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摘要
随着经济的发展，现代化农业的研究越来越受到重视，在果蔬种植方面，农业大棚是现代化农业的重要组成部分，而拥有智能控制系统的农业大棚则是农业现代化的重要标志。智能控制系统的主要原理是通过棚内传感器对作物生长环境参数进行采集并上传至中央控制器进行处理，控制器根据数据处理结果下发对棚内环境设备的控制信号。中央控制器的主要架构为以 ARM 芯片为核心的嵌入式系统，ARM 芯片在越来越多的领域内具有很强的通用性，并以其低功耗高性能获得越来越多厂家和研发机构的青睐。
本文针对智能大棚精细化管理提出了一种新的控制系统，对其关键的模块进行了研究和设计。该系统采用了以 ARM 为核心的硬件系统，辅以外部控制通信链路，通过弱电模块控制强电设备，同时定制 Linux 核心的操作系统，利于平台软件的开发、驱动程序开发，利于平台的扩展。
本文针对该系统制作了开发板，采用了Pads Layout等工具进行高速PCB设计，保证了电路板工作性能稳定和信号完整性。在以 Linux 操作系统为核心的基础上，独立设计一套 IIC 扩展 IO 的总线协议，主芯片只使用 IIC 接口不仅节约了 ARM 芯片通用输入输出接口 GPIO 的数量，同时兼顾硬件设计的归一化和可自定义配置，使得整个系统可以理论支持高达 256 个子板。由于棚内设备种类众多，功能子板也采用了通用设计，每张子板可以同时控制两个单相棚内设备，或者一路双向设备，增加了系统的灵活性。
系统数据采集架构同样考虑了归一化设计，采用 RS485 电气标准以及 Modbus协议结合的方式，以统一传感器上传的接口，使得不同厂商的类似产品均可以无缝连接至该系统中来。RS485 标准理论可以接入上百个节点，通信距离最高可达到 1200 米，各项指标均远超实际需求，因此该系统的可扩展性非常高，并能够跨范畴延伸到各种类似的应用环境中去。
我们利用该系统进行了功能验证以及环境测试，测试结果证明了该系统方案可行性，操作简便，适合于多种环境条件下的智能大棚控制。
关键词：智能大棚，嵌入式系统，ARM，PCB 设计，Linux
ABSTRACT
As the rapid development of the economic, more and more attention is payed on research on modernization agricultural. As the agricultural greenhouse is an important component of modern agriculture.Agricultural greenhouse with intelligent control system is an important symbol of the modernization of agriculture. Intelligent control system distributes the house keeping signal with the central processor， uses the processed information collected from variety sensors. The key part of the intelligent control system is the embed central processor ARM. ARM is more and more popular in information high tech engineering and research because of its low power cost and high-performance.
Meanwhile in this paper, present a new verifiable platform, the key modules of the research and design. The hardware architecture of the platform use the ARM processor as the central process unit with the universal synchronous and asynchronous communicate cannel, to use the low power circuit to control the heavy current installation circuit. The hardware loads the Linux operating system to simplify application software and driver software development.
In this project,we use high-speed PCB Design Pads 9.3 in the study based on the signal integrity for the signal to the PCB simulation, to ensure stable performance of the circuit board.Based on theLinux OS,designning with theIO extensionby IIC protocol.The main chipusing only the IICinterface not only savesthe general GPIO number of ARM chip, but also thehardware designis normalizationaland custom configurable.Thesystem cansupport up to256 slot boards.Because ofvarious types ofequipment in greenhouse,we also use auniversal design,each slot boardcan control twosingledirection equipments,or one bidirection equipment to increase the flexibility of the system.
The architecture of data acquisition systemalso take into the normalized design,by using RS485 electrical standard and Modbus protocol.To unify the upload sensor interface,making products can work out with different manufacturers.The RS485 standardtheory cansurpport hundreds of nodes,and the communication distance can reach a maximum of 1200 meters.It is far more than the actual demand,so the system works with highly scalability,and can be extended intovarious category application similar environment.
The test result of the function validation and environmental testingproves the feasibility of the system，simple operation，suitable for many kinds of intelligent greenhouse environment control.
Keyword: Intelligent Greenhouse，Embed System，ARM，PCB design，Linux
随着人们生活水平的不断提高，农产品市场对产品质量和数量要求越来越高，因此对于农产品生长的环境要求日趋严格，传统的农业模式日益受到挑战，需求变革和创新。随着这一需求的不断加深，智能大棚系统应运而生，也越来越成为广大科技工作者和消费者关注的焦点。它是利用人工建造的环境辅助设施，使传统农业逐步摆脱对自然环境的依赖和限制，走向现代规模化精细化农业、环境安全型农业生产、无毒农业，同时也使农产品打破传统农业的季节性，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。传统温室环境控制系统，主要是通过人工现场采集大棚参数，手工操作大棚各项设施的工作[1]。这种管理系统在没有精确测量手段的配合下，存在很大的滞后性，作物的生长环境无法达到真正意义上的最优化，甚至可能由于人为操作的误差，造成作物生长环境劣化。近年来，随着计算机技术、自动控制及网络等技术在温室环境控制及管理等方面的广泛应用，智能大棚控制系统有了足够软硬件的支持，使得大棚管理逐渐由粗犷走向精细，更加科学化、智能化，最终提高农作物的产量和品质。
目前设施农业十分发达的国家有欧洲的荷兰、中东的以色列、北美洲的美国以及亚洲的日本和韩国。这些国家的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[2]。荷兰的温室制造公司，不仅在结构、机械化、自动化、产品采后处理发面设备技术水平高，而且在计算机智能化、温室环境调控方面也居世界领先地位。荷兰温室的运作基本由计算机控制操作，配以加热升温系统、二氧化碳施肥系统、通风系统、遮阳和保温幕帘等，通过采集实时环境数据，自动分析和处理，并对环境设备进行自动控制。
我国政府部门高度重视我国农业的发展，先后出台了《农业科技发展"十二五"规划》、《关于加快推进农业科技创新持续增强农产品供给保障能力的若干意见》、《全国农垦农产品质量追溯体系建设发展规划（2011-2015）》等政策，全力支持"十二五"期间我国农业的发展[3]。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环境与管理系统，并采用 VB 语言开发了基于 WINDOWS 操作系统的控制软件，开创了国内智能大棚控制系统的先河。随后的这些年来，国内企业在硬件设计生产、控制技术方面确立了自己的知识产权，但是作为控制系统的核心：棚内环境中心调控技术，一直都是国外先进企业最为保密的部分，国内厂家的产品还难以与国际上如美国、荷兰、以色列等国家相比。在东北三省以及南方沿海多城市陆续修建了以花卉种植为主的智能大棚[4]。这些大棚设施主要作用是做为高科技农业试点单位，普遍以花卉、园艺植物的养殖培育为主。从而智能大棚的主要经济收入还是来自游客参观、生态旅游等。总体来说，我国的智能化农业生产的总体水平有长足发展，但是与国际水平依然有非常大的差距。
该智能大棚的研究思路主要为建设一个智能型大棚的控制系统，该控制系统能对棚内设备控制达到控制大棚参数的作用。其中，需要建立系统控制模块，对控制信号进行转发，并且汇聚棚内的环境参数数据。控制模块负责提供阀值的设置，并对用户终端返回告警。而棚内的传感器组数据和开关量输出数据汇总到棚内的嵌入式控制系统中，还可以经过嵌入式控制模块的整合打包，统一上发至处理平台。另外嵌入式模块提供参数显示，以及棚内设备自动控制的功能。
本论文的结构主要分为 6 个章节：第一章为引言，介绍研究目的和意义；第二章阐述了总体设计思路，并提出测试思路；第三章详细介绍控制系统主板硬件设计，对其中的关键模块进行了详细研究和设计，给出了从原理图到 PCB 设计、机柜布线设计；第四章，定制 Linux 操作系统，并且给出 Linux 系统更新和下载的方式方法，以及详细阐述了控制软件的设计和实现；第五章给出了该系统的测试与验证结果，并进行了结果分析；第六章是对本设计的一些总结，并展望将来可以改进的工作。
智能大棚控制系统测试：
IIC 实测时序
IIC SCL 信号质量
IIC SDA 实测信号质量
RS232 RXD 信号测试
RS232 TXD 信号测试
拨码开关示意图
安装示意图
目录
第一章 绪论
1.1 研究意义
1.2 国内外研究现状
1.3 研究思路
1.4 论文的结构与安排
第二章 智能大棚总体设计
2.1 智能大棚需求
2.1.1 大棚功能需求
2.1.1.1 强制通风降温系统
2.1.1.2 外遮阳系统
2.1.1.3 补光系统
2.1.1.4 喷淋系统
2.1.2 大棚系统拓扑体系
2.2 技术路线
2.2.1 架构分析
2.2.2 网络架构
2.3 本章小结
第三章 控制柜设计
3.1 控制柜总体设计
3.1.1 控制柜架构思路
3.1.2 控制访问流程
3.2 主板原理图设计
3.2.1 控制主板基本原理
3.2.2 CPU 原理图
3.2.3 RS485 接口原理图
3.2.4 以太网接口原理图
3.2.5 IO 扩展接口原理图
3.2.6 USB 线路原理图
3.2.7 电源管理原理图
3.3 子板原理图设计
3.3.1 数字接口原理图
3.3.2 继电器控制模块原理图
3.4 背板原理图设计
3.5 PCB 分层设计
3.6 PCB 板布线设计
3.6.1 主板核心板 PCB 设计
3.6.2 主板底板 PCB 设计
3.6.3 子板 PCB 设计
3.7 PCB 实物
3.8 本章小结
第四章 Linux 控制软件设计
4.1 Linux 系统介绍
4.2 Linux 移植和定制
4.2.1 建立交叉编译环境
4.2.2 制作 Linux 配置单
4.2.3 Linux 系统更新
4.3 控制软件设计
4.3.1 数据采集设计
4.3.2 开关量传输设计
4.4 控制软件的实现
4.5 小结
第五章 系统实现与测试
5.1 单板性能测试
5.1.1 IIC 关键信号测试
5.1.2 RS232 关键信号测试
5.1.3 以太网关键信号测试
5.2 整机组装实现
5.3 系统功能测试
5.3.1 手动开关测试结果
5.3.2 触屏控制测试结果
5.3.3 触屏控制测试
第六章 总结与展望
致谢
参考文献
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