基于ARM嵌入式技术的农业远程监控系统集中器的设计与实现*

黄 钦，闫德鑫，曾平红

湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421000

农业已经成为一个比较繁荣的国家支柱性产业，我国目前已经成为现代化农业大国。农业的发展直接关乎我国对于农业在经济建设和社会进步中所处的地位。现代农业的发展主要依靠良好的气候和生态环境条件。中国幅员辽阔，地理位置优越。由于我国部分地区的气候、生态环境等条件相对较差，各种条件之间的不同影响了我国当前农业的迅速进步。随着现代社会科学技术的进步和发展，从事基层特色农业劳动和生产工作的人数越来越少，我国各地区人民对于农产品的需求也越来越多[1]。时代的进步为人们提出了更高的材料质量要求。

1 ARM嵌入式技术的应用现状

随着信息技术的发展，时代的不断进步，5G时代的到来，大数据的发展趋势势不可当。大数据的本质是所有数据的一个结合，在新技术的要求下，大数据的采集已不再是之前简单的方式，而是采用更加先进的技术。如果在生产生活中，加强大数据的利用，必然对工作的准确性，对生活的、生产的质量都有着很大的提升作用。因此，在今后的发展中，加强对大数据的使用，促进生活的进步、社会的发展与经济的建设，培养专业的人才来促进大数据的正确合理使用。

目前，我国的设施农业温室也得到了广泛的应用，但大多数的控制技术都过于落后。传统的手工测试和控制的使用也占用了大量的人力和时间。工业计算机的使用成本昂贵，同时需要配备专业的操作技术人员，给农业的发展带来极大的不便。价格较低的单片机性能较低，不利于技术的推广。因此，我国设施农业温室的环境控制在许多方面还有待改进和完善。在此基础上，采用嵌入式技术和嵌入式集中器作为温室领域的主控制器，是设施农业发展中采用技术手段的适宜选择。设施农业温室监控系统的研究涉及多种技术，包括嵌入式控制技术。

如今，智能手机已经与人们的生活密不可分，移动应用的应用领域也在不断扩大。嵌入式技术与计算机和智能手机终端应用相结合是未来必然的发展道路[2]。通过Zig-Bee无线传感器网络采集温室内的数据信息，通过RS232串口发送到嵌入式集中器终端，然后通过无线通信技术将控制器与普通计算机连接起来。计算机可以实现监控，PC机也可以实现。设置服务器还可以使移动电话远程访问计算机端的数据，农业技术人员也可以离开温室现场，在家中或室外实时进行监视和控制。

2 设施农业远程监控系统相关理论及关键技术

设施农业温室远程监控系统的研究对我国农业的发展具有现实意义。它改善了传统温室生产管理技术的落后，改变了农业技术人员烦琐的人工控制过程，提高了生产效率，提高了我国的生产效率。农业大国的核心竞争力在未来农业发展中具有巨大的农业科技研究价值。设施农业温室远程监控系统包括嵌入式技术、无线传感器网络技术、数据库技术、网络通信技术、PC服务器技术、Android移动应用开发技术等。

2.1 嵌入式技术

嵌入式系统是一种以应用为中心的计算机专用系统，基于计算机技术，软件和硬件可以定制，对系统的可靠性、功能、体积、成本和功耗都有非常严格的规定。嵌入式系统应用领域非常广泛，主要应用于工业控制设备、智能仪表、网络设备、汽车电子、环境监测、通信设备等领域。嵌入式系统结构包括嵌入式处理器、车载硬件（FLASH、LCD等）、嵌入式操作系统、嵌入式应用。其中，嵌入式处理器、车载硬件和各种外围接口构成了嵌入式系统的硬件组件，嵌入式操作系统、应用程序和设备驱动层构成了嵌入式系统的软件部分。

2.2 无线传感器网络技术

最初，Linux主要被应用于服务器。Linux以其低廉的成本和定制化的可能性,后来在各种嵌入式系统中已经得到了广泛的应用。嵌入式Linux之所以能够快速地发展,因为它实际上是一个安全的免费软件；Linux平台是一个多功能、多任务的操作系统，具有丰富的图形用户界面，强大的平台扩展性，几百kb的文本大小都可以多达几mb。Linux由于其强大的网络功能,在服务器领域已经得到了突破性的发展。Linux能够提供的网络协议栈既稳定又丰富。一个完整的 Linux发行版主要包括：Linux内核、gnu库和工具、命令行shell、桌面环境，并包含数千个办公套件、文本编辑器应用软件。

近年来，ZigBee无线传感器网络技术已经被广泛地认为是21世纪最重要的互联网技术，是一种综合性地集成控制、监视和无线通信的网络体系。传感器、数据处理单元与通信模块等应用在AdHoc网络中。构成了无线网络。每个传感器节点都可以向受众传输信息，收集到所有在监测范围内的环境物体对象上的信息，对该物体的信息进行处理,并通过无线传感器的网络向受众发送[3]。计算机技术与无线通信技术在整个互联网网络体系中的相互结合所形成产生的无线传感器网络，实现了三元世界的链路连接,对我国农业的建设与发展也产生了积极影响。

2.3 互联网通信技术

TCP/IP协议是Internet协议传输控制协议Internet协议的英文缩写。该协议通常被称为网络通信协议，是当今互联网上最为基本的一项协议。TCP/IP协议明确规定了各种电子设备之间与Internet的连接和通信方式,以及其他数据传输的标准。TCP主要是负责在Internet上发现传送问题并进行重传，直到用户所发送的大量数据信息已经到达其目的地为止，而IP则为Internet上的每一个网络设备指定了一个位置。

当一个客户端和服务器之间建立了连接时,通过数据流直接实现了对数据信息的传递,即客户端的输出流和服务器的输入流分别被连接到了服务器的输入流和服务器的输出流。不管服务器和客户端的运行操作系统之间是否相同,编程语言之间是否相同,都可以有直接地建立联系。与本次课题研究的基础性设施-农业温室遥感器远程监测管理系统一样，嵌入式集中器系统采用Linux系统，PC服务器端采用Windows系统，智能手机移动终端系统采用Android系统，嵌入式应用程序系统采用qt编程，移动电话和伺服计算机端的通信模块系统采用套接字网络编程。

2.4 PC机服务器技术

PC服务器就是在普通计算机上建立一个服务器和一个数据库，实现对嵌入式集中器发送的数据信息的存储、查询和控制。该系统的PC服务器可向嵌入式集中器发送控制命令，进行参数设置，同时利用MySQL关系数据库进行信息处理、查询等功能，实现设施农业温室的温湿度、CO2浓度、光强等环境参数的存储。在PC端建立服务器，使用户能够通过手机应用程序或服务器IP地址通过智能手机终端进行访问，实现远程控制功能。

2.5 手机 App 开发技术

目前，市场上的智能手机操作系统分为iOS系统和Android系统。本课题开发的手机应用程序使用Android系统，直接使用Java编程实现应用程序的开发，然后将开发的应用程序下载到手机上。在手机远程控制模块中，给出了手机应用程序的登录界面。温室内的数据信息可以通过GPRS数据流或局域网通过服务器查询，农业技术人员可以通过设置环形模式对温室进行实时监控[4]。

3 系统总体设计

传统的温室控制系统大多采用人工控制方法来控制温室环境，有些系统采用单片机进行控制，以达到一定的控制功能。如果将其应用于多个温室，则需要增加劳动力成本，并由人为因素控制整个系统，从而降低效率。

文章研究的基于嵌入式集中器的设施农业温室远程监控系统由嵌入式集中器子系统、PC服务器子系统和移动应用子系统三部分组成。文章讨论了监控系统的总体功能和体系结构。在分析和研究的基础上，重点介绍了嵌入式集中器子系统的总体结构和功能设计、软硬件设计和通信接口设计、硬件和软件开发平台的选择和无线传感器的选择。

地下集中器也安装在温室中，如无线传感器。嵌入式集中控制器连接液晶显示器和继电器。LCD触摸屏可实时显示温室内环境参数。Sink节点通过RS232串口与集中器通信集中器可以通过继电器查询和控制温室内的卷帘、风扇等外围设备，从而调整适合作物生长的温室环境参数。嵌入式集中器内置DM9000，网卡通过网线连接路由器，分配IP地址，建立网络连接，与远程PC服务器通信。嵌入式浓缩器向远程计算机发送温度、湿度、CO2浓度、数据和时间等参数信息，并提供来自外围设备的定时接收命令。

设施农业大棚远程监控系统各子系统的功能如下：（1）集中器管理子系统。其主要包括无线数据采集模块、数据传输模块和设备控制模块。无线数据采集主要包括温室内的温度、湿度和CO2。实时采集浓度和光强数据信息。数据传输功能是指集中器收到信息后将信息发送到PC服务器，并接收服务器发送的命令[5]。设备控制模块主要通过GPIO接口控制继电器，进而控制温室内的卷帘、吹风机等设备，达到调节温室环境的目的。（2）PC服务器管理子系统。其主要包括集中器发送数据的接收、处理和存储，通过数据库查询温室数据的信息变化，负责集中器与手机之间的传输功能。（3）移动应用管理子系统。其主要功能模块包括用户登录和账户管理、温室环境参数实时显示、远程控制命令和温室参数阈值设置。当温室内数据超过阈值时，会有报警功能。

4 结束语

总而言之，当今时代是信息时代，物联网技术也在逐步发展，合理地将物联网技术应用于人们的日常生产和生活中，有利于改善和提高人们的日常生产和生活质量，有利于推动社会进一步发展。在互联网时代的发展过程中，将先进的物联网技术充分融入农业工程，有利于推动社会主义经济的发展，维护社会生态平衡，提高自然资源的利用率，从而促进经济的健康可持续发展和自然生态环境的保护，最大限度地改善和提高自然资源的利用率，有利于社会主义经济的进一步健康发展和人民生活水平的提高，有利于提升我国在国际上的地位，早日达到我国的发展目标。