基于嵌入式Web服務(wù)器的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要 闡述了一個溫室大棚的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Luminary公司的LM3S102處理器以及精簡的TCP／IP協(xié)議棧，構(gòu)建了嵌入式Web服務(wù)器，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的智能溫室大棚監(jiān)控功能。系統(tǒng)通過對光照強(qiáng)度、溫度、濕度等信號的采集，使用戶可以在任意計算機(jī)終端上通過IE瀏覽器遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚狀態(tài)，實現(xiàn)對大棚電動卷簾機(jī)、溫室電熱器、植物生長燈、微管噴滴灌等系統(tǒng)的實時控制。用戶也可通過LCD屏與鍵盤實現(xiàn)大棚的實地監(jiān)控。系統(tǒng)采用PoE技術(shù)，不需要額外的輸電線，充分利用了LM3S102外設(shè)，使測控系統(tǒng)適應(yīng)基層生產(chǎn)的需要。
關(guān)鍵詞 溫室監(jiān)控 嵌入式 以太網(wǎng)供電 協(xié)議棧 Web服務(wù)器 LM3S102

    現(xiàn)代化的溫室監(jiān)控系統(tǒng)用來實時采集溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報警信息。當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值的時候，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備?，F(xiàn)有的溫室監(jiān)控系統(tǒng)采用無線方式的居多，且傳輸范圍有限，價格比較昂貴，與其他系統(tǒng)的兼容性不好。本設(shè)計提出基于以太網(wǎng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，使用Luminary公司的LM3S102處理器，在其有限的內(nèi)存空間上構(gòu)建精簡的TCP／IP協(xié)議棧，實現(xiàn)通用的嵌入式Web服務(wù)器，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的智能溫室大棚監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計
    系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、Web服務(wù)器子系統(tǒng)、外設(shè)控制子系統(tǒng)、人機(jī)接口子系統(tǒng)4個部分組成。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)工作流程簡述如下：通過傳感器子系統(tǒng)采集，獲得溫室中的光照、溫度、濕度等關(guān)鍵信息后處理加工，變成可以經(jīng)TCP／IP協(xié)議傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)傳輸采用監(jiān)控終端計算機(jī)主動獲取的方式，可以始終獲取，也可以在需要的時候獲取。監(jiān)控終端計算機(jī)只需具備通用的IE瀏覽器，即可訪問嵌入式Web服務(wù)器的控制界面，查看每一個溫室監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對大棚電動卷簾機(jī)、溫室電熱器、植物生長燈、微管噴滴灌等系統(tǒng)的實時控制。
    本文從4個部分介紹系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，先從硬件角度構(gòu)建主要的傳感器子系統(tǒng)、Web服務(wù)器子系統(tǒng)、外設(shè)控制子系統(tǒng)，然后從軟件角度出發(fā)，設(shè)計實現(xiàn)精簡的TCP／IP協(xié)議棧。
1．1 傳感器子系統(tǒng)
    考慮到LM3S102接口有限，傳統(tǒng)的模擬傳感器需要A／D轉(zhuǎn)換后方可使用，不適合本系統(tǒng)。設(shè)計選用I2C接口的數(shù)字傳感器SHT10，該傳感器將外界環(huán)境的濕度、溫度信息采集以后存儲在自身內(nèi)存中，將其掛接在LM3S102處理器的I2C總線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。在后續(xù)部分可以看到，I2C總線上還掛接了用來擴(kuò)展I／O口的專用芯片。溫度與濕度傳感器電路如圖2所示。

    圖3是獲取外界光照條件的方案。設(shè)計選用廉價的光電管，當(dāng)光照強(qiáng)度大時，光電管導(dǎo)通電流大，從而在VIN_N端得到更低的電壓。VIN_N端和 LM3S102內(nèi)置的模擬比較器相接，將采集到的數(shù)據(jù)存于RAM中，和SHT10采集到的濕度、溫度信息一起，由TCP／IP協(xié)議封裝發(fā)送。

1．2 Web服務(wù)器子系統(tǒng)
    為了構(gòu)建Web服務(wù)器子系統(tǒng)，必須找到合適的網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)方法。如圖4所示，系統(tǒng)選用SPI接口的網(wǎng)絡(luò)芯片ENC28J60實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)MAC和PHY的功能，充分利用LM3S102的外設(shè)接口。TPOUT和TPIN端送往隔離變壓器，外接通用的RJ45網(wǎng)口。后續(xù)部分將介紹在此硬件平臺上TCP／IP協(xié)議的實現(xiàn)。

1．3 外設(shè)控制子系統(tǒng)
    為了實現(xiàn)對溫室自動卷簾的遠(yuǎn)程智能升降控制，設(shè)計采用PWM控制步進(jìn)電機(jī)的方法。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制非常簡單。接口芯片MPC17529用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。在實際運(yùn)用中，可采用各種方法增大后級電路的驅(qū)動能力，以實現(xiàn)對重型卷簾門的自如控制。圖5為電機(jī)控制電路的實現(xiàn)方法。

    由于LM3S102的I／O口有限，本設(shè)計采用I2C接口擴(kuò)展I／O口的專用芯片PCA9554。掛接在I2C總線上的該芯片可以擴(kuò)展出8路GPIO，在演示時采用用8盞LED燈來表示溫室電熱器、植物生長燈、微管噴滴灌、氣體肥料釋放機(jī)等溫室常用設(shè)備。實際應(yīng)用時加上繼電器電路以后便可以方便地實現(xiàn)對溫室中諸多科技農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的實時控制。電機(jī)控制電路如圖6所示。

    經(jīng)過各子系統(tǒng)的硬件設(shè)計，LM3S102的片上接口與片內(nèi)資源得到了充分的利用。
1．4 設(shè)計實現(xiàn)精簡的TCP／IP協(xié)議棧
    嵌入式Web服務(wù)器運(yùn)行的目標(biāo)系統(tǒng)大多是各類專用設(shè)備，內(nèi)存資源和存儲器資源非常有限，它通常作為一種監(jiān)控、管理手段去控制和配置各種電子設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的智能化和信息化。嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用系統(tǒng)框架如圖7所示。

    考慮到嵌入式Web服務(wù)器的硬件處理速度慢并且存儲容量相對較小的限制，在TCP／IP協(xié)議棧中能夠?qū)崿F(xiàn)ARP、IP、TCP協(xié)議即可。采用精簡的 TCP／IP協(xié)議棧，在上層實現(xiàn)了HTTP協(xié)議。包括ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片的驅(qū)動和IP包與ARP包的相應(yīng)，實現(xiàn)了基于TCP協(xié)議的HTTP包的收發(fā)，協(xié)議棧省去了作為精簡’Web服務(wù)器不需要的UDP協(xié)議和ICMP協(xié)議，并且不實現(xiàn)SOCKET函數(shù)，使得代碼空間降到最小，卻能夠完成所有需要的功能。裁剪后的嵌入式專用TCP／IP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖8所示，軟件模塊分層工作流程如圖9所示。

2 實驗結(jié)果與分析
    當(dāng)以上步驟完成后，接下來的主要任務(wù)就是將整個系統(tǒng)構(gòu)建起來，并進(jìn)行調(diào)試。遠(yuǎn)程人員只需登錄節(jié)點服務(wù)界面就能實現(xiàn)如親臨溫室的監(jiān)測與控制效果。此功能的實現(xiàn)為溫室管理工作人員和科研工作人員提供了極大的便利。
    在實驗室里模擬溫室環(huán)境，用白熾燈泡模擬溫度和光照，用人工噴霧的方法增加溫室濕度，以此來測試系統(tǒng)工作性能。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試處理后，能夠按照設(shè)計原理完成相應(yīng)功能，達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)，并對各參數(shù)的測量可達(dá)較高精度(對溫度的測量可達(dá)O．5℃，濕度可達(dá)4．5％)，并對電動卷簾機(jī)、微觀噴滴灌等電動設(shè)備實現(xiàn)實時監(jiān)控，操作靈活，構(gòu)建簡單，具有較好的穩(wěn)定性和應(yīng)用性。本系統(tǒng)不僅適用于農(nóng)業(yè)還適用于畜牧業(yè)，同時設(shè)置了多個備用接口，便于改造和開發(fā)升級，具有很高的應(yīng)用價值和良好的商業(yè)前景。