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基于ARM9的温湿度智能网络监控系统设计.pdf

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西北师范大学硕士学位论文 I 摘 要 温湿度监控先后经历了人工测量、分散仪表控制、集中计算机监控、分布式监控等阶段,并且随着社会科技的不断进步,人们对温湿度监控的实时性、网络化、智能化等方面提出了新的要求。 因此本文设计了基于ARM9的温湿度智能网络监控系统,在深入研究学习无线通信网络、嵌入式系统开发、模糊控制算法等知识的基础上,完成了温湿度数据采集终端、通信网络、温湿度模糊控制算法、ARM9监控中心及PC机监控软件等的设计与开发工作。 温湿度数据采集终端主要实现工业现场温湿度数据的采集,主要包括数据存储电路、看门狗电路、串口通信电路、实时时钟等电路的设计。 通信网络主要包括 ZigBee 通信网络和 GSM 通信网络的搭建、本地 PC 与远程 PC的以太网通信三个方面的工作,ZigBee 通信网络用于实现数据采集终端与 ARM9 监控中心的数据通信,GSM 通信网络用于实现系统与用户手机的远距离通信,而实现本地PC与远程PC的以太网通信,为监控系统接入工厂局域网提供了方便。 温湿度模糊控制算法主要包括温度模糊控制算法、湿度模糊控制算法以及温湿度解耦模糊控制算法的设计三个方面工作,温湿度解耦模糊控制算法考虑温湿度的耦合关系,尽量消除它们之间的相互影响。 在ARM9监控中心主要完成了Linux内核移植、文件系统的建立、以及相关驱动程序的编写,实现基于Qt/Embedded的温湿度实时监控软件,用于温湿度数据的实时显示、存储、以及系统参数设置等多项功能。 PC机监控软件包括本地PC客户端和远程PC客户端两个版本。主要实现了实时监控数据的显示、自动监控状态参数的设置、采集数据的存储与绘图、历史数据库的导出与导入等功能。 本文设计的基于ARM9的温湿度智能网络监控系统,具有实时监控、智能控制、数据曲线绘制、历史数据的导入与导出等功能,样机经过长时间工业测试,系统运行稳定可靠,具有良好的应用前景。 关键词无线通信;以太网;模糊控制;ARM9;Linux 基于ARM9的温湿度智能网络监控系统设计 II Abstract The monitoring of temperature and humidity has gone through stages of manual measurement, distributed instrument control, centralized computer monitoring, distributed monitoring, and with the development of science, it was put forward new requirements, such as real-time monitoring, network and intelligent monitoring etc. In this paper, a temperature and humidity intelligent network monitoring system based on ARM9 was proposed. In-depth study on the basis of wireless communication network, embedded system and fuzzy control algorithm, the paper designed the temperature and humidity data acquisition terminal, communication network, temperature and humidity fuzzy control algorithm, ARM9 monitoring center and PC monitoring software. Temperature and humidity data acquisition terminal mainly realizes to collect the data of temperature and humidity in the industrial field, which includes data storage circuit, watch-dog circuit, serial communication circuit, real-time clock circuit and so on. Communication network includes three kinds of work, such as construction of ZigBee communication network and GSM communication network, design of Local PC and remote PC Ethernet communication. ZigBee communication network is used to implement communication between the data acquisition terminal and ARM9 monitoring center, GSM network is used to implement communication between the system and mobile phone of customers in the long distance, and also realize of Ethernet communication between local PC and remote PC is convenient for the monitoring system to access factory LAN. Temperature and humidity fuzzy control algorithm mainly consist of temperature fuzzy control algorithm, humidity fuzzy control algorithm and temperature and humidity decoupling fuzzy control algorithm. Temperature and humidity decoupling fuzzy control algorithm consider the coupling of temperature and humidity, and try to eliminate the influence of them. In ARM9 monitoring center, the paper mainly completes Linux kernel transplants, file system establishment and relevant driver compiling. Finally, the paper realizes the temperature and humidity real-time monitoring software based on Qt/Embedded, which can be used to display and storage the real-time data, sets the system parameters and the other series of function. PC monitoring software includes local PC client and remote PC client. They per real-time acquisition, recording, display, analysis, process for datum and other functions. The system has the function of real-time monitoring, intelligent control, data curve drawing, historical data export or import. Experimental results show that the prototype is stable and reliable. It has a good application prospect. Keywords Wireless communication; Ethernet; fuzzy control; ARM9; Linux 西北师范大学硕士学位论文 I 目 录 摘 要 ........................................................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................................................ II 第1章 绪论 ................................................................................................................................................. 1 1.1引言 ........................................................................................................................................................ 1 1.2 温湿度监控的研究现状 .................................................................................................................. 1 1.3 嵌入式系统简介 ................................................................................................................................ 2 1.4 本文的研究内容和主要工作 ........................................................................................................ 3 第2章 系统硬件的设计与实现 ............................................................................................................ 5 2.1 系统总体结构框图 ........................................................................................................................... 5 2.2 数据采集终端的设计 ...................................................................................................................... 5 2.2.1温湿度传感器的选型 ................................................................................................................ 5 2.2.2 时钟电路 ...................................................................................................................................... 7 2.2.3 看门狗电路 ................................................................................................................................. 8 2.2.4 数据存储电路 ............................................................................................................................ 9 2.2.5 显示键盘电路的设计 ............................................................................................................ 10 2.2.6 串口通信电路的设计 ............................................................................................................ 11 2.3 ZigBee网络的搭建 ......................................................................................................................... 12 2.4 GSM通信模块的设计 ................................................................................................................... 13 2.5 ARM9监控中心主要硬件电路设计 ......................................................................................... 14 2.5.1 ARM9监控中心结构框图 .................................................................................................... 14 2.5.2 S3C2440处理器结构及特点 ................................................................................................ 15 2.5.3 电源电路 .................................................................................................................................... 16 2.5.4 复位电路 .................................................................................................................................... 16 2.5.5 时钟电路 .................................................................................................................................... 17 2.5.6 存储系统 .................................................................................................................................... 17 2.5.7 SD卡接口 .................................................................................................................................. 18 2.5.8 JTAG调试接口 ........................................................................................................................ 19 2.6 本章小结 ............................................................................................................................................ 20 第3章 ARM9监控中心软件设计 ..................................................................................................... 21 3.1 嵌入式Linux开发环境的建立 .................................................................................................. 21 3.2 BootLoader的移植 .......................................................................................................................... 22 3.3 Linux系统的移植 ............................................................................................................................ 23 基于ARM9的温湿度智能网络监控系统设计 II 3.3.1 Linux 2.6内核特点 .................................................................................................................. 23 3.3.2 Linux内核的移植 .................................................................................................................... 24 3.3.3 文件系统的构建 ...................................................................................................................... 25 3.4 QT/Embedded开发环境的建立 .................................................................................................. 26 3.4.1 QT简介 ....................................................................................................................................... 26 3.4.2 QT/Embedded开发环境的建立 ........................................................................................... 27 3.5 ARM9监控中心QT图形用户界面的开发 ............................................................................ 28 3.5.1 QT主界面的开发 .................................................................................................................... 28 3.5.2 QT主界面的中文化 ................................................................................................................ 30 3.6 多线程程序的设计 ......................................................................................................................... 31 3.7 相关驱动程序的设计 .................................................................................................................... 32 3.8 本章小结 ............................................................................................................................................ 33 第4章 模糊控制算法的设计 ............................................................................................................... 35 4.1 模糊控制原理 .................................................................................................................................. 35 4.1.1 模糊控制及其特点 ................................................................................................................. 35 4.1.2 模糊控制系统组成 .................................................................................................................. 35 4.2 温湿度模糊控制算法的设计 ...................................................................................................... 36 4.2.1 温湿度模糊控制器的设计 ................................................................................................... 37 4.2.2 温湿度解耦模糊控制器的设计 .......................................................................................... 39 4.3 本章小结 ............................................................................................................................................ 42 第5章 PC机监控中心软件的设计 ................................................................................................... 43 5.1 系统参数的设置 .............................................................................................................................. 43 5.1.1 通信参数的设置 ...................................................................................................................... 43 5.1.2 自动监控参数的设置 ............................................................................................................. 45 5.2 实时监控数据的显示 .................................................................................................................... 45 5.3 温湿度数据的分析 ......................................................................................................................... 46 5.3.1 温湿度数据库的建立 ............................................................................................................ 46 5.3.2 温湿度数据分析模块 ............................................................................................................ 46 5.4 本章小结 ............................................................................................................................................ 48 第6章 总结和展望 ................................................................................................................................. 49 参考文献 ....................................................................................................................................................... 51 攻读学位期间所发表的论文和申请的专利 ......................................................................................... 54致 谢 .............................................................................................................................................................55 西北师范大学硕士学位论文 1 第1章 绪论 1.1引言 中国是传统中医学的发祥地。中药植根于丰富的理论背景和大量实践经验,经过不断积累和创新,已经在人类和病毒的斗争中发挥了重大作用,具备很高的科学价值。在中药的生产加工过程中,温湿度的控制对药用成分有很大影响,实时、合理、精确地控制生产过程中的温湿度,有助于规范中药生产流程,进一步加快我国中药产业的现代化进程[1-3]。 我国是人口大国,粮食问题是国计民生的头等大事。在粮食的储存和运输过程中,良好地温湿度条件是保护粮食的首要条件。在大型粮仓中,必须实时、多点监测粮食的温度与湿度,以确保粮食的安全[4]。 在各种文物保护中,温湿度是对文物影响最普遍,造成文物破坏最严重的因素之一。合适的温湿度环境,在防止古籍文献发生霉变,保护纸质强度和各种壁画色泽等方面具有重要作用[5,6]。 由此可见,温湿度监控在工农业、科研以及日常生活等领域有着广泛的应用。在不同领域,温湿度监控在控制精度、监测范围以及实时性等方面都有着不同的技术指标;与此同时,随着经济社会的不断发展,对温湿度监控在实时监测、网络化测量、智能控制等方面又提出了新的要求。因此本课题以上述问题为出发点,设计基于ARM9的温湿度智能网络监控系统。系统实时、多点采集温湿度数据,通过以太网和GSM 网络传输数据,并辅之以智能控制算法实现了温湿度的智能控制,系统人机界面友好,具有良好的应用前景。 1.2 温湿度监控的研究现状 人们对温湿度的监控已经由来已久。在早期,对温湿度的测量采用温度计和湿度计的人工方式进行,这种测量方式主要存在测量精度不高、测量时间长、抽样不科学的缺点,从而使温湿度的监测效率低、工作量大,并且由于人为抽样的不科学,最终降低了温湿度监测的意义。同时,如果采用人工测量方式,在测量存有易燃易爆物品的仓库时,工作人员还要承担一定的风险,从而进一步使其应用范围受到限制。 随着电子技术的发展,温湿度传感器逐渐代替了原始的温度计和湿度计,形成了以单片机为核心的温湿度测量仪表,可以将采集的温湿度数据送LED显示并存入存储器。这种温湿度测量仪表在很大程度上提高了工作效率,并进一步扩大了温湿度测量的范围,实现了温湿度数据的实时不间断监测与存储。但所选用的温湿度传感器输出为模拟信号,信号易受干扰、传输距离短,单片机必须经过A/D转换芯片后才能接收数据。在实现多路信号的采集时,系统在布线、数据传输距离等方面有诸多限制。而随着大规模基于ARM9的温湿度智能网络监控系统设计 2 集成电路技术的发展,新型的数字式温湿度传感器开始出现,其在一个管芯上集成了半导体温湿度检测芯片、数据信号转换芯片、存储芯片、计算机接口芯片等,具有温湿度检测、校准与补偿等功能。由于数字温湿度传感器直接输出数字量,有效地解决了温湿度信号在长距离传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题。 进入20世纪70年代以后,随着计算机技术的飞速发展,计算机进入工业控制领域。温湿度监控领域开始采用主机终端的监控模式,主机作为整个监控系统的核心,全面控制管理各个监控终端。监控终端将采集的温湿度数据以现场总线的方式传送至主机,主机对各个监控终端采集的数据进行汇总分析。这种监控方式相比基于单片机的分散测量仪表,在系统功能以及应用范围等方面已经有了长足的进步,但当监测点分布比较分散时,系统面临布线复杂,成本较高、传输距离短等缺点[7,8]。 目前DCS(Distributed Control Systems,分布式控制系统)是温湿度监控的主要发展方向。DCS是以微控制器为基础,以危险分散控制,操作和管理集中为特性,集先进的计算机技术、通讯技术、CRT 技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展,DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展,使得不同型号的DCS可以互连,进行数据交换,并可通过以太网将DCS系统和工厂管理网相连,实现实时数据上网,成为过程工业自动控制的主流[9-12]。 而且随着嵌入式系统的发展,特别是20世纪90年代以来高性能嵌入式CPU和无线传感器网络技术的发展,使温湿度测量系统的体系结构发生了重大变化,并辅之以智能控制技术,基于无线网络的分布式网络化温湿度智能监控系统将成为温湿度监控系统的一个新发展方向[13-16]。 在大部分应用场合,温湿度控制算法采用常规PID和改进的PID控制方式。这种经典的控制方式理论基础完备、技术路线成熟,已经成功地应用在很多监控系统中。但是,在温湿度控制领域,被控对象具有大时变、强耦合、大滞后、非线性等特点,其数学模型不确定,PID参数将难于获得。并且随着科技的发展,人们对温湿度控制的精度和实时性提出了更高的要求,特别是在航天、电子、医学、化工及生物工程等高端科研领域中,温湿度的控制要求已经超出了普通的要求范围。因此,人们开始采用各种智能控制算法,如模糊控制、专家控制、遗传算法等,或者将智能算法与PID控制相结合,以求获得更高的控制品质[17-21]。 1.3 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应于特定应用系统,对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和特定的用户应用程序等四个部分组成,用西北师范大学硕士学位论文 3 以实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 为了提高控制算法和温湿度监测的实时性,在设计时应充分考虑处理器的速度,而Samsung公司推出的基于ARM920T内核的S3C2440处理器是一款专用的以手持设备为主而设计的16/32-bit RISC微处理器芯片,其低功耗、简单、优雅、且全静态设计的特点很适合于对成本和功率敏感型的应用。因此本文选择S3C2440处理器芯片
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