遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本文描述了如何設(shè)計(jì)一個遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)。通過Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測氣象的數(shù)據(jù)，嵌入式Linux終端接收ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，將大量的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中，同時可以發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心將接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本文首先介紹了遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)。其次介紹了各個模塊的硬件設(shè)計(jì)及模塊界面，闡述了軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)以及軟件調(diào)試，最后說明了整體的調(diào)試情況。實(shí)踐應(yīng)用表明，本設(shè)計(jì)是嵌入式技術(shù)、GPRS技術(shù)、Internet技術(shù)以及ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的研究中的一次基礎(chǔ)性探索，具有一定的實(shí)踐意義。關(guān)鍵詞：氣象采集；Linux；嵌入式；數(shù)據(jù)庫；ZIGBEE；RemotemoistureMeteorologicalAcquisitionSystemAbstract:Thisarticledescribeshowtodesignaremotemeteorologicalmoisturecollectionsystem.ThroughtheInternetandGPRSnetwork,remotereal-timemonitoringofmeteorologicaldata,embeddedLinuxterminalreceiveseachnodeZIGBEEnetworkofmeteorologicaldata,willbedepositedlargeamountsofdatatothedatabase,andcanbesenttoaremotemonitoringcenter.Remotemonitoringcenterwillreceivethedatastoredinthedatabaseanddataanalysis,remotecontrol.Thispaperdescribestheoveralldesignofmeteorologicalremotemoisturecollectionsystem.Secondly,itintroducesthehardwaredesignofeachmoduleandthemoduleinterface,elaboratedsoftwaredesignanddatabasedesignandsoftwaredebugging,debuggingfinallyexplaintheoverallsituation.Practicalapplicationshowsthatthisdesignisembeddedtechnology,GPRStechnology,Internettechnology,andZIGBEEnetworktechnologyinabasicresearchtoexploretheremotemonitoringofenvironmentalparameters,hassomepracticalsignificance.Keywords:Meteorologicalcollection,Linux,Embedded,Database,ZIGBEE;TOC\o"1-3"\h\u55881緒論 緒論1.1課題研究背景與意義在國際合作的大環(huán)境下，我國隨著近期的工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城鎮(zhèn)化腳步得到加速發(fā)展，同時人們對生活質(zhì)量的要求不斷提升，作為人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動基礎(chǔ)的土地資源，被現(xiàn)代化建設(shè)大量占用，以及環(huán)境污染造成的水土流失、荒漠化和鹽堿化等現(xiàn)象，致使耕地面積銳減，土地質(zhì)量嚴(yán)重下降，土地資源的矛盾日益加劇。為確保在有限耕作面積下，農(nóng)作物產(chǎn)出不減，土地質(zhì)量狀況起到了重要作用。土地質(zhì)量狀況取決于諸多因素，而土壤墑情在一定層面上正反映了土地質(zhì)量水平，因此，監(jiān)測土壤墑情在保護(hù)土地資源中起著重要的作用[1]。另一方面，作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在我國的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的作用。從古至今，氣候因素對農(nóng)業(yè)的影響非常重要，近幾十年來，頻繁出現(xiàn)的極端天氣給人類生命財產(chǎn)安全、糧食安全等帶來了巨大的負(fù)面影響，已成為全球廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和研究發(fā)現(xiàn)，溫室氣體的大量增加導(dǎo)致的全球氣候變暖是極端天氣出現(xiàn)的主要原因。面臨嚴(yán)峻的全球氣候變化形勢，從《京都議定書》到哥本哈根會議，世界各國政府都積極參與如何應(yīng)對氣候變化的國際合作。可見，對于氣象的及時觀測從古至今都是人們所關(guān)注的熱點(diǎn)。早在清朝的時候，我國就已經(jīng)建立一套相對完善的氣象觀測制度，命令有關(guān)部門逐日觀測陰晴雨雪等天氣現(xiàn)象，并將觀測的結(jié)果編纂成《晴雨錄》，每月呈報給皇帝。在很長一段時間內(nèi)，氣象觀測均是以人工觀測為主，但是不可避免地，人工觀測存在時間與地域的限制，并且結(jié)果的估測會存在比較大的誤差[2]。不過隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，人們對于氣象的觀測越來越精確化，也為氣象觀測自動化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。綜上所述，土壤墑情和氣象的變化勢必影響著未來人們的生活，對于它們的研究分析已經(jīng)刻不容緩。本文將墑情和氣象結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一種可以遠(yuǎn)程監(jiān)控墑情數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以采集多點(diǎn)的現(xiàn)場墑情數(shù)據(jù)，如土壤的濕度、土壤的溫度等，還可以采集現(xiàn)場的氣象數(shù)據(jù)，如CO2濃度、溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以根據(jù)接收到得實(shí)時數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲并分析，提供報表打印功能，供相關(guān)人員研究分析墑情和氣象數(shù)據(jù)，提供決策依據(jù)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外的氣象采集系統(tǒng)在七、八十年代已經(jīng)投入使用，九十年代更是發(fā)展迅速。芬蘭Vailasa公司、美國Handar公司、CampbellScientific公司、澳大利亞DataElectronics公司出廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能都十分優(yōu)異：系統(tǒng)靈活性非常好；系統(tǒng)多采用串行總線技術(shù)，有很多輸出的接口；系統(tǒng)還具有配套的軟件，使系統(tǒng)的實(shí)時性大大提高；系統(tǒng)能存儲大量的數(shù)據(jù)；系統(tǒng)還具有自校驗(yàn)等功能[3]。從上世紀(jì)四十年代中期至今，伴隨著計(jì)算機(jī)、電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，許多國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在氣象領(lǐng)域的現(xiàn)代化改造。以美國和加拿大為例，從70年代末、80年代初開始建立非聯(lián)邦自動氣象站(AWS)和自動氣象站網(wǎng)以來，其數(shù)量發(fā)展迅速(已擁有831個固定站和150多個非固定站)，資料應(yīng)用廣泛(農(nóng)業(yè)、公眾服務(wù)等)。在氣象數(shù)據(jù)的采集方面，也已實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時化和網(wǎng)絡(luò)化傳輸，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的幫助[4]。由于受地理位置和復(fù)雜多樣的地形的影響，就國內(nèi)目前情況來看，自動氣象站的建設(shè)還剛剛起步，到2005年底，建成基站143個，一般站1763個。除國家或省級氣象局外，大多數(shù)基層氣象站的觀測儀器設(shè)備還比較陳舊，而且更新?lián)Q代周期長。尤其是經(jīng)濟(jì)和科技相對落后的西北地區(qū)，很多站點(diǎn)還依靠人工記錄和匯總，工作量大，容易出錯。顯然，這種狀況與時代發(fā)展是很不相稱的[5]。竇以文,屈玉貴等人研究并提出了一種自動氣象站實(shí)時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，最后應(yīng)用在北京奧運(yùn)會的氣象服務(wù)系統(tǒng)中起了很大的作用[6]。國內(nèi)目前的墑情監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)已有一定的發(fā)展。Mathmood,Hubbard,Martinez等人采用模擬長期分析的方法，根據(jù)對比北部大平原的水文氣候條件，研究了土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的三種土地墑情情況，同時研究了近地表和根區(qū)土壤水分時空分布情況[7-8]。隋東、張濤、崔勁松利用VFP610數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對沈陽地區(qū)土壤墑情監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)研制。所建立的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)土壤墑情信息的統(tǒng)計(jì)、檢索、列表顯示、圖形分析顯示和預(yù)測等功能，并且可對土壤墑情變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測[9]。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能根據(jù)課題的要求，本設(shè)計(jì)運(yùn)用嵌入式技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：土壤墑情數(shù)據(jù)采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集；氣象參數(shù)數(shù)據(jù)采集CO2、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫濕度等數(shù)據(jù)采集；RTU無線組網(wǎng)功能；現(xiàn)場RTU的大型數(shù)據(jù)存儲功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信功能；觸摸式人機(jī)交互功能；基于嵌入式的多任務(wù)調(diào)度功能；基于Internet網(wǎng)和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；墑情及氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。2.2遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由一個墑情數(shù)據(jù)采集模塊，氣象數(shù)據(jù)采集模塊，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用軟件組成。氣象數(shù)據(jù)采集模塊通過Internet和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用軟件通信，墑情數(shù)據(jù)采集模塊和氣象數(shù)據(jù)采集模塊通信。系統(tǒng)總體構(gòu)架如下圖2-1所示：圖2-1遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)總體架構(gòu)圖2.3墑情數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)墑情數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集土壤溫度、土壤濕度等墑情信息，通過無線的方式將墑情數(shù)據(jù)發(fā)送給氣象采集模塊。2.3.1無線模塊Zigbee是近幾年興起的一種低功耗、低成本、短距離、組網(wǎng)靈活的無線通信技術(shù)[10]。適用于傳輸數(shù)據(jù)量小，多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信場合。本系統(tǒng)要求功能的擴(kuò)展性好，設(shè)備節(jié)點(diǎn)可增減，所以ZIGBEE完全符合要求。本系統(tǒng)選擇了TI公司的CC2530模塊，該芯片內(nèi)置增強(qiáng)版的C8051，并且具有豐富的外設(shè)資源，TI公司還為其開發(fā)了Z-Stack協(xié)議棧，相當(dāng)于一個小型的操作系統(tǒng)。該解決方案為廣大用戶實(shí)現(xiàn)了協(xié)議棧的底層和網(wǎng)絡(luò)層，將復(fù)雜的部分屏蔽，提供給用戶API接口，用戶只要實(shí)現(xiàn)硬件和應(yīng)用層的開發(fā)即可，不需要關(guān)心底層和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)[11-12]。這為以后的二次開發(fā)提供了方便，節(jié)約了開發(fā)的時間和成本，同時可擴(kuò)展性良好。2.3.2大氣溫濕度本系統(tǒng)采用DHT11模塊來采集大氣的溫度和濕度。該傳感器是數(shù)字量輸出，輸出信號穩(wěn)定，而且處理方便，不需要經(jīng)過外接的AD處理，可以直接讀取使用。DHT11響應(yīng)速度快，性價比高，抗干擾能力強(qiáng)，故符合本系統(tǒng)的要求。2.3.3土壤濕度本系統(tǒng)采用RH—T傳感器來采集土壤的濕度。該傳感器是模擬量輸出，輸出穩(wěn)定、精確，價格便宜，符合本系統(tǒng)的要求。2.3.4土壤溫度本系統(tǒng)采用LM35D傳感器來采集土壤的溫度。LM35D是由測溫傳感器和放大器組成，一種輸出信號為模擬信號的溫度傳感器，測溫范圍為0~100℃，工作電壓范圍4~30℃，精度為正負(fù)1℃，符合本系統(tǒng)的要求。2.4氣象數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)氣象數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集風(fēng)速、風(fēng)向、CO2濃度等氣象信息，同時接收從墑情數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送來的其他氣象信息，并且存入數(shù)據(jù)庫中，最后通過Internet網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)同遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。2.4.1嵌入式硬件平臺由于本系統(tǒng)的功能要求比較復(fù)雜，需要有良好的擴(kuò)展性，同時也需要有良好的人機(jī)交互，故選擇了三星公司的S5PV210這款CPU，S5PV210的主頻高達(dá)1G，支持1G的DDR2、1G的nandflash，完全符合要求。由于嵌入式硬件平臺的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，對硬件能力要求很高，同時也由于時間的限制，所以直接購買了天嵌公司出品的TQ210開發(fā)板，該開發(fā)板具有豐富的外設(shè)資源，滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。2.4.2嵌入式軟件平臺Linux系統(tǒng)是開源的類unix系統(tǒng)，具有多用戶、多任務(wù)的特點(diǎn)，而且可移植性非常好，適用于ARM平臺[13]。所以本系統(tǒng)采用了linux-,通過交叉編譯器來開發(fā)驅(qū)動，應(yīng)用程序等[14]。在嵌入式設(shè)備終端上要求運(yùn)行操作界面，故而選取QT開發(fā)環(huán)境來開發(fā)界面。QT是奇趣公司開發(fā)的跨平臺界面開發(fā)工具，能夠支持X86平臺，ARM平臺，Windows平臺等。本身是開源的開發(fā)工具，而且封裝了很多的類，比如控件類，線程類，鏈表類，字符串類等很多實(shí)用的類，便于開發(fā)。2.4.3CO2濃度傳感器本系統(tǒng)采用B530CO2傳感器采集CO2的濃度，B530是韓國進(jìn)口的CO2傳感器，具有體積小，質(zhì)量輕，精度高，測量范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用232串口通信，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，完全符合本系統(tǒng)的要求。2.4.4風(fēng)向傳感器本系統(tǒng)采用FR-WD風(fēng)向傳感器，內(nèi)部采用高精度磁敏感應(yīng)芯片，并選用低慣性輕金屬風(fēng)向標(biāo)響應(yīng)風(fēng)向，動態(tài)特性好。該成品具有量程大、線性好、抗雷擊能力強(qiáng)、觀測方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于氣象、海洋、機(jī)場、港口、實(shí)驗(yàn)室、工農(nóng)業(yè)及交通等領(lǐng)域。該傳感器輸出0-5V，線性對應(yīng)0-360度。2.4.5風(fēng)速傳感器本系統(tǒng)采用FR-WS風(fēng)速傳感器采用傳統(tǒng)三風(fēng)杯風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)，風(fēng)杯選用碳纖維材料，強(qiáng)度高，啟動好；杯體內(nèi)置信號處理單元能根據(jù)用戶需求輸出響應(yīng)風(fēng)速信號，可廣泛用于氣象、海洋、環(huán)境、機(jī)場、港口、實(shí)驗(yàn)室、工農(nóng)業(yè)及交通等領(lǐng)域。輸出信號為脈沖信號，風(fēng)速的計(jì)算公式為W=0.1+0.0875*脈沖信號頻率。2.4.6GPRS模塊GTM-900是華為的GPRS模塊，相比于SIM300和TC35，GTM-900的性價比更高，而且返修率很低，TC35沒有自帶TCP/IP協(xié)議，不符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。SIM300價格較貴。GTM-900支持AT指令，方便使用和控制，同時支持232串口通信，方便開發(fā)[15]。2.5遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)2.5.1遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用軟件功能需求分析遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用軟件需要一個美觀的可視化界面。該軟件可以進(jìn)行注冊新賬號、登陸、通過Internet網(wǎng)絡(luò)接收氣象采集模塊發(fā)送來的氣象數(shù)據(jù)、并數(shù)據(jù)庫存儲等功能。QTCreater可以開發(fā)美觀的界面，并且自帶的TCP和Socket類可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)庫類可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的操作，可以實(shí)現(xiàn)以下幾項(xiàng)主要功能：賬號注冊。賬號登陸。遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)時顯示。數(shù)據(jù)庫存儲。數(shù)據(jù)庫查詢、分析。2.5.2遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用軟件功能結(jié)構(gòu)根據(jù)上面遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的需求分析，具體分析了遠(yuǎn)程監(jiān)控中心模塊的功能，如圖2-2所示：圖2-2遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用軟件功能結(jié)構(gòu)2.6遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)整體框圖綜上所訴，最終確定方案的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)體如圖2-3所示：圖2-3遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)整體框圖3硬件設(shè)計(jì)和各個模塊介紹3.1墑情數(shù)據(jù)采集模塊該模塊負(fù)責(zé)采集地面及地下的土壤墑情的數(shù)據(jù)，通過zigbee組網(wǎng)，zigbee各節(jié)點(diǎn)將墑情傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送給zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器統(tǒng)一打包，最終發(fā)送給氣象數(shù)據(jù)采集模塊。3.1.1主控芯片——(CC2530)墑情數(shù)據(jù)采集模塊采用CC2530作為主控芯片，通過自帶的AD接口P0_0來采集土壤濕度傳感器和P0_1來采集土壤溫度傳感器的數(shù)據(jù)，通過P0_6和DHT11通信，采集大氣的溫濕度。核心板的原理圖如圖3-1所示：圖3-1CC2530核心板原理圖3.1.2zigbee節(jié)點(diǎn)——土壤濕度傳感器(RH-T)RH-T土壤濕度傳感器輸出為模擬信號，CC2530通過AD接口P0_0和RH-T通信。二者的接口圖如圖3-2所示：圖3-2土壤濕度傳感器實(shí)物及接口圖3.1.3zigbee節(jié)點(diǎn)——土壤溫度傳感器(LM35D)LM35D土壤溫度傳感器輸出為模擬信號，CC2530通過AD接口P0_1和LM35D通信。二者的接口圖如圖3-3所示：圖3-3土壤溫度傳感器實(shí)物及接口圖3.1.4Zigbee協(xié)調(diào)器——溫濕度傳感器(DHT11)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款溫濕度復(fù)合傳感器，輸出信號已校準(zhǔn)。傳感器包括一個電阻式感濕原件和一個NTC測溫原件，可以和IO口直接相連接。因此該產(chǎn)品具有抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)超快，性價比高。采用單總線數(shù)字信號，濕度測量范圍20-90%RH，溫度范圍0~50℃。與CC2530的接線圖如圖3-4所示：圖3-4DHT11傳感器實(shí)物及接口圖3.2氣象數(shù)據(jù)采集模塊氣象數(shù)據(jù)采集模塊主要包括主控芯片三星的S5PV210、CO2濃度傳感器用于采集CO2濃度、ZIGBEE協(xié)調(diào)器用于采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、DS18B20傳感器用于采集周圍溫度、蜂鳴器用于板子溫度過高時報警、AT24C02用于存儲信息。3.2.1主控芯片——(S5PV210)氣象采集模塊采用S5PV210作為主控芯片。S5PV210是三星推出的一款基于Cortex-A8構(gòu)架的芯片，適用于智能手機(jī)和平板。S5PV210主頻可達(dá)1GHZ，具有豐富的外設(shè)功能，能移植多種操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用天嵌公司的TQ210開發(fā)板，具有1G的nandflsh、1G的DDR2內(nèi)存，同時具有豐富的外設(shè)，如USB接口、DB9串口接口、音頻接口、攝像頭接口等。由于S5PV210引腳過多，所以下面只給出部分引腳原理圖，如圖3-5所示：圖3-5S5PV210部分引腳接口圖3.2.2CO2濃度傳感器——(B530)B530通過232串口和氣象采集模塊通信，由于S5PV210串口有限，可利用USB1口轉(zhuǎn)串口來代替串口。FE1.1S是用于USB2.0HUB的主控IC，支持熱插拔，并且提供四個USB口，具有低功耗、底成本、高性能等特點(diǎn)。CO2傳感器的電路如圖3-6所示：圖3-6B530實(shí)物及接口圖3.2.3Zigbee協(xié)調(diào)器——(CC2530)Linux系統(tǒng)中已有PL2303的驅(qū)動程序，故可以使用USB3轉(zhuǎn)串口來和ZIGBEE模塊進(jìn)行串口通信。電路原理圖如圖3-7所示圖3-7ZIGBEE協(xié)調(diào)器實(shí)物及接口圖3.2.4風(fēng)向傳感器——(FR-WD)FR-WD風(fēng)向傳感器輸出信號為0-5V，故可以利用S5PV210自帶的ADC控制器來采集風(fēng)速數(shù)據(jù)。FR-WD和S5PV210的接口圖如圖3-8所示：圖3-8FR-WD傳感器實(shí)物及接口圖3.2.5風(fēng)速傳感器——(FR-WS)FR-WS風(fēng)速傳感器輸出信號為脈沖信號，可以通過脈沖的個數(shù)來采集風(fēng)速數(shù)據(jù)。S5PV210通過外部中斷引腳和FR-WS相連，接口圖如下3-9所示：圖3-9FR-WS實(shí)物及接口圖3.2.6GPRS模塊——(GTM-900)嵌入式設(shè)備終端通過串口1和電腦通信，串口1主要用來查看操作系統(tǒng)的運(yùn)行情況。嵌入式設(shè)備終端通過串口2和GTM-900模塊通信，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。串口1和串口2都通過SP3232電平轉(zhuǎn)換芯片，可以直接通過DB9接口線直接連接，電路原理圖3-10所示：圖3-10GTM-900實(shí)物及接口圖3.2.7溫度傳感器——(DS18B20)DS18B20是單總線協(xié)議的溫度傳感器，S5PV210通過一個普通IO來和DS18B20通信，接口圖如圖3-11所示：圖3-11DS18B20實(shí)物及接口圖3.2.8存儲芯片——(AT24C02)AT24C02是一個E2PROM存儲芯片，掉電不丟失，故可以用來保存一些數(shù)據(jù)，存儲大小為2K。該器件通過I2C接口進(jìn)行通信。芯片的A0，A1,A2為器件地址的選擇位，加上廠家出廠時提供的芯片固定的地址，組成I2C從設(shè)備的地址。電路的接線圖如圖3-12所示圖3-12AT24C02實(shí)物及接口圖3.2.9報警電路——(蜂鳴器)蜂鳴器通過一個普通IO口和S5PV210通信，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定的閾值溫度上限時，蜂鳴器就會報警，蜂鳴器硬件驅(qū)動電路和接口電路如圖3-13所示：圖3-13蜂鳴器實(shí)物及接口圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開發(fā)環(huán)境4.1.1IAR開發(fā)環(huán)境IAR8.10是IARsystems推出的集成開發(fā)環(huán)境。并且有配套的仿真工具，方便測試和調(diào)試程序。并且可以直接使用TI公司提供的協(xié)議棧z-Stack進(jìn)行開發(fā)，縮短了開發(fā)的時間。開發(fā)界面如圖4-1所示：圖4-1IAR開發(fā)界4.1.2VIM以及GNU編譯器Vim是一個強(qiáng)大的編程工具，雖然不是圖形化界面，但是它具有很多強(qiáng)大的功能。Vim分為三種編輯模式，編輯模式，底行模式，命令行模式。熟練掌握vim的操作后，編寫程序的效率會大大提高。開發(fā)界面如圖4-2所示：圖4-2VIM開發(fā)界面4.1.3QTCreatorQTCreate是一個跨平臺，完整的Qt集成開發(fā)環(huán)境。其中封裝了各種通用的類，可以通過集成QT的各種類，來更簡單地實(shí)現(xiàn)要想實(shí)現(xiàn)的界面[16]。并且集成了QTdesigner，使界面的設(shè)計(jì)和編程變得更加輕松，省去了繁瑣的計(jì)算，QT開發(fā)界面如圖4-3所示：圖4-3QTCreater開發(fā)界4.2墑情數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)4.2.1墑情數(shù)據(jù)采集模塊——主流程圖墑情數(shù)據(jù)采集模塊分為兩個設(shè)備類型，一個為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，一個是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一打包發(fā)送給氣象數(shù)據(jù)采集模塊。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)執(zhí)行發(fā)送任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器執(zhí)行接收任務(wù)[18]。故兩個任務(wù)的流程圖如圖4-4所示：圖4-4墑情數(shù)據(jù)采集模塊任務(wù)流程圖4.2.2墑情數(shù)據(jù)采集模塊——發(fā)送任務(wù)流程圖墑情數(shù)據(jù)采集模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備執(zhí)行的流程主要是進(jìn)入操作系統(tǒng)后，定時執(zhí)行發(fā)送任務(wù)：讀取響應(yīng)傳感器的電壓信號，轉(zhuǎn)換后打包發(fā)送協(xié)調(diào)器，流程圖如圖4-5所示：4.2.3墑情數(shù)據(jù)采集模塊——接收任務(wù)流程圖墑情數(shù)據(jù)采集模塊的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器執(zhí)行的流程主要是進(jìn)入操作系統(tǒng)后，收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行接收任務(wù)：采集大氣溫濕度，保存接收到得數(shù)據(jù)，打包后通過串口發(fā)送給氣象采集模塊，流程圖如圖4-6所示：圖4-5墑情數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送任務(wù)流程圖圖4-6墑情數(shù)據(jù)采集模塊接收任務(wù)流程圖4.3氣象數(shù)據(jù)采集模塊操作系統(tǒng)平臺搭建由于氣象采集模塊需要運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng)，所以之前要移植一個linux系統(tǒng)到S5PV210的板子上。主要移植的步驟包括：移植bootloader，這里移植u-boot，移植完成后燒寫u-boot到S5PV210的0地址位置；移植內(nèi)核，移植完成后燒寫kernel到5-10M地址位置；通過busybox制作文件系統(tǒng)，添加各種庫文件和應(yīng)用程序后，轉(zhuǎn)換成yaffs格式，燒寫到10M-500M地址位置。最后設(shè)置u-boot命令參數(shù)，設(shè)置為nandflash啟動，重啟系統(tǒng)[19]。移植步驟框圖如圖4-7所示：圖4-7氣象數(shù)據(jù)采集模塊操作系統(tǒng)搭建平臺步驟圖4.4氣象數(shù)據(jù)采集模塊驅(qū)動程序設(shè)計(jì)4.4.1AT24C02——(I2C驅(qū)動程序)Linux系統(tǒng)的驅(qū)動分為字符設(shè)備驅(qū)動，塊設(shè)備驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動[17]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的AT24C02的驅(qū)動就是I2C從設(shè)備驅(qū)動。內(nèi)核已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了I2C的總線設(shè)備驅(qū)動，只需要編寫從設(shè)備驅(qū)動即可。編寫從設(shè)備驅(qū)動，需要操作總線上維護(hù)的兩個鏈表：dev鏈表和drv鏈表。dev鏈表中的每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)i2c_client,存放硬件信息，drv鏈表中的每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)i2c_driver,純軟件信息[20]。首先修改mach-tq210.c加入i2c_board_info結(jié)構(gòu)體I2C_BOARD_INFO("at24c02",0x50);分配初始化，最終會賦值給i2c_和i2c_cient.addrstaticvoid__initsmdkc110_machine_init(void){i2c_register_board_info(0,at24c02,ARRAY_SIZE(at24c02));}inti2c_register_board_info(intbusnum,structi2c_board_infoconst*info, unsignedn);busnum:總線編號info：待注冊i2c設(shè)備信息n：i2c設(shè)備個數(shù)注冊好之后，便可編程實(shí)現(xiàn)I2C的從設(shè)備驅(qū)動。程序如下所示#include<linux/init.h>#include<linux/module.h>#include<linux/i2c.h>#include<linux/uaccess.h>#include<linux/device.h>#include<linux/fs.h>#include<linux/delay.h>staticconststructi2c_device_idat24c02_id[]={{"at24c02",0}//"at24c02"一定要和i2c_board_一樣};staticintmajor;//主設(shè)備號staticstructclass*cls;//設(shè)備類staticstructi2c_client*g_client;//記錄從設(shè)備信息staticssize_tat24c02_read(structfile*file,char__user*buf,size_tcount,loff_t*ppos){unsignedcharbuffer[100];unsignedcharaddr;//地址unsignedchardata;//數(shù)據(jù)inti;//1.獲取用戶要操作訪問的地址if(copy_from_user(&addr,&buf[0],1)){return-EFAULT;}for(i=0;i<count;i++){//2.采用SMBUS將地址發(fā)送給總線驅(qū)動buffer[i]=i2c_smbus_read_byte_data(g_client,addr);if(buffer[i]<0){return-EIO;}addr++;}//3.將數(shù)據(jù)信息上報給用戶空間if(copy_to_user(buf,buffer,count)){return-EFAULT;}returncount;}staticssize_tat24c02_write(structfile*file,char__user*buf,size_tcount,loff_t*ppos){unsignedcharbuffer[100];unsignedcharaddr;unsignedchardata;inti;intret;//1.獲取用戶要操作的地址和數(shù)據(jù)信息if(copy_from_user(buffer,buf,count+1)){return-EFAULT;}addr=buffer[0];for(i=1;i<=count;i++){data=buffer[i];//udelay(1000);//2.利用SMBUS接口將client.addr設(shè)備地址和addr.data發(fā)送//i2c總線驅(qū)動來完成數(shù)據(jù)的交互//打開SMBUS文檔內(nèi)核源碼Documentation/i2c/smbus-protocol//同時打開芯片手冊找到對應(yīng)的寫時序//在文件中找到對應(yīng)的時序的函數(shù)//調(diào)用函數(shù)將設(shè)備地址訪問的內(nèi)部的地址和寫的數(shù)據(jù)丟給總線驅(qū)動ret=i2c_smbus_write_byte_data(g_client,addr,data);addr++;}returncount;}staticstructfile_operationsat24c02_fops={.owner=THIS_MODULE,.read=at24c02_read,.write=at24c02_write};staticintat24c02_probe(structi2c_client*client,conststructi2c_device_id*id){//1.注冊一個字符設(shè)備major=register_chrdev(major,"at24c02",&at24c02_fops);cls=class_create(THIS_MODULE,"at24c02");//2.自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)device_create(cls,NULL,MKDEV(major,0),NULL,"xxb_at24c02");//在dev下面生成xxb_at24c02g_client=client;return0;}staticintat24c02_remove(structi2c_client*client){//1.刪除設(shè)備節(jié)點(diǎn)device_destroy(cls,MKDEV(major,0));class_destroy(cls);//2.卸載字符設(shè)備unregister_chrdev(major,"at24c02");return0;}staticstructi2c_driverat24c02_drv={.driver={.name="xuxb"},.probe=at24c02_probe,//匹配成功調(diào)用.remove=at24c02_remove,//卸載調(diào)用.id_table=at24c02_id//存儲at24c02的名字};//入口函數(shù)staticintxxb_at24c02_init(void){//注冊從設(shè)備i2c_add_driver(&at24c02_drv);return0;}//出口函數(shù)staticvoidxxb_at24c02_exit(void){//卸載從設(shè)備i2c_del_driver(&at24c02_drv);}4.5氣象數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用程序設(shè)計(jì)4.5.1氣象數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用程序功能需求分析氣象數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用程序主要任務(wù)就是提供可視化界面，方便操作人員操作。接收zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示并存入數(shù)據(jù)庫。因此具備以下幾項(xiàng)主要功能：通訊設(shè)置。實(shí)時參數(shù)顯示。數(shù)據(jù)庫存儲。數(shù)據(jù)分析繪圖。溫度報警。4.5.2氣象數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用程序功能結(jié)構(gòu)根據(jù)上面的需求分析，具體分析了氣象數(shù)據(jù)采集模塊的功能，最終得到如圖4-8所示：圖4-8氣象數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用程序功能結(jié)構(gòu)圖4.5.3氣象采集模塊——主流程圖氣象采集模塊的操作系統(tǒng)啟動后，初始化各種硬件設(shè)備，操作人員可以點(diǎn)擊初始化GPRS按鈕，開始初始化GPRS，初始化成功后，開啟ZIGBEE采集子線程、B530采集線程以及開始定時器任務(wù)，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。主流程圖如圖4-9所示：圖4-9氣象采集模塊主流程圖4.5.4GPRS初始化程序流程圖GPRS初始化的流程為：讀取界面上的IP和端口，初始化GPRS串口，發(fā)送“AT”指令，等待GPRS返回“OK”；成功接收后發(fā)送“AT%ETCPIP”命令，使能TCP通信，等待返回“OK”；成功后發(fā)送要連接的“IP和端口號”，等待返回“CONNECT”，表示已連接上。程序流程圖4-10所示：圖4-10氣象采集模塊GPRS初始化流程圖4.5.5氣象采集模塊——Zigbee子線程Zigbee子線程主要實(shí)現(xiàn)初始化ZIGBEE的串口，循環(huán)等待ZIGBEE發(fā)送來的數(shù)據(jù)，接收成功后保存數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備存入數(shù)據(jù)庫。程序流程圖如圖4-11所示：4.5.6氣象數(shù)據(jù)采集模塊——B530子線程B530子線程主要實(shí)現(xiàn)初始化B530的串口，循環(huán)等待B530發(fā)送來的數(shù)據(jù)，接收成功后保存數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備存入數(shù)據(jù)庫。程序流程圖如圖4-12所示：圖4-11氣象采集模塊Zigbee子線程流程圖圖4-12氣象采集模塊B530子線程流程圖4.5.7氣象數(shù)據(jù)采集模塊——定時任務(wù)氣象數(shù)據(jù)采集模塊的定時任務(wù)主要完成打包采集到的各個傳感器的數(shù)據(jù)，存入SQLITE數(shù)據(jù)庫中，同時刷新顯示屏的數(shù)據(jù)，程序流程圖如圖4-13所示：圖4-13氣象采集模塊定時任務(wù)流程圖4.5.8氣象數(shù)據(jù)采集模塊——數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)氣象數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)庫主要存儲各個傳感器的數(shù)據(jù)，主要存儲的數(shù)據(jù)有：CO2濃度、大氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤濕度、土壤溫度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫庫的表和字段的設(shè)計(jì)如圖4-14所示：圖4-14氣象數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)庫字段圖4.5.9氣象數(shù)據(jù)采集模塊——界面設(shè)計(jì)氣象數(shù)據(jù)采集模塊的最終界面主要分為主控面板、GPRS面板、ZIGBEE面板、TQ210面板，最終的效果圖如圖4-15所示：圖4-15氣象數(shù)據(jù)采集模塊界面圖4.6遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用程序設(shè)計(jì)4.6.1遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——登陸界面設(shè)計(jì)該界面由賬號輸入框、密碼輸入框、登陸按鈕，注冊按鈕組成。點(diǎn)擊注冊按鈕，可以進(jìn)入注冊界面，可以注冊新賬號。在賬號輸入框輸入已申請的賬號，在密碼框輸入正確的密碼，驗(yàn)證成功后即可進(jìn)入主界面，進(jìn)行一系列的操作。最后的登陸界面如圖4-16所示。圖4-16遠(yuǎn)程監(jiān)控中心登陸界面圖4.6.2遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——注冊界面設(shè)計(jì)該界面由個人信息輸入框組成，都是個人的信息。只要正確地輸入所有的信息，系統(tǒng)會自動幫用戶注冊一個新的賬號，注冊成功后，可以在登陸界面中進(jìn)行登陸。最終的界面如圖4-17所示。圖4-17遠(yuǎn)程監(jiān)控中心注冊界面4.6.3遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——主界面設(shè)計(jì)該界面由賬號信息面板，環(huán)境數(shù)據(jù)顯示模塊，在線客戶端個數(shù)顯示，同時還有打開服務(wù)器、開始采集、停止采集、分析數(shù)據(jù)、打開數(shù)據(jù)庫等按鈕，還有IP地址和端口的輸入框組成。主界面操作步驟如下所示：首先確定你的賬號，點(diǎn)擊錄入賬號輸入IP和端口后，點(diǎn)擊打開服務(wù)器點(diǎn)擊開始采集，便可以通知客戶端開始發(fā)送數(shù)據(jù)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)分析，便可以進(jìn)入數(shù)據(jù)分析點(diǎn)擊打開數(shù)據(jù)庫，便可查看數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)情況最后的界面如圖4-18所示：圖4-18遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主界面圖4.6.4遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——數(shù)據(jù)分析界面該界面由數(shù)據(jù)庫查詢按鈕，輸出圖像按鈕，日期選擇的單選按鈕，選擇參數(shù)的單選按鈕組成。點(diǎn)擊查看數(shù)據(jù)按鈕，便可選擇輸出圖像的起始時間，選擇輸出圖像的時間起始，選擇圖像的時間段，選擇圖像的參數(shù)類型，點(diǎn)擊輸出按鈕，便可顯示指定的時間段數(shù)據(jù)信息，界面如圖4-19所示：圖4-19遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)分析界面圖4.6.5遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫主要存儲各個傳感器的數(shù)據(jù)，主要存儲的數(shù)據(jù)有：CO2濃度、大氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤濕度、土壤溫度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的表和字段的設(shè)計(jì)如圖4-20所示：圖4-20遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫字段圖5系統(tǒng)測試與調(diào)試5.1整體實(shí)物圖整體實(shí)物圖如圖5-1所示：圖5-1系統(tǒng)整體實(shí)物效果圖5.2測試流程5.2.1ZIGBEE組網(wǎng)調(diào)試本系統(tǒng)的ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)由一個ZIGBEE協(xié)調(diào)器和多個設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。ZIGBEE通信前，需要進(jìn)行ZIGBEE組網(wǎng)。所以首先，打開ZIGBEE的協(xié)調(diào)器，等待設(shè)備節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入。接著打開ZIGBEE設(shè)備節(jié)點(diǎn)，若組網(wǎng)燈(黃燈)亮起后，表示該設(shè)備節(jié)點(diǎn)已經(jīng)組網(wǎng)成功，設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以從土壤濕度傳感器和土壤溫度傳感器讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，實(shí)物及調(diào)試圖如圖5-2所示：圖5-2ZIGBEE組網(wǎng)效果圖5.2.2操作系統(tǒng)調(diào)試由于本系統(tǒng)的現(xiàn)場終端運(yùn)行的是linux操作系統(tǒng)，所以先要運(yùn)行l(wèi)inux系統(tǒng)。測試linux的步驟：運(yùn)行u-boot，u-boot引導(dǎo)啟動內(nèi)核，接著掛載操作系統(tǒng)，最后運(yùn)行應(yīng)用程序。效果圖如圖5-3和圖5-4所示：圖5-3linux操作系統(tǒng)運(yùn)行效果圖圖5-4linux應(yīng)用程序效果圖5.2.3GPRS調(diào)試GPRS初始化的步驟包括設(shè)置通信的IP和端口、點(diǎn)擊連接開始初始化GPRS，等待進(jìn)度條，完成后顯示初始化成功。效果圖如圖5-5所示：圖5-5GPRS初始化效果圖5.2.4數(shù)據(jù)通信調(diào)試點(diǎn)擊開始按鈕，開始接收從ZIGEEE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的墑情氣象數(shù)據(jù)，并且通過GPRS發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)應(yīng)用程序。效果圖如圖5-6所示：圖5-6數(shù)據(jù)接收效果圖墑情數(shù)據(jù)的顯示情況如圖5-7所示：圖5-7墑情數(shù)據(jù)采集效果圖氣象數(shù)據(jù)的顯示情況如圖5-8如圖所示：圖5-8氣象數(shù)據(jù)顯示效果圖6總結(jié)本文通過搭建基于Cortex-A8處理器的linux嵌入式操作系統(tǒng)，針對GTM900-C和CC2530無線模塊的應(yīng)用，利用Qt編寫了人機(jī)交互友好的界面，研究了一套遠(yuǎn)程墑情氣象采集系統(tǒng)。具體完成和實(shí)現(xiàn)了以下幾方面的設(shè)計(jì)：在移植了嵌入式linux操作系統(tǒng)的Cortex-A8平