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20 20 农业科学 随着农业现代化的不断推进 软硬件可裁剪的各类 便携式嵌入式设备在农业领域得到了广泛应用 其中 以 ARM处理器为核心单元 加载Linux操作系统内核来统一 管理系统资源 这种架构体系在嵌入式设备开发中得到了 最为广泛的应用 本文从温室大棚温度检测的需求出发 基于ARM Linux架构体系 从硬件设计 到底层驱动和 用户程序的设计 进行了便携式嵌入式设备开发的完整流 程 设计出的温度监控设备可很好满足温室大棚对设定温 度的检测与报警 1 系统软硬件设计思想 1 1系统硬件设计 目前 ARM架构的嵌入式设备基础开发平台可选择 的型号很多 本项目开发采用周立功公司的EasyARM i MAX283A作为基础开发平台 此平台采用ARM926EJ S 为内核处理器 配置了种类繁多的各外设功能模块 并给 出了具体详细的SCH原理图 因此 温室大棚温度监控 设备可采用两种途径进行硬件设计 一是直接采用原来的 基础平台 这种方式简单 开发周期也短 二是在原SCH 基础上保留对应功能模块进行二次设计 这种方式对定制 式的系列嵌入式设备开发极具帮助 本项目开发采用第二 种方式进行 1 2系统软件设计 本系统加载Linux2 6内核 由于进行了基础平台的硬 件二次设计 所以内核需要重新编译和加载 考虑到将来 类似系统设备的可延展性 其中A D转换 EEPROM存 储器 GPIO按键 SPI数码管和蜂鸣器做成了内核驱动模 块进行动态加载 用户控制程序完成功能模块的调用和流 程控制 2 集成开发环境的建立 2 1宿主机集成开发环境的建立 为完成内核编译 功能模块驱动开发和用户程序设计 与调试等工作 应在宿主机上建立功能完善的集成开发环 境 并建立与目标系统的有效连接关系 具体内容包括以 下几个方面 2 1 1以虚拟机方式在用户主机上安装ubuntu12 04系 统 安装arm linux gcc交叉编译器 并设置有效的环境 变量 用于ARM架构的目标设备驱动程序与用户程序的 开发与调试 2 1 2通过TeraTerm等应用软件 建立宿主机与目标 设备的串口连接 完成初始命令的传输 2 1 3安装TFTP服务器 由于目标设备要加载经过裁 剪编译的Linux2 6内核 可以利用开销很小的简单网络传 输协议TFTP进行初始加载 2 1 4安装SSH服务器 通过建立在应用层和传输层 上的SSH安全网络通讯协议 完成软件开发过程中的用 户主机与目标设备间大部分数据传输工作 2 1 5安装NFS服务器 通过Linux内核的NFS网络 文件系统 可以让用户主机和目标设备之间实现文件共享 便于程序开发和调试 2 2目标设备环境建立 目标设备首先可以用多种方法烧写U boot 然后通 过U boot设置简单的网络参数 建立目标设备与用户主 机之间的串口连接和网络连接 主要以客户端的方式进行 网络数据传输和文件系统共享 通过TFTP加载Linux2 6 原始内核 并进一步通过网络升级内核和文件系统 3 功能模块驱动实现 为保证将来类似设备的设计开发 也使本设备能适应 不同环境的温度测量要求 设备的几个外设功能模块都设 计成了内核动态加载方式 由于参照的是GNU的开源代 码 驱动程序框架不需要太大改动 主要是针对硬件资源 进行资源再分配 并加入了一些底层文件操作的细节 3 1温度设置与保存模块 EEPROM块设备采用I2C接口 为上层的用户程序提 供存储温度值的读取和写入方法 驱动功能包括I2C总线 设备文件的打开和关闭 设置总线地址 检查最低最高警 告温度是否已设置存储 在0X00位置保存由按键输入的 基于ARM架构温室大棚温度监控设备的设计 杨笃伟 尚怡君 郑州西亚斯学院 河南 郑州 451100 摘 要 本文根据农业温室大棚对温度监控的不同要求 利用ARM9处理器和Linux内核架构 按完整的开发流程 对设备硬件 底层驱动和用户程序进行了系统设计 开发出的嵌入式设备能很好适应不同环境温度的监控 要求 关键词 嵌入式 ARM Linux 温度 文章编号 ISSN2096 0743 2020 03 0020 21 21 农业科学 一字节最低安全温度 在0X01位置保存一字节的最高安 全温度 设置进程互斥锁用于保护操作EEPROM的代码 3 2环境温度测量模块 利用MCP9700作为模拟输出的温度感知单元 输出 接入目标设备的ADC通道 ADC单元利用对应的计算公 式完成真实环境温度的上层用户接口数字量输出 ADC 单元驱动模块采用混杂字符设备框架 包括设备文件的打 开和关闭 环境温度测量与转换等 3 3温度显示模块 温度利用SPI总线接口的数码管来显示 为保证 Linux内核统一管理各种SPI总线设备 采用平台设备框 架编程 包括SPI核心层 SPI控制器驱动层和SPI具体 设备驱动层 核心层注册类和总线 统一提供用户程序接 口 控制器驱动层负责SPI主控制器的驱动 由具体设备 驱动层向SPI总线注册数码管设备 通过设备文件的打开 关闭和总线操作 驱动四位七段数码管显示具体测量温度 或告警温度 3 4按键处理模块 与统一管理SPI总线接口设备的设计原则类似 为便 于类似接口设备如鼠标 键盘等的扩充管理 按键作为通 用的输入输出 纳入Linux输入子系统 输入子系统通过 事件管理器动态注册按键设备 按键驱动包括设备打开 关闭和具体按键中断处理等 3 5蜂鸣器模块 蜂鸣器作为一路独立的简单I O资源 采用纯字符设 备驱动框架编程 包括设备的打开 关闭和I O操作 4 用户程序设计 由于Linux操作系统中 所有即文件 的概念 所有 对外设功能模块的操作其实都是对相应设备文件的操作 与普通文件操作一样 设备文件的处理方式也是一样的 无非就是文件打开 关闭 读写等 因此 温室大棚温度 监控设备的用户程序不用去关心设备底层的差异 主要实 现系统用户控制流程 用户程序采用Linux C编程 其流 程如下图所示 用户程序流程图 各功能单元由Linux内核动态加载的驱动模块进行 启动 用户调用设计成功能子程序的方式 具体包括 EEPROM温度设置和读取 A D环境温度测量 数码管指 定内容显示和按键消息中断处理 由主程序统一调度处理 5 结果测试 本监控设备采用了五个GPIO按键来控制温度设置和 温度显示 由键1控制数码管显示最低告警温度 由键2 控制数码管显示最高告警温度 通过键3和键4升高和降 低温室大棚具体的告警温度 通过键5可以观察数码管显 示的测量温度 当测量温度超过告警温度时 蜂鸣器连续 发出告警声音 提醒用户环境温度超差 对温室大棚的不 同环境温度要求起到了很好的测量与告警作用 6 结论 定制式的嵌入式设备在现代化农业方面有着广泛的应 用前景 嵌入式设备开发方式很多 本项目设计采用从软 硬件基础进行设计的开发方式 采用目前应用最为广泛的 ARM Linux架构 并从系统硬件 集成开发环境 设备 底层驱动和用户程序等环节进行了完整的系统设计和流程 说明 对相关设备的开发具有借鉴意义 开发的温室大棚 监控设备也能方便地应用于各种环境温度监控中 参考文献 1 蒙海陆 对嵌入式系统的开发与应用研究 J 电子测试 2019 2 张治国 ARM嵌入式系统综述 J 科技资讯 2007 3 宋 昊 农业温室测控系统的设计与实现 D 北方工业 大学 2018 4 刘 迪 周 强 基于ARM9平台上的嵌入式Linux系 统移植 J 物联网技术 2018 5 张欢庆 高 丽 宋承祥 基于ARM的嵌入式Linux交 叉编译环境的研究与实现 J 计算机与数字工程 2012 6 韩力英 杨宜菩 王 杨 唐红梅 牛新环 基于单片 机的温室大棚智能监控系统设计 J 中国农机化学报 2016 7 马子豪 耿瑞芳 刘宇航 高 朔 李镓丞 基于 C8051单片机的温室大棚空气湿度控制系统研究 J 电 子世界 2015 8 方 辉 程权成 基于单片机的蔬菜大棚智能控制系统 设计 J 电子设计工程 2015 基金名称 2017年度河南省高等学校重点科研项目 基 于农业物联网的农作物病害识别方法研究 编号 17A520017
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