基于ARM9的温室茶树培养监测系统

0 引言
随着经济的快速发展和科技的进步，人们的生活水平不断提高，对生活质量的要求越来越高，对春茶的需求也大大增加。使得春茶供不应求，从而提出了温室培养茶树，以缓解人们对春茶的需求。
随着Internet技术的兴起，在嵌入式设备的管理与交互中，基于Web方式的应用成为目前的主流，这种程序结构也就是大家非常熟悉的B／S结构，即在嵌入式设备上运行一个支持脚本或CGI功能的Web服务器，能够生成动态页面，在用户端只需要通过Web浏览器就可以对嵌入式设备进行管理和监控，非常方便实用。
对于温室茶树的培养，需要保持其相对优异的生长环境。本文通过嵌入式Web服务器将被控设备接入Internet，用户可以通过IE浏览器对监控设备实现远程监测与控制。

1 系统介绍
本文设计的温室茶树生长监控系统如图1所示。

系统采用32位的ARM9处理器S3C2410作为主控器，各类传感器将采集到的信号传输给处理器，交由处理器处理，当当前环境变量不符合预先设置的参数时，处理器将进行相应的操作处理。为了实现远程监控，嵌入式Web服务器通过Linux下的Boa服务器将监控设备接入Internet，用户可以通过IE浏览器对被控设备实现远程监测与控制。

2 系统硬件设计
嵌入式Web服务器系统不仅可以进行现场数据的采集、处理与控制，还可以通过PC机上的Web浏览器来访问嵌入式系统上的网页。在登陆界面需要输入用户名和密码，当用户名和密码正确后方可进入监控界面。
本温室茶树培养监测系统主要由ARM主控平台、传感器数据采集模块、调控模块、上位机构成。系统硬件结构图如图2所示。

2．1 S3C2410处理器
S3C2410处理器是Samsung公司推出的基于ARM920T内核和AMBA总线的32位ARM微处理器。使用0．18μm CMOS标准宏单元和存储器单元工艺；16 KB指令缓存和16 KB数据缓存，支持MMU，可运行WinCE、Linux等操作系统；集成LCD，UART，I2C，SPI，I2S，USB，SD控制器等片内外围设备；支持廉价的NAND FLASH启动；其时钟最高可达到203 MHz。
2．2 传感器模块
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，此传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
ESM-CO2防护型二氧化碳变送器是在进口红外双光束二氧化碳传感器基础上设计的一款专门用于农业等多种高湿场合使用的产品。采用进口红外双光束CO2传感器，串行接口，可以很容易与其他设备连接。可靠性、稳定性比较高。
HA2003光照传感器采用光电转换模块，将光照强度值转化为电压值，再经调理电路将此电压值转换为0～2 V或4～20 mA；高精度的光照强度测量体积小巧，IP65防护等级设计传感器结实、耐腐蚀响应速度快，小于1 s可选用电压或电流输出，电流输出在长缆线传输时没有信号衰减。可以很好的用于温室光照的测量。

2．3 调控模块
对温度控制：调控设备在设定的上下限进行自动加温降温。目前降温设备为制冷机，高于上限时启动制冷机，温度达到下限时停止制冷；能设定24 h内3～4组不同的上下限温度在不同时间控制，并保持每天重复直至更改参数；在降温同时启动计时器，对降温时间和间歇时间进行控制；低于设定下限时启动加湿，加湿到达上限停止加湿，若湿度高于上限时启动排风，若长时间高于上限启动警报。
对二氧化碳的控制：当室内的二氧化碳浓度低于设定的下限值时，便打开二氧化碳通气阀，开始向室内通入二氧化碳。当二氧化碳的浓度到达设定的上限值时，关闭二氧化碳通气阀。
对于光照的控制：当光照不足时，打开日光灯，增加光照，保证光合作用需要的光强度，给予茶树叶子充裕的光合作用时间。
通过这种智能控制，大大降低了人力，为工作人员降低了负担，不用时时呆在温室中，节约了时间。[page]

3 系统软件设计
系统软件设计流程图如图3所示。

系统初始化后，进入主程序循环部分。先对传感器进行数据采集，采集的数据进行处理，当当前的生长环境参数不满足预先设定的条件时，开启调控设备，对环境进行调控，也可以通过上位机手动控制调控设备。

4 嵌入式TCP／IP协议栈数据处理流程
嵌入式TCP／IP协议栈处理数据流程如图4所示。

系统初始化后，进入主程序循环部分。先检查是否收到以太网数据帧，若己收到以太网数据帧，则检测以太网数据帧首部，判断所载数据类型，然后对接收到的数据进行相应处理：若接收到的以太网数据帧中包含ARP数据，则调用ARP处理程序；若接收到的以太网数据帧中包含IP数据报，则针对其是否为ICMP、TCP协议格式分别进行相应的解包处理。若不包含IP数据报，则丢弃此数据帧。
若未收到以太网数据帧，此时若有数据要发送，则对数据进行打包，将数据以以太网数据帧的格式发送出去。若无数据要发送，则回到主程序循环。

5 系统测试与结果
本系统通过人为的改变室内环境变量分别对系统功能与运行结果进行了测试和分析。用户需要在PC机上的Web浏览器中输入嵌入式Boa服务器的IP地址，正确后就会出现如图5所示的用户登录界面；需要用户输入用户名和密码，进入监控页面如图6所示。

系统在进行实验时，将环境温度上下限分别设置为28℃和15℃；将环境湿度上下限分别设置为90％RH和65％RH；将环境光照强度上下限分别设置为550 lx和100 lx；将环境中CO2上下限分别设置为40％和10％；当环境参数超过限制时，自动开启相对应的调控设备，以维持温室内环境参数的稳定。当环境参数恢复正常后，其警告图标熄灭，自动调控系统停止工作，实现了自动调控室内环境的功能。

6 结语
温室茶树培养监测系统使用了功能相比较单片机更为强大的ARM9芯片，实现了嵌入式系统在现场数据的采集、处理、控制和远程监控中的应用，并通过Web远程访问，解决了数据传输的具体问题。设计了一种基于S3C2410的嵌入式Web服务器。本设计很好的实现了对无人值守温室环境的远程监测和控制。整个系统实时可靠、灵活易用，并且留有扩展升级的空间，具有很强的实用价值。