第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
中国是世界人口第一大国，而耕地仅占世界耕地的百分之七。人均处理土地大小仅为世界平均水平的三分之一[1]。目前我国经济的跨越式发展，城市化进程的加快，人口爆长、沙漠化、生存空间污染等因素的加剧变化，可处理土地面积日渐变小。此外，由于我国土地辽阔，南北气候差异大，北方部分地区气温长年偏低，但大多数农作物生长又受到季节和气候的影响，所以适宜农作物生长的时间较短，农业生产要素得不到充分使用，农业生产受到极大限制。较为落后的农业生产不能满足人民日益增长的物质文化需求，人们对副食品的品质的要求越来越高，人们不再满足于种类较少的时令蔬菜，而对品种换代快、新技术、高产高效的名优反季节蔬菜特别青睐。不仅要改善蔬菜供给，而且要保证新鲜时令蔬菜市场的质量和品种。反季节名优蔬菜的大量种植，既满足了市民需求，同时广大菜农也得到了较高的经济收入。总之，单纯依靠传统人力的 生产方式已经满足不了社会的需求，发展设施农业（ProtectedAgriculture）变为国家蓬勃发展的方向。
因为农业在作物种植设施中的部分可塑性，在一定程度上抵消了农业和天气因素的限制。发展设施农业这种可控环境农业是解决我国人多地少制约可持续发展问题的最有效技术工程。设施农业的代表是智能化温室，温室智能化必须经过科学操作和调节限制作物成长的主要矛盾因素（温度、湿度、光照强度、CO2 浓度等），为作物营造一个反季成长空间和及适合作物成长的人工空间。在不同地区和季节外种植，确保农产品四季供应充足，人民群众满意。资源利用效率显著提高，据有关统计，我国设施农场已完成室外种植业总产量的 20%，用地 3%。设施栽培是露天种植产量的 3.5倍，正是因为设施化农业对农业主要生产要素的挖掘式高纯度使用，它是解决土地资源稀缺与未来民生供给逐步改善之间问题的有效方法。温室又称为暖房，主要用于蔬菜的超季节栽培，它既能透光又能保温，它改变了传统的农业露天生产模式，作为我国北方农业设施的主要构成部分，已被广泛使用，随着国内工业体系逐步完整，计算机科技水平的不断提升，在借鉴发达农业国家的先进生产技术的基础上，温室技术也得到了迅速改善。不受时域影响的温室种植可在高原，山脉和沙漠等奇特状况下用于农业发展，并且是设施农业未来发展的关键部分[2]。
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1.2 温室控制技术国内外研究现状
1.2.1 国外温室技术的发展
自 60 年代以来，各国的温室机电一体化控制技术一直在迅速提高。20 世纪 70年代中期，在美、日、意、荷等科技相对发达国家出现了使用微型计算机检测和控制温室气候已经累积了许多有用的经验。从 20 世纪 80 年代起，出现了数字式显示仪来存储、显示温室环境因子。基于计算机技术的温室监控系统跟随计算机科学技术的发展而迅速提高。当前，世界各国的温室控制技术发展迅速，温室环境机电一体化控制技巧也在不断改善。一部分农业发达国家正在以机电一体化技术为基础向全方位系统化自动化方向迈进[3-5]。
以鲜花和风车闻名的荷兰非常注重土地资源的有效使用。其利用有限的土地资源研制玻璃温室，而且总面积占世界玻璃温室总面积的百分比二十五，工业机电一体化技术被大量应用在温室生产管理中，温室设施自动化和智能程度普遍处在国际领先地位。其温室控制系统可以实现植物生长限制因素（例如温度，湿度，光线，二氧化碳，肥料）在温室中根据不同的农作物灵活调控等[6]。
在美国出现一种基于集塑改、浇水和施肥操作功能等操作功能于一体的温室自动化控制系统。该系统可分成若干子系统，通过电连接集成于一体，但组成系统的各个子系统可以根据系统控制器发出的命令执行相应环境调节操作，系统利用采集系统的传感器获取数据，系统分析数据后发出相应的调节命令。这种系统可调动多个子系统实现温室生产要素的充分利用，更加经济长效。
随着信息化技术的长足发展，多沙漠的以色列在农业温室发展过程中已经使用带有高度先进性的温度和湿度监控计算机控制系统，并结合照明，窗帘和其他设备来调整温室光的强度。操作室中的计算机与现场控制设备进行通讯，可以轻松控制灌溉系统的灌溉并实现高使用率。
靠近北极圈的加拿大，温室使用农业管理软件来剖析有关作物生长阶段的参数，减少温室生产投入，最大程度地减少化学农药品的使用并极大化温室经济利润空间。
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第二章 温室监控智能终端系统总体设计
2.1 温室监控智能终端系统功能设计
终端系统要完成的功能设计如下：
温室监控智能终端系统是一款以微控制器为核心，对温室内不同地点的温度、湿度、CO2 浓度和光照度环境参数进行实时采集、处理、显示、储存和传输相结合的应用系统。系统整体由 PC 上位机、ARM 微控制器和数据采集系统 3 部分构成，上位机通过 RS485 接口与终端系统进行通信，接收终端系统采集的数据信息。由于不同类型温室内实际安装设备的不同，通过合理分析得出复杂温室环境智能终端控制的重要分布监测点，比如放置在温室出入口、窗口和换气口及热能交换口等地方进行测量，由系统采集模块获取的环境数据，对其分析处理，查看和记录，完成温室农作物生长环境关键节点环境因子采集工作。
由于北方地区温室蔬菜栽培技术因地制宜，存在个性差异，所以智能控制设备应该具有稳定性、机动性、抵御影响正常工作的功能，这样才可以满足复杂多变的地域环境限制，并有能力实现远距离实时通信，及时记录等功能。
上位机与下位机通过 RS-485 通信总线进行串行通信，这种联系最大特点是信号正确传输距离要足够长，这样才能满足实际生产管理需要，短距离通信对温室生产管理作用不大。系统需要的各项指标是根据具体项目而定的，对温室环境参数的采集需要进行存储，存储时间也是要根据实际需要而定的，采集的温室环境数据必须进行存档备查，因此选择合适大小的数据存储器是重中之重。温室环境监控中心要通过上位机实现采集数据的实时更新和存储，合理的显示屏设计是关键。
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2.2 温室监控智能终端系统设计的原则
依据实际项目需要，具有良好的性能是系统设计最基本的原则，比如，环境适应强、鲁棒性高、机动灵活等特点[18-19]。
（1）操作使用方便，能因地制宜综合利用。基于系统功能支撑的软件和硬件设计需要考虑设备使用者的人群范围，知识等级，这样才能满足操作人员的实际需要，精兵简政是实现应用程序的精简化。人机互动的通信传输端口设置应该尽可能的简单实用，最好隐藏内置，简捷方便。当系统出现故障时，能够及时对故障进行精准确定，对系统完成故障检测和诊断。同时系统安装环境也必须考虑在内，它是系统成功与否的前提条件。
（2）鲁棒性高，项目成功的关键是子系统当中每一部分可靠性必须放在第一位置。根据项目综合需求，选择合理的高稳性能元器件。其次，系统中最重要的是供电系统，电源子系统是其它子系统工作的前提，供电电源的稳定性必须高，所有硬件系统电路设计必须合理，各路子系统与中央控制器的交互应该尽可能的采取防范措施，以免整个系统功能实现失调，系统工作不畅。
（3）性价比，由于温室设施放置在复杂的环境下，需要经受多方面考验，因此智能终端系统设计应综合考虑产品原件的功耗、空间大小、实用性等优点。一个单独控制系统可以独立完成两个或多个功能，并且可配置，那么它很可能是系统设计选择优秀目标，其次是在保证元器件质量达到项目标准的前提下，尽可能削减进货价格，减少生产销售花费。这要求开始设计时必须把复杂装置精简化，用软件设计的可延展性来弥补硬件设计的不足，提高整体性价比幅度。
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第三章 温室监控智能终端系统硬件设计......................................19
3.1 温室监控智能终端系统控制器硬件设计......................................19
3.1.1 Cortex–M 系列处理器概述................................ 20
3.1.2 Cortex–M4 内核简介................................ 20
第四章 温室监控智能终端系统软件设计..................................37
4.1 温室监控智能终端系统主程序软件设计.......................................37
4.2 温室监控智能终端系统逻辑控制软件设计..................................39
第五章 温室监控智能终端系统功能测试......................................45
5.1 系统功能测试必要性.......................................45
5.2 系统功能测试过程......................................45
第五章 温室监控智能终端系统功能测试
5.1 系统功能测试必要性
在终端系统设计过程中，许多程序代码很难保证一次准确到位，还可能出现漂移，在修改的过程中可能产生残留或短缺，程序之间还需要相互磨合。这就必须对系统进行整体测试。通过对系统软件的性能和整体质量的测试确认，查看系统的各项功能是否符合项目开发的要求，是否再次进行修改。对系统的硬件和软件开发结束后，进行相应的系统测试是十分必要的。
系统项目开发实现以后，通过对软件进行彻底的测试，发现软件中存在的所有问题。在模仿各种可能信息下进行从上到下由左到右的彻底测试，完成系统全部程序运行测试，系统程序大大小小数量较多，对系统主要程序功能进行测试，演示正确的功能，通过测试尽可能多的发现问题，改正错误。
通过测试，完成系统信息的确认，找出主要矛盾信息和测试的软件结构，明确测试项目，采取恰当的测试策略，在测试关键程序的情况下，完成整体系统功能测试，最终得出系统运行正常，十分稳定，能够满足项目开发需要。
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6.1 总结
随着我国经济的蓬勃发展，人民生活水平的不断提高，高品质生活的追求与农业发展相对落后之间产生矛盾。我国温室设施农业发展与农业发达国家相比还存在较大的差距。本文通过概述温室控制系统发展的背景和意义，分析国内外温室控制技术的发展，依据公司项目实际要求，设计完成了一种温室监控智能终端系统，实现对温室温度、湿度、CO2 浓度和光照度的实时监测，给温室监控预判提供了很好的数据支持。系统控制器选用以 Cortex–M4 为内核的 TM4C1230E6PM 处理器,对温室主要环境因子进行准确测量。本文先由温室监控智能终端系统总体设计进行考虑，对设计作出整体把控，然后通过系统硬件设计和系统软件设计完成系统整体设计。再通过系统功能测试，验证温室监控智能终端系统的稳定性和可靠性，以及实用性。本系统采用模块化设计，系统各项功能都能满足项目的要求，达到了系统预期设计目标。
本文主要工作如下：
（1）控制器设计是以 Cortex–M4 为内核的 TM4C1230E6PM 处理器模块、LCD显示屏模块、存储模块、按键输入模块、接口模块、电源转换模块、RTC 时钟模块、测量模块组成的巡回检测系统，温度、湿度、CO2 浓度、光照度采集物理信号经传感器转化为电压，并完成信号的处理传送给控制器，经控制器处理后的数字信号经软件程序解析后通过 RS-485 总线传输给 PC 上位机，并将信息传给显示器显示实时温度、湿度、CO2 浓度、光照度环境数据。TM4C1230E6PM 在其它科技领域也有着广泛的应用，性能稳定可靠，程序编辑及外围电路配套拓展已经比较完善，且价格适中，成本很低。
（2）通过系统总体设计，实现了系统硬件和系统软件的设计。
（3）经过对系统功能的测试与运行，系统可以完成温室环境因子的采集，并将实时数据传给监控中心上位机系统。
参考文献（略）