的实现
　　　　　　4.3.3 模块功能设计
　　　　　　4.3.4 采集线程与客户端的交互
　　　　4.4 温湿度采集程序的设计
　　第 5 章 嵌入式 WEB 监控的实现
　　　　5.1 嵌入式 WEB 监控技术
　　　　　　5.1.1 C/S(Client/Server)模式
　　　　　　5.1.2 B/S(Browser/Server)模式
　　　　　　5.1.3 基于 B/S 结构的 WEB 远程监控系统
　　　　5.2 嵌入式 WEB 服务器移植
　　　　　　5.2.1 WEB 设备监控模型
　　　　　　5.2.2 WEB 服务器选择.
　　　　　　5.2.3 Boa 服务器的移植
　　　　5.3 CGI 网页交互程序设计
　　　　　　5.3.1 CGI 技术概述
　　　　　　5.3.2 CGI 程序工作过程
　　　　　　5.3.3 CGI 网页交互程序设计
　　　　5.4 使用 Java 显示视频
　　　　　　5.4.1 Java 进行视频动态显示的原理
　　　　　　5.4.2 基于 Java 的视频接收程序
　　　　5.5 网页客户端设计
　　　　　　5.5.1 HTTP 协议介绍
　　　　　　5.5.2 HTML 网页客户端的设计
　　第 6 章 服务器程序实现及系统测试
　　　　6.1 客户端与服务器的通信实现
　　　　　　6.1.1 套接字 socket 介绍
　　　　　　6.1.2 服务器端使用 socket 建立通信
　　　　6.2 终端服务器的实现
　　　　　　6.2.1 多线程机制
　　　　　　6.2.2 线程池介绍
　　　　　　6.2.3 线程池动态调整
　　　　　　6.2.4 服务器端程序设计
　　　　6.3 系统测试
　　　　　　6.3.1 建立测试环境
　　　　　　6.3.2 测试步骤
　　　　　　6.3.3 视频监控测试
　　　　　　6.3.4 温湿度监控测试
　　结 论
　　致 谢
　　参考文献
　　攻读学位期间取得学术成果

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