基于嵌入式Linux内核移植设备驱动的微喷自动装置

王 慧，张 璐

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)



基于嵌入式Linux内核移植设备驱动的微喷自动装置

王 慧，张 璐

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

为了实现精准灌溉和节约用水的理念，提出了基于嵌入式Linux内核移植设备驱动的温室微喷自动装置。通过分析温室参数和作物生产信息，利用传感器网络采集温室内温、湿度等环境因子，采用微喷灌调节和控制温室内环境，为农作物生长提供最有利的条件。文中重点研究了嵌入式内核系统、传感检测网络、数据处理单元及水泵送水管道组件的微喷自动控制装置，并搭建了试验平台。试验表明：该系统能实现对温室环境实施实时监测，可通过电磁阀控制执行器进行微喷灌水，有效控制环境因子，可靠性强、稳定性高，对微喷灌溉应用于农业种植具有重要指导意义。

精准灌溉；嵌入式；内核移植；温室微喷

0 引言

近年来，我国北方的旱灾问题越来越严重，农业用水越来越困难，水资源在农作物生产种植中的作用越来越突出。中国农业灌溉水资源利用率仅仅有51%，与发达国家之间差距较大。本文提出的温室微喷自动系统，对农业种植区温、湿度的自动检测和合理利用水资源，节约用水具有重要意义。本文将嵌入式系统应用于温室微喷自动控制设备中，充分利用ARM系统高性能、低功耗、低价格，通过温室内温、湿度传感器网络和灌溉控制阀门网络准确有效地控制灌水量和灌水时间，实现对大棚的合理灌溉，高效利用水资源，极好地解决了传统灌溉用水浪费大、稳定性差的缺点，在农业灌溉方面具有很好的应用前景。

1 温室微喷装置总体方案与硬件平台

温室微喷自动装置的设计，选择设计方案时必须综合考虑多方面因素：一方面，整个系统必须具有可行性，系统运行效率高，节水能力强；另一方面，系统应用性强，能对环境因子进行数据的采集和处理，根据环境需要实施灌溉。由于主要应用于农业灌溉，结合现阶段农村经济水平，整个系统的成本需要严格控制，不能太高。

1.1 系统总体设计方案

温室微喷自动装置主要包括流量、压力、温度检测、湿度检测等电路的设计，控制系统主要功能是实现温室灌溉信息的采集和自动控制，通过嵌入式控制系统采集微喷装置的水力特性参数，驱动电磁阀网络对水压、水量进行调节。该系统总体设计包括试验平台、数据采集处理控制系统、电磁阀网络及传感器网络等。温室微喷自动装置运行框架图如图1所示。

图1 温室微喷自动装置运行框架图

系统试验平台主要由水泵、水力稳压器、过滤网、压力阀、控制柜和处理器组成。根据温室微喷系统的控制对象、控制规模及低成本要求，本系统采用嵌入式智能控制系统。温室微喷自动装置总体设计框架如图2所示。该系统以S3C2440处理器为硬件核心，直接对所需控制对象进行实时监控，从而完成系统的控制和管理。控制对象为微喷设备，数据采集系统是传感器网络，执行器是电磁阀网络、变送器和抽水泵。系统的工作原理：先由温度、湿度、压力传感器组成的网络采集温室环境因子变量，然后现场数据采集处理模块将传感器采集的模拟信号转变为数字信号，并发送给S3C2440处理器进行数据计算处理；根据控制算法产生指令驱动控制执行机构，实现对温室的自动微喷灌溉。

图2 系统整体设计框架图

1.2 系统硬件平台

考虑到系统需要节能的特点，其硬件平台必须具备低功耗和高稳定性的特点。系统硬件平台的好坏直接决定整个系统的可靠性和稳定性的高低。该硬件平台主要由S3C2440处理器、存储器、显示器和传感器处理单元等硬件模块组成。S3C2440处理器具有价格低廉、功耗低、处理能力强等特点，其内部集成64M的内存和64M的FLASH，特别适合应用于工业设施上。系统硬件平台上的资源主要有CPU、外部存储器、串口、网络接口、LCD显示屏及电路等，如图3所示。

图3 系统硬件平台示意图

2 嵌入式Linux内核的移植

系统硬件平台的正常运行离不开底层软件的驱动，而嵌入式操作系统是软件环境的核心成分，监控着整个硬件平台的数据资源，负责各个硬件模块间的联系和驱动，并为软件开发提供平台。Linux系统功能强大，内核源代码开源程度高，软件资源多，可驱动各种硬件体系，系统建立也比较容易。嵌入式内核移植主要包括建立系统开发环境、BootLoader移植、Linux内核的编译和移植3个部分。

2.1 建立系统开发环境

嵌入式系统开发大多数采用交叉编译，其软件调试环境建立在宿主机(即1台PC 机)上，对应的开发板叫做目标板，首先需要在专门编译程序的软件平台上进行，然后生成的源代码可以在其他平台运行，这一过程主要有两个部分：本机和目标机。本机是进行编译并生成可以运行程序的PC机；目标机则是嵌入式系统的硬件平台。嵌入式系统开发环境如图4所示。

图4 嵌入式系统开发环境框架图

建立交叉编译一般采取搭建工具链的方式进行，具体步骤为：①下载交叉编译器源码包；②建立目录；③解压源码包；④设置编译路径。配置宿主机上的TFTP服务，主要为以后下载相应的内核映像和文件系统做准备。NFS为网络文件，是Linux 系统中一种常用服务，其设计是为在不同系统间使用,所以其通讯协议与主机及作业系统无关。

2.2 BootLoader移植

BootLoader是嵌入式系统运行的第一段程序，通过运行该程序可以实现对CPU、存储设备及外围设备的初始化，系统访问存储空间或者程序文件的烧录都是通过BootLoader进行的。BootLoader比较依赖硬件资源，其移植常常需要先考虑内核中的配置。常见的嵌入式BootLoader有U-Boot、VIVI、RedBoot及ARMboot等。

绝大多数的BootLoader都具有下载和启动两种模式，本系统采用VIVI式嵌入式BootLoader，其专门针对三星芯片而开发。VIVI式嵌入式BootLoader移植步骤如图5所示。

2.3 Linux内核的编译和移植

目前，Linux内核增加了不少对S3C2440 处理器的支持，但仍需对内核进行调整来适应嵌入式系统的开发，而且还需要重新配置、编译和重新生成新的内核映像。本文中嵌入式Linux内核的编译和移植主要包括NAND Flash分区和内核的配置两部分。

图5 BootLoader移植步骤

NAND Flash分区如下:系统从Nand Flash启动时，S3C2440处理器首先将Nand Flash前4K代码复制芯片内部RAM空间，处理器从内部RAM开始执行程序，因此vivi必须放到Nand Flash顶端。然后，vivi运行后初始化硬件设备、建立内存空间映射表；再将内核映像加载复制到SDRAM中；最后开始启动内核。vivi分区中的地址主要是引导程序、内核映像及文件系统下载到Nand Flash的真正地址。因此，内核MTD必须与vivi分区一致。

内核配置结构包含:①Linux内核的配置系统由4个部分组成；②编译确定Makefile；③内核编译过程；④下载内核到开发板。

3 温室微喷自动控制处理系统设计

3.1 硬件设计

温室微喷自动控制装置要充分调节和控制灌溉压力和流水量，系统通过电磁阀统一控制灌水器的开关，由处理器控制开关时间，实现自动控制给水，保证灌溉区域给水量的一致性和准确性。为了保证作为正常生长所需水分和节约用水，嵌入式Linux内核移植设备驱动的温室微喷自动控制系统应该具备以下特点：能采集传感器网络信息数据和驱动电磁阀控制喷水器阀门开关，而温室温、湿度传感器网络分布范围比较广泛，灌溉阀门执行网络负责。因此，控制系统需要采取灵活的灌溉控制方法。灌溉自动控制处理系统如图6所示。

智能控制系统先将传感器网络采集的温室温、湿度数据信息发送给核心处理器；处理器将田间作物生长所需水量与实际温、湿度信息结合，判断温室是否需要灌溉；当达到需求时开启灌溉执行阀门，对温室内进行微喷施水，以保证田间土壤湿度值，节约水资源。

图6 灌溉自动控制处理系统示意图

3.2 软件设计

温室微喷自动控制设备通过检测环境温度和土壤湿度，然后决定控制阀门的开关。根据作物生长状况和环境因素，该系统可根据灌溉每次的用水量、作物实际接收量、土壤湿度值及环境温度进行综合分析，确定灌溉时间和灌溉量。温室微喷自动控制系统的软件设计主要有：嵌入式主程序、传感器网络程序及阀门驱动程序等。传感器网络程序实现路由、数据采集的功能；阀门驱动程序则控制微喷灌溉的开关，实现实时控制灌水。温室微喷自动控制系统程序主要包括数据处理和驱动电磁阀操作。各子程序分别设计，具有独立使用的特点，调用起来也比较方便，大大加强了软件的运行效率和稳定性。温室微喷自动控制系统软件流程如图7所示。

图7 温室微喷自动控制系统软件流程图

温室灌溉给水控制软件运行流程图比较简洁，系统运行时首先开始进行初始化设置，然后开始采集并处理温度和湿度传感器信息，并发送至S3C2440处理器进行数据对比和判断，最后确定是否需要灌溉及灌溉用水量和灌溉用时，在满足作物正常生长的条件下，尽量节省水资源。

4 系统抗干扰设计

在设备驱动等自动装置的设计应用中，系统抗干扰能力直接确定整个微喷系统稳定性的强弱。系统中的干扰主要是空间电磁辐射和过程信道等干扰，其主要干扰系统的硬件资源，导致处理器工作不正常。

在设计硬件平台时，电路板布线过程中应注意加大线与线之间的距离，尽量减少引线的长度；对于线路周边比较复杂时，应该尽量画直线；对于电磁干扰比较强的地方需要采取电磁场屏蔽措施，采用铝箔或者铜箔将需要隔离的地方包围起来；强弱电之间尽量采用变压器或者电磁阀隔离。

5 试验与结果分析

为了验证本系统的可靠性和稳定性，将本系统应用于某蔬菜种植基地的温室内，在不影响原作物生长的前提下，从节水、增值和节省劳动力等方面进行测试。整个应用共投入使用3个传感器网络，69个采集点。当系统未进行微喷时，采集土壤含水率周期为1h。这样有利于节省能源，降低系统运行功耗。当系统进行微喷时，采集土壤含水率周期为10min，可以更精确地测量土壤含水率，提高灌溉效率。投入使用1年后，收集相关数据，使用动态分析法。效益分析指标结果如表1所示。

表1 效益分析指标结果

在使用温室微喷自动控制系统时，与采用人工灌溉的方式相比，虽然每次用水量相差不大，但是年灌溉用水量明显减少，大大节约了水资源，且作物产量也有提高。试验表明：温室微喷自动控制系统采用科学可行的方法实施灌溉，不仅很大程度地节省水资源，解决了人工监测难度大、效率低下、灌溉不及时的缺点，还可以提高农作物的产量。

6 结论

针对农业种植中人工灌溉难度大、效率低、灌溉不及时的问题，提出了基于嵌入式Linux内核移植设备驱动的温室微喷自动装置。通过分析温室参数和作物生产信息，利用传感器网络采集大棚内温、湿度等环境因子，并结合大棚种植应用进行试验和分析。试验结果表明：该温室微喷自动控制装置，能够对温室环境实施有效监测，并通过电磁阀控制执行网络进行微喷灌水，可以有效控制和调节环境因子，大大节约了灌溉用水量，提高了作物种植产量，使农业灌溉效率有较大的提高。同时，系统运行过程中稳定性强，适应复杂的农业种植环境，对微喷灌溉的普及具有重要意义。

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Micro Injection Automatic Device Based on the Porting Device of Embedded Linux Kernel

Wang Hui, Zhang Lu

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

In order to meet the concept of precision irrigation and water saving, it puts forward an automatic device based on embedded Linux kernel for greenhouse micro injection. Through the analysis of the greenhouse and field parameters and crop production information, the system makes use of the sensor network to gather the greenhouse temperature and humidity environment factor, micro irrigation regulation and control in greenhouse environment and crop growth to provide the most favorable conditions. In this paper, we focus on the embedded kernel system, sensor detection network, data processing unit and the micro injection automatic control device of water pump, and set up the experimental platform. Experiments show that the system can meet the real-time monitoring of greenhouse environment, and by controlling the electromagnetic valve actuator of micro spray irrigation, effective control of environmental factors, system not only has high reliability, high stability, micro spray irrigation application in agricultural cultivation, which has an important guiding significance.

precision irrigation; embedded; kernel transplantation; greenhouse micro injection

2016-05-05

河南省自然科学基金项目(2015GZC155)

王 慧(1983-)，女，河南南阳人，讲师，硕士。

张 璐(1982-)，女，河南南阳人，讲师，硕士，(E-mail)zhanglu0377@163.com。

S499；TP316.81

A

1003-188X(2017)07-0196-05