引言
農業用水的現代化、信息化是解決我國水資源短缺問題最現實、最實際的辦法。灌區作為農業水利事業的一部分，決不應該獨立于信息化的浪潮之外。
灌區管理的信息化、自動化建設目標是調水、取水、用水的科學化與高效化。隨著灌區管理所“無人值班”
及狀態監測工作的深入開展，對灌區系統的管理、運行提出了更嚴格的要求。灌區信息采集系統是灌區信息化建設的重要內容之一，利用先進的以數字化、網絡化、智能化為主要特征的信息化作為手段和途徑，實現灌區管理所需的水情、墑情、工情等信息的采集、傳輸、存儲、處理與分析，提高信息的時效性及調度的靈活性。
氣象要素的觀測和預報對發展灌區高效、優質農業具有十分重要的作用。氣象條件負責提供作物生長發育所必需的能量和物質資源，它的變化直接影響了灌區作物產量的高低和品質的優劣。另外，灌區管理人員要了解灌區作物長勢以及基礎設施\\( 渠道、閘門等\\) 是否正常、完好，需要到達灌區現場檢查，這無疑是增加了灌區額外的人力。圖像所包含的信息量巨大，是獲取和交換信息的主要來源，并且圖像信息具有直觀性、可靠性等一系列的優點。為此，針對目前大型灌區人工監測已經不合適的特點，將氣象數據采集、圖像采集與傳輸引入大型灌區的監測中，實現灌區信息采集與遠程傳送，以解決對地域廣闊的大型灌區人工監測難以實現實時性的問題。
1 系統總體設計
通過實地調查，在對灌區信息采集系統進行需求分析的基礎上，確定了其主要應實現的功能。綜合考慮系統的實用性、穩定性、低功耗等因素，本系統以高性能低功耗的 S3C2440 微處理器為核心，通過模塊化的設計思想把整個系統劃分為氣象數據采集模塊、圖像信息采集模塊、3G 無線通信模塊以及上位機監測中心等幾大部分。系統結構框圖，如圖 1 所示?！緢D1】
采集終端安裝在灌區的不同監測點，主要用于對灌區多種氣象環境信息\\( 包括溫度、濕度、降雨量等\\)以及灌區圖像信息\\( 包括作物長勢、基礎設施等\\) 的定時采集，并能夠通過 3G 無線模塊實現與監測中心的數據傳輸。上位機監測中心主要用于接收來自遠程監測模塊所發送的各種灌區現場信息，同時實現對數據的存儲、處理以及分析。2 系統硬件設計主控模塊采用三星公司研發的嵌入式微處理器S3C2440。它是一款基于 ARM920T 核的 16 /32 位RSIC 結構的嵌入式微處理器，主頻 400MHz，最高可達533MHz。該處理器具有功耗低、實時性快、性價比高等優點，特別適用于對成本要求低、處理速度快的應用領域。系統擴展了 256M 的 Nand Flash 和 2M 的Nor Flash，采用 289 － FBGA 封裝，提供了一套完整的通用系統外設，包括帶有外部請求引腳的 4 通道DMA、3 通道 UART、2 通道 SPI、兼容 SD 主接口協議1． 0 版和 MMC 卡協議 2． 11 兼容版、攝像頭接口、130個通用 I/O 口和 24 通道外部中斷源等。嵌入式處理器通過 UART 串行接口電路、CMOS CAMERA 攝像頭接口電路、USB 無線網卡接口電路與氣象數據采集傳感器、CMOS 攝像頭以及 3G 無線上網卡相連接構成整個硬件系統。采集系統硬件結構如圖 2 所示?！緢D2】
灌區現場需要采集的氣象因子涉及多項參數，本文主要介紹溫度、濕度、降雨量等的采集。其中，溫濕度的測量選用 Sensirion 公司推出的數字式溫濕度傳感器 SHT10，該傳感器測量溫度的范圍是 － 40 ～ +123． 8℃ ，分辨率為 0． 01℃ ; 測量的相對濕度范圍為 0～ 100% RH，分 辨 率 達 0． 03% RH，最 高 精 度 為± 1． 8% RH。SHT10 非常適用于灌區溫濕度的測量。
降雨量傳感器采用邯鄲市大自然測控技術有限公司生產的單翻斗雨量計 BCQ － YL2，雨水通過盛水桶導入雨量計內部的黑色翻斗內，裝滿雨水后黑色翻斗翻轉，每次翻轉動作通過干簧管轉換成一個脈沖信號\\( 1脈沖 =0． 2mm 降水量\\) 傳輸到單片機采集處理系統，其測量范圍是 0 ～4mm/min，測量精度小于 5% 。
圖像采集模塊選用 Omni Vision 公司生產的一款高集成度彩色 CMOS 圖像傳感器芯片 OV9650，該攝像頭具有130 萬像素，最大可采樣 4 096 ×4 096 像素的圖像。
接口電路將圖像信號進行 A/D 轉換處理，傳送到S3C2440 的 CAMIF\\( Camera Interface\\) ，微處理器通過 I2C串行總線實現對攝像頭的控制。因為 COMS 攝像頭具有集成度高、功耗低、編程方便、成本低等優點，所以它是目前低像素圖像采集系統的最佳選擇。3G 第三代移動通信技術是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術，目前我國3G 技術主要有移動的 TD － SCDMA、聯通的 WC-DMA 和電信的 CDMA － 2000。為簡化接口設計，本系統選用華為公司的 USB 接口3G 上網卡 E1750，它支持聯通的 WCDMA 網絡，在 3G 網絡下支持上行最高速率 5．76Mbps，下行最高速率 7． 2Mbps，完全能夠滿足大容量數據傳輸的要求。
3 系統軟件設計
灌區信息采集系統的軟件設計采用 C/S\\( 客戶機/服務器\\) 模式，以 S3C2440 平臺作為客戶機，以 PC 上位機監測中心作為服務器?？蛻魴C的主要任務是把得到的氣象及圖像數據通過 3G 網絡發送到 Internet上去，服務器的任務是從 Internet 上接收所監測到的數據并將其以文件的形式保存起來。
3． 1 嵌入式操作系統的移植
本文以 PC 機為宿主機，它裝有 VMware 10 虛擬機并帶有 Fedora 14 操作系統。Fedora 是一款基于Linux 的操作系統，由 Fedora Project 社區開發、紅帽公司贊助，目標是創建一套新穎、多功能并且自由和開源的操作系統。系統的開發環境就建立在此平臺之上，主要包括: 交叉編譯環境的構建、BootLoader 的移植、內核的裁剪與移植、根文件系統的構建等。
對嵌入式系統的開發，由于沒有足夠的資源在目標板上運行開發工具及調試工具，通常采用交叉編譯調試的方式。本文采用的交叉編譯器為 arm －linux － gcc，將壓縮包解壓到安裝目錄下，命令行輸入#tar xvzf arm － linux － gcc － 4． 3． 2． tgz – C / 命令后完成解壓; 再把編譯器路徑加入系統環境變量，執行命令#gedit / root / ． bashrc 編輯 / root / ． bashrc 文件，將最后一行 export PATH = $ PATH 路徑改為編譯器的安裝目錄，這樣 arm － linux － gcc 交叉編譯環境就安裝成功。
開發時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執 行 的 二 進 制 代 碼，然 后 通 過 串 口 利 用 Se-cureCRT 軟件把可執行文件下載到目標板上運行。
Bootloader 以其本身的含義來講就是下載和啟動系統，它類似于 PC 中的 BIOS\\( 基本輸入輸出系統\\) ，大部分芯片廠商所提供的嵌入式系統都提供有這樣的程序。
本系統采用的是友善之臂公司提供的 Supervivi，是基于 vivi 發展而來的，在保留原始 vivi 功能的基礎之上整合了諸多其他實用功能。目標板采用的內核版本為 Linux －2． 6． 32． 2，解壓后執行命令 make menuconfig進入內核配置界面，完成對串口、SD/MMC 卡、CMOS攝像頭、USB 無線上網卡等多項驅動的配置，并對YAFF2S 根文件系統進行配置，配置完成后在主菜單選擇 ＜ EXIT ＞ 保存退出; 輸入命令# make zImage 開始編譯內核，編譯完成后會在 arch/arm/boot 目錄下生成linux 內核鏡像文件 zImage，將其下載到目標板中即可。
3． 2 數據采集存儲模塊軟件設計
氣象數據傳感器負責實時采集灌區中的溫度、濕度和降雨量信息，并通過 RS232 串口將氣象數據發送給 S3C2440 平臺; 中央處理器 S3C2440 采用 SD 卡將時間和氣象信息以文本的方式進行存儲。本系統選用 SPI 模式對 SD 卡進行操作: SD 卡插入后，默認進入SD 模式，等待電壓穩定需上電延時 250ms 即等待 74個時鐘周期; 將時鐘頻率設置為 100 ～400kHz，保持片選信號 CS 為低電平，向 SD 卡發送復位命令 CMD0，如果收到應答信號 01H，則表示 SD 卡進入 SPI 模式;SD 卡以 FAT32 文件系統作為存儲形式，將采集到的氣象數據存儲在 TXT 文件中，文件名為當前時間以便于日后查閱。
V4L\\( Video for Linux\\) 是 Linux 環境下的一個視頻驅動標準，其目的是為上層應用提供一套標準的接口來訪問視頻驅動，V4L 規定了在 Linux 文件系統中設備的位置及名稱，還規定了查詢和設置設備參數的標準接口。攝像頭屬于視頻類設備，遵循 V4L 標準，它已經被直接編譯進內核而不需要編譯成模塊的形式從而進行加載。V4L 下圖像采集的流程圖如圖3 所示。
圖像采集編程實現過程主要用到以下幾個函數:
首先打開視頻設備，采用系統調用函數 vd － ＞ fd =open\\( ‘/ dev / video0’，O_RDWR\\) ; 然后利用 ioctl\\( vd －＞ fd，VIDIOCGCAP，＆\\( vd － ＞ videocap\\) \\) 函數獲取攝像頭信息; 通過 ioctl\\( vd － ＞ fd，VIDIOCGPICT，＆vd －＞ videopict\\) 函數獲取攝像頭中的 video_picture 緩沖信息; 調用 mmap\\( \\) 函數把設備文件映射到內存中，使用戶用直接與內核共享內存，加快訪問速度; 圖像的采集主要是調用了兩次 ioctl\\( \\) 函數，設置圖像采集第一幀 vd － ＞ vmmap． frame = 0，使用 ioctl \\( vd － ＞ fd，VIDIOCMCAPTURE，＆\\( vd － ＞ vmmap\\) \\) 函數開始截取圖像，然后使用 ioctl\\( vd － ＞ fd，VIDIOCSYNC，＆\\( vd －＞ vmmap． frame\\) \\) 函數判斷該幀圖像是否截取完，在循環語句中調用以上兩個函數完成每幀圖像的截取，然后把采集到的數據源存放在緩沖區中; 最后調用close\\( \\) 函數關閉攝像頭設備退出程序?！緢D3】
3． 3 無線數據傳輸軟件設計
S3C2440 平臺通過 3G 無線網絡執行 PPP 協議撥號接入互聯網，3G 無線技術具有高頻譜利用率及實用多業務環境的特點，并具有網絡靈活性和全覆蓋能力。本系統選用基于 UDP 協議的 Datagram Sockets\\( 數據報套接字\\) 來實現氣象和圖像數據源的網絡傳輸功能。UDP 是非連接的、不可靠的、傳遞數據報的傳輸協議，取消了重發校驗等機制，能夠達到較高的通信速率。無線數據傳輸程序通過 Linux 下的 socket套接字編程創建套接字、綁定端口號，由 S3C2440 平臺作為客戶機將采集到的數據經 3G 無線上網卡發送，PC 上位機監測中心作為服務器接收數據。無線數據傳輸流程如圖 4 所示。
服務器使用 socket\\( \\) 函數創建一個套接字，然后用 bind\\( \\) 函數將套接字與本地地址和端口號進行綁定; 綁定成功后，客戶端根據服務器域名獲取服務器的 IP 地址，然后利用 socket\\( \\) 創建套接字; 客戶端調用 sendto\\( \\) 函數向服務器發送服務請求報文，調用 re-cvfrom\\( \\) 函數等待并接收服務器的應答報文; 雙方通過 socket 套接字進行數據的發送與接收，實現 ARM9平臺與 PC 上位機之間的通信?！緢D4】
4 結論
設計了一種基于嵌入式 Linux 的灌區信息采集與無線傳輸系統，以嵌入式微處理器 S3C2440 為核心，結合氣象傳感器和攝像頭實現對灌區多個采集點的氣象要素及圖像信息的采集。同時，以 SPI 模式下的SD 卡存儲數據信息，利用數據報套接字通過 3G 網絡實現實時數據信息高速透明、安全可靠的無線傳輸。
該系統具有性能穩定、實時性好、可靠性高等優點，可廣泛應用在我國地域廣闊的大型灌區中，以解決灌區人工監測難以實現實時性的問題。
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