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摘要
隨著經濟的發展，現代化農業的研究越來越受到重視，在果蔬種植方面，農業大棚是現代化農業的重要組成部分，而擁有智能控制系統的農業大棚則是農業現代化的重要標志。智能控制系統的主要原理是通過棚內傳感器對作物生長環境參數進行采集并上傳至中央控制器進行處理，控制器根據數據處理結果下發對棚內環境設備的控制信號。中央控制器的主要架構為以 ARM 芯片為核心的嵌入式系統，ARM 芯片在越來越多的領域內具有很強的通用性，并以其低功耗高性能獲得越來越多廠家和研發機構的青睞。
本文針對智能大棚精細化管理提出了一種新的控制系統，對其關鍵的模塊進行了研究和設計。該系統采用了以 ARM 為核心的硬件系統，輔以外部控制通信鏈路，通過弱電模塊控制強電設備，同時定制 Linux 核心的操作系統，利于平臺軟件的開發、驅動程序開發，利于平臺的擴展。
本文針對該系統制作了開發板，采用了Pads Layout等工具進行高速PCB設計，保證了電路板工作性能穩定和信號完整性。在以 Linux 操作系統為核心的基礎上，獨立設計一套 IIC 擴展 IO 的總線協議，主芯片只使用 IIC 接口不僅節約了 ARM 芯片通用輸入輸出接口 GPIO 的數量，同時兼顧硬件設計的歸一化和可自定義配置，使得整個系統可以理論支持高達 256 個子板。由于棚內設備種類眾多，功能子板也采用了通用設計，每張子板可以同時控制兩個單相棚內設備，或者一路雙向設備，增加了系統的靈活性。
系統數據采集架構同樣考慮了歸一化設計，采用 RS485 電氣標準以及 Modbus協議結合的方式，以統一傳感器上傳的接口，使得不同廠商的類似產品均可以無縫連接至該系統中來。RS485 標準理論可以接入上百個節點，通信距離最高可達到 1200 米，各項指標均遠超實際需求，因此該系統的可擴展性非常高，并能夠跨范疇延伸到各種類似的應用環境中去。
我們利用該系統進行了功能驗證以及環境測試，測試結果證明了該系統方案可行性，操作簡便，適合于多種環境條件下的智能大棚控制。
關鍵詞：智能大棚，嵌入式系統，ARM，PCB 設計，Linux
ABSTRACT
As the rapid development of the economic, more and more attention is payed on research on modernization agricultural. As the agricultural greenhouse is an important component of modern agriculture.Agricultural greenhouse with intelligent control system is an important symbol of the modernization of agriculture. Intelligent control system distributes the house keeping signal with the central processor， uses the processed information collected from variety sensors. The key part of the intelligent control system is the embed central processor ARM. ARM is more and more popular in information high tech engineering and research because of its low power cost and high-performance.
Meanwhile in this paper, present a new verifiable platform, the key modules of the research and design. The hardware architecture of the platform use the ARM processor as the central process unit with the universal synchronous and asynchronous communicate cannel, to use the low power circuit to control the heavy current installation circuit. The hardware loads the Linux operating system to simplify application software and driver software development.
In this project,we use high-speed PCB Design Pads 9.3 in the study based on the signal integrity for the signal to the PCB simulation, to ensure stable performance of the circuit board.Based on theLinux OS,designning with theIO extensionby IIC protocol.The main chipusing only the IICinterface not only savesthe general GPIO number of ARM chip, but also thehardware designis normalizationaland custom configurable.Thesystem cansupport up to256 slot boards.Because ofvarious types ofequipment in greenhouse,we also use auniversal design,each slot boardcan control twosingledirection equipments,or one bidirection equipment to increase the flexibility of the system.
The architecture of data acquisition systemalso take into the normalized design,by using RS485 electrical standard and Modbus protocol.To unify the upload sensor interface,making products can work out with different manufacturers.The RS485 standardtheory cansurpport hundreds of nodes,and the communication distance can reach a maximum of 1200 meters.It is far more than the actual demand,so the system works with highly scalability,and can be extended intovarious category application similar environment.
The test result of the function validation and environmental testingproves the feasibility of the system，simple operation，suitable for many kinds of intelligent greenhouse environment control.
Keyword: Intelligent Greenhouse，Embed System，ARM，PCB design，Linux
隨著人們生活水平的不斷提高，農產品市場對產品質量和數量要求越來越高，因此對于農產品生長的環境要求日趨嚴格，傳統的農業模式日益受到挑戰，需求變革和創新。隨著這一需求的不斷加深，智能大棚系統應運而生，也越來越成為廣大科技工作者和消費者關注的焦點。它是利用人工建造的環境輔助設施，使傳統農業逐步擺脫對自然環境的依賴和限制，走向現代規�；毣r業、環境安全型農業生產、無毒農業，同時也使農產品打破傳統農業的季節性，進一步滿足多元化、多層次消費需求的有效方法。傳統溫室環境控制系統，主要是通過人工現場采集大棚參數，手工操作大棚各項設施的工作[1]。這種管理系統在沒有精確測量手段的配合下，存在很大的滯后性，作物的生長環境無法達到真正意義上的最優化，甚至可能由于人為操作的誤差，造成作物生長環境劣化。近年來，隨著計算機技術、自動控制及網絡等技術在溫室環境控制及管理等方面的廣泛應用，智能大棚控制系統有了足夠軟硬件的支持，使得大棚管理逐漸由粗獷走向精細，更加科學化、智能化，最終提高農作物的產量和品質。
目前設施農業十分發達的國家有歐洲的荷蘭、中東的以色列、北美洲的美國以及亞洲的日本和韓國。這些國家的設施綜合環境調控及農業機械化技術等有較高的水平，居世界領先地位[2]。荷蘭的溫室制造公司，不僅在結構、機械化、自動化、產品采后處理發面設備技術水平高，而且在計算機智能化、溫室環境調控方面也居世界領先地位。荷蘭溫室的運作基本由計算機控制操作，配以加熱升溫系統、二氧化碳施肥系統、通風系統、遮陽和保溫幕簾等，通過采集實時環境數據，自動分析和處理，并對環境設備進行自動控制。
我國政府部門高度重視我國農業的發展，先后出臺了《農業科技發展"十二五"規劃》、《關于加快推進農業科技創新持續增強農產品供給保障能力的若干意見》、《全國農墾農產品質量追溯體系建設發展規劃（2011-2015）》等政策，全力支持"十二五"期間我國農業的發展[3]。中國農業科學院農業氣象研究所和蔬菜花卉研究所研制開發了溫室環境與管理系統，并采用 VB 語言開發了基于 WINDOWS 操作系統的控制軟件，開創了國內智能大棚控制系統的先河。隨后的這些年來，國內企業在硬件設計生產、控制技術方面確立了自己的知識產權，但是作為控制系統的核心：棚內環境中心調控技術，一直都是國外先進企業最為保密的部分，國內廠家的產品還難以與國際上如美國、荷蘭、以色列等國家相比。在東北三省以及南方沿海多城市陸續修建了以花卉種植為主的智能大棚[4]。這些大棚設施主要作用是做為高科技農業試點單位，普遍以花卉、園藝植物的養殖培育為主。從而智能大棚的主要經濟收入還是來自游客參觀、生態旅游等�？傮w來說，我國的智能化農業生產的總體水平有長足發展，但是與國際水平依然有非常大的差距。
該智能大棚的研究思路主要為建設一個智能型大棚的控制系統，該控制系統能對棚內設備控制達到控制大棚參數的作用。其中，需要建立系統控制模塊，對控制信號進行轉發，并且匯聚棚內的環境參數數據�？刂颇K負責提供閥值的設置，并對用戶終端返回告警。而棚內的傳感器組數據和開關量輸出數據匯總到棚內的嵌入式控制系統中，還可以經過嵌入式控制模塊的整合打包，統一上發至處理平臺。另外嵌入式模塊提供參數顯示，以及棚內設備自動控制的功能。
本論文的結構主要分為 6 個章節：第一章為引言，介紹研究目的和意義；第二章闡述了總體設計思路，并提出測試思路；第三章詳細介紹控制系統主板硬件設計，對其中的關鍵模塊進行了詳細研究和設計，給出了從原理圖到 PCB 設計、機柜布線設計；第四章，定制 Linux 操作系統，并且給出 Linux 系統更新和下載的方式方法，以及詳細闡述了控制軟件的設計和實現；第五章給出了該系統的測試與驗證結果，并進行了結果分析；第六章是對本設計的一些總結，并展望將來可以改進的工作。
智能大棚控制系統測試：
IIC 實測時序
IIC SCL 信號質量
IIC SDA 實測信號質量
RS232 RXD 信號測試
RS232 TXD 信號測試
撥碼開關示意圖
安裝示意圖
目錄
第一章 緒論
1.1 研究意義
1.2 國內外研究現狀
1.3 研究思路
1.4 論文的結構與安排
第二章 智能大棚總體設計
2.1 智能大棚需求
2.1.1 大棚功能需求
2.1.1.1 強制通風降溫系統
2.1.1.2 外遮陽系統
2.1.1.3 補光系統
2.1.1.4 噴淋系統
2.1.2 大棚系統拓撲體系
2.2 技術路線
2.2.1 架構分析
2.2.2 網絡架構
2.3 本章小結
第三章 控制柜設計
3.1 控制柜總體設計
3.1.1 控制柜架構思路
3.1.2 控制訪問流程
3.2 主板原理圖設計
3.2.1 控制主板基本原理
3.2.2 CPU 原理圖
3.2.3 RS485 接口原理圖
3.2.4 以太網接口原理圖
3.2.5 IO 擴展接口原理圖
3.2.6 USB 線路原理圖
3.2.7 電源管理原理圖
3.3 子板原理圖設計
3.3.1 數字接口原理圖
3.3.2 繼電器控制模塊原理圖
3.4 背板原理圖設計
3.5 PCB 分層設計
3.6 PCB 板布線設計
3.6.1 主板核心板 PCB 設計
3.6.2 主板底板 PCB 設計
3.6.3 子板 PCB 設計
3.7 PCB 實物
3.8 本章小結
第四章 Linux 控制軟件設計
4.1 Linux 系統介紹
4.2 Linux 移植和定制
4.2.1 建立交叉編譯環境
4.2.2 制作 Linux 配置單
4.2.3 Linux 系統更新
4.3 控制軟件設計
4.3.1 數據采集設計
4.3.2 開關量傳輸設計
4.4 控制軟件的實現
4.5 小結
第五章 系統實現與測試
5.1 單板性能測試
5.1.1 IIC 關鍵信號測試
5.1.2 RS232 關鍵信號測試
5.1.3 以太網關鍵信號測試
5.2 整機組裝實現
5.3 系統功能測試
5.3.1 手動開關測試結果
5.3.2 觸屏控制測試結果
5.3.3 觸屏控制測試
第六章 總結與展望
致謝
參考文獻
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