基于ARM的嵌入式土壤水分温定点监测及远程传输系统的应用

基于的嵌入式土壤水分、温度定点监测及远程传输系统的应用湿地是人类重要的生存环境之一。拉姆萨尔《湿地公约》定义湿地是指天然或人造、永久或暂时之死水或流水、淡水、微威或咸水沼泽地、泥炭地或水域，包括低潮时水深不超过 的海水区"同时又规定可包括邻接湿地的河湖延岸、沿海区域以及湿地范围的岛屿或低潮时水深不超过 的区域川。湿地具有巨大的环境功能和效益，在涵养水源、净化水质、调蓄洪水、控制土壤侵蚀、补充地下水、美化环境、调节气候、维持碳循环和保护海岸等极为重要的生态功能等方面有其它系统不可代替的作用，被誉为地球之肾与森林、海洋一起被称为地球的大生态系统。我国是湿地大国，湿地面积位居世界第四、亚洲第一。我国目前的湿地管理已经进入湿地生态系统管理阶段，建设湿地生态环境远程实时监测系统是首要任务。湿地土壤水分、温度定点监测及远程传输系统通过远程实时监测生态环境的重要参数是浙江托普仪器的 ，监测污染等突发事件和环境急剧变化所影响的区域的生态环境状况，并进行准确、快捷地评估，为湿地的管理提供准确、及时的数据保证。因而，本研究以黑龙江省安邦河湿地为试验区，基于 的嵌入式技术和元钱局域网技术相结合，研究建立嵌入式湿地监测管理系统。研究区概况与方法安邦河湿地省级自然保护区位于黑龙江省集贤县东北 处，总面积 年建立安邦河县级湿地自然保护区， 年晋升为市级湿地自然保护区，8年晋升为省级自然保护区。安邦河湿地自然保护区总面积平方米，其中核心区面积平方米，占保护区积的 缓冲区面积平方米，占保护区面积的 实验区面积9方米占保护区面积的。保护区气候属温带大陆性季风气候，冬季长、寒冷而干燥夏季短、温热而多雨，属于内陆湿地和水域生态系统保护区类型，是三江平原湿地的重要组成部分。湿地监测的内容、指标与现状湿地监测是湿地管理过程的有机组成部分，是对湿地保护区管理行为的反馈。监测资料库将使管理者既能跟踪湿地的环境状况，又能跟踪对湿地的特殊威胁，并且能方便地利用监视资料生成其它数据表及报告。湿地监测内容主要包括监视不同尺度上的生物多样性监视生态系统的健康状况或其完整性监测特殊的威胁或压力监视环境状况和人类影响监测便于变化在地区水平上的反映监视游客数量和财政收入监测地区发展和湿地保护区之间的相互作用等。研究者依据各自不同的研究目的，选择监测指标对湿地进行监测。传统的地面监视即湿地野外观测是定点定时的人工采样观测，但是随着科学技术的发展，传统的地面监测方法在数据精度、时效等方面渐渐不能适应现代化的要求了。目前的电子计算机和自动化技术已经发展到非常成熟的阶段，湿地监测也渐渐地引入了自动化连续观测技术，主要体现在湿地气象观测、湿地水质观测、湿地面积变化等方面。自动观测系统在可靠性、稳定性方面能够达到比较高的要求，而且自动化观测具有数据精度高、灵敏度强、分辨率好等特点，基于现代电子技术的自动化仪器成本也在逐渐下降，可以在较大的密度和范围内设置观测站点，在空间、时间上相对于传统观测方法都是非常高效的。研究方法基于湿地监测的特点，为实现湿地的自动化远程监测，本研究提出基于 的嵌入式系统监测平台，硬件设备：浙江托普仪器-土壤水分、温度定点监测及远程传输系统BNL-GPRS系列。研究基于 元钱局域网的嵌入式系统用于湿地生态信息的自动化监视。相对于其它湿地监视手段， 有如下优点①高性能的微处理器可在硬件上实现高速、高精度的数据处理及通信能力②技术成熟，能提供高速、稳定的网络连接，摆脱了传统有线监视网络布线限制，减少了对湿地生态环境的影响，监测点的设置可以更加灵活③系统成本低，相对于人工采样及传统监测站等方法，人工和设备费用大大降低。④可实现密集部署，密集部署多个监视点，可以对大范围湿地环境的每个小区域进行监测。整个系统包含个部分湿地嵌入式监测系统以下简称 和控制中心信息管理系统以下简称 °系统技术路线见图。一个完全封装了 的模块，主要应用于手机、 无线电话、、凹、数码相机等，该模块体积小，仅 ，支持 等多种嵌入式平台，支持

g准。提供 及接口，可以用 连接。本系统采用 方式连接， 有种信号发送模式 。位数据、位数据， 位数据和位数据接口模式，见表所示。ARM(AdvancedRISCMachines)是一种技术的名字，是对一类微处理器的通称，同时也是一个公司的名字。目前，采用技术知识产权 核的微处理器即通常所说的微处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统和无线系统等各类产品市场。 微处理器具有如下特点体积小、低功耗、低成本、高性能支持nmmb(16位和位双指令集大量使用寄存器，指令执行速度快寻址方式灵活简单，执行效率高山。 是嵌入式系统使用最广泛的一类微处理器，以此作为主控芯片可在硬件上实现高速、高精度的数据采集处理通信系统。元线局域网 是固定局域网的一种延伸，没有钱缆限制的网络连接，相对于有线网络具有较好的灵活性和移动性。 是一个无线局域网标准，包括、，e、和等。已经成为正式标准且广泛应用的有占、。 的工作频率为 ，使用正交频率划分多路复用的多载波调制技术，物理层速率可达到，传输层可达的载波频率为，调制方法采用补偿码键控，传输速率能够从自动降到，或者根据直接序列扩频技术调整到和，以保证设备正常运行与稳定。优势在于传输速率快最高且受干扰少，但价格相对较高的优势在于价格低廉，但速率较低最高是的继任者,使用与相同的频段，与相同的正交频分多路复用技术，最高可达到的数据传输率，室外最大传输距离为左右，在使用高增益天线时，传输距离可达到几公里。目前，基于的产品已经非常成熟，许多产商都开发了同时支持的产品。基于湿地监测一般是远距离野外监测和元钱局域网的特点，本文采用基于无线网络作为系统的通信手段。海地战入式检测系统i ; 控制中心信息笆理系统TOC\o"1-5"\h\zJ ］WLA"主程序

及其它模块，值感器下宋数据; ;WLA"主程序

及其它模块j--一.4［一Q_—： "| •二［］一］|WLA：晨短"K访5不通情模块1 II J :—图I技术储线系统设计与实现硬件设计硬件平台结构框架见图。系统采用的 芯片为核心，这是一款架构的 位嵌入式处理器，主要面向手持设备及高性价比、低功耗的应用。其主要特性有基于内核，自带阔的指令缓存和阳的数据缓存以及单元，工作时钟频率最高可达，拥有丰富的片内外设，如 一个，一个、 控制器、 和触摸屏控制器、个、、 、、口、口、等，同时还有丰富的 端口资源，是一款性价比很高的 核 芯片。系统无线通信模块采用 公司的3这是数据采集模块使用瑞士 公司推出的基于 技术的新型温湿度传感器 ，系列为插针型温湿度传感器芯片，具有以下特性全量程标定，两线数字输出显度测量范围温度测量范围 湿度测量精度 温度测量精度响应时间小于低功耗 0W)；可完全浸没。该传感器可直接通过总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，可减少接口电路的硬件成本，简化接口方式。 的个针脚功能见表。

远程监控中心远程监控中心止匕外，硬件设计部分还包括存储单元，电源管理，人机交互单元等。存储单元采用了 的,的 和的 主要用来存储程序代码，主要用来存储数据以及部分程序代码。 支持和 种方式启动，可以通过配置的来选择 的启动方式。电源单元采用模块化设计，输入 、输出稳定的和 分别供给通信模块和处理器使用。在系统设计实现中加入了多级稳压电路和高精度低功耗 线性调压电路，使电压稳定。电源管理芯片具有过热和过流保护功能，起到电源管理的作用。人机交互单元包括键盘， 显示等。2.2WEMS托普仪器软件设计2.2WEMS托普仪器软件设计嵌入式系统软件设计主要包括操作系统、驱动程序和应用程序。操作系统本文选用是一种开放源码的嵌入式版本，是的缩写。它经过各方是一种开放源码的嵌入式版本，是的缩写。它经过各方面的小型化改造，是一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式 ，虽然它的体积很小，但是仍然保留了的大多数优点运行稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持，以及标准且丰富的 1关于编译开发环境的建立，基于以叫一般是由目标系统硬件牛开发板和宿主眈机所构成的。硬件开发板用于操作系统和应用软件的运行，而操作系统内核的编译、应用软件的开发和调试则需要借助宿主机来完成。双方之间一般通过串口建立连接。表】SD!。接口模式4位数据漠式1位数据模式MDD电源VD&电源VSS地VSS地VSS2地VSS2地CLK时钟CLK时钟CMD双向缓:命令与响应标志双向线:命令与响应标志DAT[3]车位传送的第3位兽C.不连接DAT⑶4位传送的第2位RW读/顼可选）DAT[1]4位传送的第1位IRQ中断请求DAT[0]4位传送的第。位i)AT[01$位传送的第。位系统工作时的执行流程见图首先，通过供共电单元提供的电源进行系统上电接着启动o创叫3ade凡，开始加载aClim的初始化进程，在存储单元准备就绪后，初始化进程的顺序为显示单元触摸屏阿液晶显示屏、 通用输入输出接口和 元线通信模块如果外设未初始化成功，将重新进行初始化，成功后则准备接入元钱网络开始加载网络协议 、i日载成功后执行用户应用程序系统使用结束后，关闭主程序，系统工作执行结束。表25HT7］针脚序号名称 描述1234SCK 串行时钟输入VDD 在4-5,5V电源：CND 接地BATA 双向串行数据端口

在普便器TOPInstrument温馨提示：浙江托普仪器专业生产土壤（肥料）养分速测仪，土壤埔情速测仪，农药残留速测仪,病虫测报灯，病虫调查统计器,抱子捕捉仪等农业专用仪器.此项目仪器均为我公司自主研发生产，多项产品获得国家发明专利和实用新型专利，已获得软件著作权30多项,仪器均通过第三方检测，公司已通过IS09001:2008质量体系认证°高知名度品牌及高端的资质配套为客户选择放心的产拈和服务提供有力依据,为经销商投标成功提供有力的保障！浙江托普仪器为您提供基层农技推广体系建设项目一站式服务！大品牌可信赖、产品质量好、供货周期短、价格优惠。欢迎广大新老客户来电咨询合作！公司名称：浙江托普仪器有限公司公司地址：杭州市四湖科技园区西园八路11号公司电话：0571-8605660986059660868237708605411786055117售后专线:400-672-1817设计控制中心信息管理系统 实现一个数据库应用系统，使用 做数据库服务器，基于 技术组建一个 架构的信息系统。系统实现的功能包括①数据库建立一个中心数据库服务器，用以保存监测数据②通信模块负责与监测点的嵌入式系统进行以太网通信，在 协议基础上实现通讯内容的编、解码，数据的发送和接收③查询模块实现各种监测指标的查询，统计等功能④管理模块对数据库、通信模块、查询模块等进行统一管理，维护各模块间的联系与运行。表3实测温度数据时间4月14日4月15B4月16日4月17日4月13H]4121423。上梵151213152409二卧1614U1723的6cl1615£5182510例161517202510；珀1716iS2226必]8IS19232611]8IS242612:001817192527t?：3O19IS19252713:00191819252713：30181719252614:001617192626151618262611：00141419262615；油1515172525!6：00弓535IS2525结果与分析温度是湿地气象环境监测的基本指标，为了测试系统性能，本研究以温度指标为例进行数据采集实验。外业在内选择个实验点分别进行实时监测。实验时，将服务器的设置为8放置在办公室内，的设置为8,放置在室外。元线局域网的拓扑结构有类无中心拓扑对等式拓扑，8和有中心拓扑，本研究使用第种方法建立元线局域网络，此时需要一个元钱访问节点充当中心站，相当于无线路由器，与的距离为1左右，与阳的距离在左右。数据采集时间间隔设置为次，每采集次温度后向监视中心通信模块发送次采集数据。实验监测到各个时刻的温度数据见表。实验结果表明，系统实现了远程实时采集温度数据的功能。在实际应用中