基于ARM的育肥棚溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬福祥，馬秀娟

（青海師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，青海 西寧 810008）

青海省是青藏高原的重要組成部分，素有“中華水塔”和“動(dòng)物王國”之稱，是我國五大牧區(qū)之一，但由于近幾年的鼠類肆虐、氣溫變暖、水土流失、草地沙化、江河源頭水資源銳減和人口增加等原因使部分地區(qū)的牧民被迫離鄉(xiāng)謀生，出現(xiàn)“生態(tài)難民”現(xiàn)象[1]。為了畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，政府部門引導(dǎo)牧民建起了育肥棚圈養(yǎng)。但調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)牧民居住在高寒地區(qū)，這里早晚溫差很大，育肥棚中牛羊很易得病，過高過低的溫度也影響著牛羊的食量，從而影響著牛羊的育肥速度；針對此問題設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠把溫度監(jiān)控在最適宜育肥的 +10～+21℃之間[2]，如溫度低于+7℃或高于+27℃系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地控制GSM模塊向指定用戶發(fā)送短信，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

1 系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中S3C2410為處理器芯片，DS18B20為數(shù)字溫度傳感器。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，處理器芯片將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理得到的數(shù)據(jù)在LCD屏上顯示，并定時(shí)將采集結(jié)果寫入Flash中，然后將采集到的溫度值和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)其是否在其預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。若超出預(yù)設(shè)范圍，通過TC35 GSM通訊模塊發(fā)出報(bào)警信息；由于處理芯片存儲(chǔ)空間有限，不能滿足操作系統(tǒng)和其他程序的運(yùn)行，所以外接了SDRAM存儲(chǔ)器K4S561632CTC75 （兩片16 M×16 bit構(gòu)成 32 bit） 和 Nand Flash存儲(chǔ)器K9K1G08U0A（兩片 64 M ×16 bit構(gòu)成 32 bit）[3]；復(fù)位電路選用了MAX706；LCD選用了LB064V02；為了方便Linux內(nèi)核移植、交叉編譯、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序下載以及以后的二次開發(fā)和功能擴(kuò)展還用了JTAG和其他外圍器件。

圖1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware platform structure of system

1.1 S3C2410處理器芯片

嵌入式系統(tǒng)硬件的核心部件是嵌入式處理器，本系統(tǒng)選用了三星公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410，這是一款低價(jià)格、低功耗、高性能的處理器，它為了降低整個(gè)系統(tǒng)成本，S3C2410提供了很豐富的內(nèi)部設(shè)備：分開的16 k指令Cache和16 k數(shù)據(jù)Cache、MMU虛擬存儲(chǔ)器管理、LCD控制器、支持NAND Flash系統(tǒng)引導(dǎo)、片選邏輯和SDRAM控制器、8通道10位ADC和觸摸屏接口、看門狗定時(shí)器、3通道UART、I2C控制器、USB控制器、中斷控制器以及可編程I/O口等[4]。

1.2 S3C2410與DS18B20芯片的接口電路

溫度傳感器在整個(gè)控制裝置中占據(jù)著十分重要的地位，它所采樣的值是ARM微處理器的主要處理數(shù)據(jù)，是實(shí)施控制的依據(jù)。所以保證采樣的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是進(jìn)行良好控制的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)選用溫度傳感器時(shí)考慮到高原的惡劣環(huán)境和牧民的實(shí)際情況選用了價(jià)格便宜、硬件開銷小、精度較高、有極強(qiáng)的抗干擾能力和糾錯(cuò)能力的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。此傳感器采用單總線專用技術(shù)，即一條線即可與處理器實(shí)現(xiàn)雙向傳遞數(shù)字信號，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9～12位二進(jìn)制數(shù)），工作時(shí)每一步操作都遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。被測溫范圍-55～+125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃；此芯片內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM，用于存儲(chǔ)唯一64位序列號，因此可以在一條總線上掛接多個(gè)DS18B20而不會(huì)出現(xiàn)混亂；內(nèi)含暫存RAM，用于存放工作參數(shù)和測量值；具有非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，用戶可以分別設(shè)定各路溫度的上、下限；工作電壓范圍在3.0～5.5 V。DS18B20與控制器的接口電路圖如圖2所示。

1.3 S3C2410與外存儲(chǔ)器的接口電路

為了降低成本和充分發(fā)揮32位處理器的數(shù)據(jù)處理能力，本系統(tǒng)采用2片16位的HY29LV160和 2片16位的K4S561632C芯片分別構(gòu)造了32位的Flash和SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)[4]。Flash與 S3C2410連接時(shí)，低16位片的WE#端接S3C2410的nWE＜0>，高 16位片的 WE#端接 S3C2410的nWE＜2>，2片F(xiàn)lash的BYTE#均上拉，使工作在字模式；2片F(xiàn)lash的地址總線 [A19-A0]均與S3C2410的地址總線[ADDR19-ADDR0]相連；低16位Flash與S3C2410的低16位數(shù)據(jù)總線[DATA15-DATA0]相連，高16位的數(shù)據(jù)總線與[DATA31-DATA16]相連；2片F(xiàn)lash的OE#接S3C2410的nOE#；2片 Flash的 RESET#端接 S3C2410的 nRESET；將S3C2410的nGCS＜0>接至 2片 Flash的 CE#端。SDRAM與S3C2410連接時(shí)，SDRAM的地址線為[A12-A0]（行/列地址線分時(shí)復(fù)用）和片選信號為BA0和BA1與S3C2410的[ADDR14-ADDR2]、ADDR[22]和 ADDR[23]相 連 。 第 一 片SDRAM輸入數(shù)據(jù)線 [DQ15-DQ 0]連接S3C2410數(shù)據(jù)總線[DATA15-DATA0]，第二片連接數(shù)據(jù)總線[DATA31-DATA16]。另外，第二片的LDQM、UDQM、SCLK分別連接 S3C2410的DQM2、DQM3、SCLK1。 圖 3是 SDRAM 芯片引腳與 S3C2410引腳之間的接口圖，F(xiàn)lash的連接方式和SDRAM方式相似，這里就不給出接口圖。

圖2 3C2410與DS18B20的連接Fig.2 Connection between S3C2410 and DS18B20

圖3 S3C2410與SDRAM的連接Fig.3 Connection between S3C2410 and SDRAW

1.4 TC35GSM通訊模塊

TC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊，該模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式[5]，可以快速可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的短消息發(fā)送。此模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊（ASIC）、Flash、無線接口和ZIF連接器6部分組成。它通過獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸。作為TC35的核心，基帶處理器主要控制著模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)化和放大，GSM射頻部分完成對射頻信號的接受和發(fā)送等處理，F(xiàn)lash用來存儲(chǔ)用戶配置信息、電話本和其他信息。ZIF的40個(gè)引腳中，其中數(shù)據(jù)的輸入/輸出引腳為16-23，即9針串口，SIM卡引腳為 24-29，其中CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當(dāng)插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進(jìn)入正常工作狀態(tài)。但目前移動(dòng)運(yùn)營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)將引腳CCIN與CCVCC相連。由于TC35數(shù)據(jù)接口工作在CMOS電平 （2.65 V）下，因此需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232與處理器串行口連接。TC35與S3C2410的接口電路如圖4所示。

圖4 S3C2410與TC35的連接Fig.4 Conneetion between S3C2410 and TC35

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件方面我們做了移植加載引導(dǎo)BootLoader、Linux內(nèi)核的裁剪及重新編譯、移植文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和用C開發(fā)了應(yīng)用程序[6-7]。具體工作流程是當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)后，進(jìn)入BootLoader程序進(jìn)行一系列的硬件初始化，然后加載Linux系統(tǒng)進(jìn)一步初始化，如成功，系統(tǒng)調(diào)用各個(gè)模塊開始工作，同時(shí)看門狗檢測系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，如不正常，則自動(dòng)復(fù)位。工作時(shí)S3C2410不斷讀取DS18B20采集的溫度，當(dāng)溫度超過限定值時(shí)，S3C2410自動(dòng)控制 GSM模塊向指定用戶發(fā)送短信。在發(fā)送短消息前，首先要發(fā)送 AT+CMGF命令選擇短消息的格式，然后通過AT+CSCA來獲取短消息服務(wù)中心，等待字符‘>’出現(xiàn)后，開始發(fā)送字符，并以Ctrl+C結(jié)束。短消息的發(fā)送和接收控制模式有3種[8]：Block模式、Text模式和 PDU模式。使用 Block模式需要手機(jī)生產(chǎn)廠商提供驅(qū)動(dòng)支持，目前國內(nèi)手機(jī)基本上不支持，Text模式不支持中文。流程圖5是用TC35來實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警的過程，其中流程圖中短消息發(fā)送格式設(shè)置為PDU模式（AT+CMGF=0），短消息中心設(shè)置為西寧市（AT+CSCA=“+8613010776500”）。

3 測試結(jié)果

1）系統(tǒng)的基本功能測試。首先借助“串口調(diào)試助手V2.2”進(jìn)行了GSM模塊的測試，測試結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送中文短信，然后系統(tǒng)集成并上電后S3C2410會(huì)不斷讀取溫度，當(dāng)溫度過高或過低超過限定值時(shí)，處理器自動(dòng)控制GSM模塊向指定手機(jī)發(fā)送短信，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。一次報(bào)警后，S3C2410隔半小時(shí)再次進(jìn)行溫度讀取和判斷，如果仍然不在限定值范圍，則繼續(xù)報(bào)警，如果溫度回歸正常，則進(jìn)入待機(jī)循環(huán)。

2）溫度誤差的計(jì)算。分-20℃、+7℃和+27℃3個(gè)溫度進(jìn)行測試。把溫度傳感器放入恒溫箱中，每一個(gè)溫度測試30 min，每秒鐘記錄1組數(shù)據(jù)，共測試1 800條記錄。測試時(shí)，基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為箱內(nèi)溫度，計(jì)算時(shí)將測試存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)作差，計(jì)算公式如下：

圖5 短信的發(fā)送流程Fig.5 Process of sending mesage

溫度誤差統(tǒng)計(jì)值公式[9]：

最終統(tǒng)計(jì)在-20℃、+7℃、+27℃3個(gè)溫度下，它們的溫度誤差分別是1.21、1.08和0.89。也就是說，設(shè)備所測試的結(jié)果都是在設(shè)定的溫度附近波動(dòng)，且波動(dòng)的范圍在1℃左右，說明此設(shè)備的穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了基于S3C2410處理器、DS18B20溫度傳感器和TC35 GSM模塊組成的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)在考慮到高原的特有氣候和經(jīng)濟(jì)水平，設(shè)計(jì)中考慮到了它的性價(jià)比，以短信息的形式將過高或過低的溫度發(fā)給用戶，用戶根據(jù)具體情況進(jìn)行處理。試驗(yàn)證明該系統(tǒng)的溫度采集和短信的發(fā)送性能滿足設(shè)計(jì)要求。由于，牧民嫌電費(fèi)貴，本系統(tǒng)只涉及了短信的發(fā)送功能，沒有對接收短信及接收后系統(tǒng)對溫度的自動(dòng)控制進(jìn)行研究，但系統(tǒng)留了相應(yīng)的接口，可以進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展。

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