基于嵌入式Web服務(wù)器的溫室遠程監(jiān)控的研究

現(xiàn)代溫室大棚多以微電子技術(shù)和計算機輔助決策技術(shù)為核心、以上下位機方式進行智能化監(jiān)控。但上下位機監(jiān)控由于受通訊線路、距離影響，費時費力。隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，研究并開發(fā)基于Internet的連棟溫室室內(nèi)環(huán)境遠程控制技術(shù)及設(shè)備，成為迫切需要解決的問題。本文提出了一種將溫室控制的嵌入式系統(tǒng)作為服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)，利用廉價的嵌入TCP/IP通信協(xié)議的51系列單片機來控制網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS，實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)硬軟件進行了設(shè)計。
2  系統(tǒng)硬件設(shè)計方案
溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心微控制器采用美國Cygnal公司的單片機C8051F020，以太網(wǎng)控制器采用臺灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS。下面，首先分別對其作一介紹。
2.1  C8051F020微處理器
C8051F020是一塊集成混合信號SoC芯片，其內(nèi)核與8051兼容。工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25MHz時，峰值速度可達25MIPS 。C8051F020有256KB的內(nèi)部RAM，還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的4 KBXRAM和一個可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口，以及64 K B可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器。C8051 F020 除標準的8051端口 ( P0 、P 1 、P2和P3)外，還附加4個端口( P4、P5 、P6和P7)。有5個16位通用定時器、片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。工作電壓為2.7 V～3.6 V，工作電流為10mA/20MHz [1]。
2.2  以太網(wǎng)控制器RTL8019AS
臺灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，因性能優(yōu)良、價格低廉，在10Mbps網(wǎng)卡中占有相當?shù)谋壤?。它符合Ethernet II與IEEE802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)標準，100引腳PQFP封裝，采用全雙工收發(fā)可同時達到10Mbps的速率，內(nèi)置16KB的SRAM，支持8／16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及l(fā)6個I／O基地址選擇等。
RTL8019AS內(nèi)部分為遠程DMA口、本地DMA接口、MAC(介質(zhì)訪問控制)邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內(nèi)部RAM進行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。單片機收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是指 RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道，通常通過RJ45接口實現(xiàn)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接，完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。MAC(介質(zhì)訪問控制)邏輯完成以下功能：當單片機向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時， 先將一幀數(shù)據(jù)通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令；當RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后，再開始此幀的發(fā)送。RTL8019AS接收數(shù)據(jù)時，首先把接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)；收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率[2]。
2.3  系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
系統(tǒng)核心微控制器采用Cygnal公司的單片機C8051F020，而C8051F020單片機并不具有以太網(wǎng)接口，為實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，需要接口芯片。系統(tǒng)接口芯片采用是臺灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS。RTL8019AS有即插即用、跳線和免跳線3種工作方式。為了減少資源占用，系統(tǒng)設(shè)計中將RTL8019AS芯片的JP腳接高電平即選擇跳線方式。為了防止干擾和破壞元器件,實現(xiàn)帶電拔插功能，需要將RTL8019AS外接一個隔離LPF濾波器，再通過RJ45接口接入以太網(wǎng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
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3  系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1  單片機中TCP／IP協(xié)議的嵌入
嵌入式系統(tǒng)接入Internet同PC機接入Internet一樣，必須要有相應(yīng)通信協(xié)議。目前Internet主要采用TCP/IP協(xié)議，因此，采用嵌入式系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議接入Internet的方案，嵌入式系統(tǒng)對信息進行TCP/IP協(xié)議處理，使其變成可以在Internet上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包和以太網(wǎng)幀。
溫室中的主控單片機要作為Web服務(wù)器接入以太網(wǎng)，必須嵌入TCP／IP協(xié)議。Internet通信協(xié)議對計算機系統(tǒng)的CPU速度、存儲器容量等要求比較高，用于PC機不存在任何困難，但用于自身資源有限的嵌入式系統(tǒng)就必須考慮性價比，根據(jù)需要有所取舍，合理選擇通信協(xié)議的實現(xiàn)和處理方案。根據(jù)所選的單片機C8051F020的資源，對TCP／IP協(xié)議做了裁減，系統(tǒng)中使用了ARP、RARP、ICMP、UDP、HTTP等部分協(xié)議，即可保證單片機接入以太網(wǎng)，同時亦保證有足夠小的代碼量。
根據(jù)實際需要，該系統(tǒng)采用一種簡化的TCP／IP 4層網(wǎng)絡(luò)模型，分別為：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層。應(yīng)用層傳遞來自以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)作打包拆包處理；傳輸層采用用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議UDP；網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)IP協(xié)議，還要實現(xiàn)能報告數(shù)據(jù)傳輸差錯等情況的ICMP協(xié)議；鏈路層由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成。在簡化的TCP／IP協(xié)議4層模型中，鏈路層部分由RTL8019AS完成，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由溫室控制的單片機來處理，應(yīng)用層則根據(jù)需要可以在單片機內(nèi)完成，也可以由單片機轉(zhuǎn)給用戶或終端設(shè)備完成[3]。
3.2 單片機控制以太網(wǎng)卡工作過程
系統(tǒng)在上電工作時首先要進行初始化，即初始化單片機C8051F020和RTL8019AS，進行工作參數(shù)和條件的設(shè)置，主要是一些寄存器的配置和內(nèi)置RAM空間的分配。初始化之后，由于MCU系統(tǒng)中的TCP/IP是直接面向硬件的，沒有嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持，程序結(jié)構(gòu)一般采用順序執(zhí)行和硬件中斷相結(jié)合的方式，與操作系統(tǒng)的多進程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同。當所有初始化完成之后，就采用查詢方式開始工作，程序流程圖見圖2。

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當系統(tǒng)接入以太網(wǎng)開始運行時，首先進行地址解析，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進行“身份識別”，當用戶通過瀏覽器發(fā)出請求時，網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動程序接收以太網(wǎng)幀形式的用戶請求，然后傳輸給上層協(xié)議逐層分離取出用戶請求，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶請求調(diào)用單片機C8051F020外圍傳感器采集溫室內(nèi)相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)逐層打包，最后交給以太網(wǎng)芯片RTL8019AS封裝成以太網(wǎng)幀發(fā)送出去。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，則重復(fù)多次數(shù)據(jù)發(fā)送過程，便可完成一個數(shù)據(jù)的完整傳輸。在終端可以以Web網(wǎng)頁的形式供用戶瀏覽和做出進一步的判斷控制。
溫室控制系統(tǒng)中單片機主要完成來自網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的解包和接受溫室傳感器采集的數(shù)據(jù)的打包，當以太網(wǎng)有數(shù)據(jù)到達該設(shè)備時，單片機采用查詢方式讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并分析，先將其目的地址與系統(tǒng)的物理地址相比較，如果地址不相符，則將該數(shù)據(jù)丟棄，如果相符，則判斷是否是ARP數(shù)據(jù)包，是則轉(zhuǎn)入ARP處理程序，并發(fā)送RARP數(shù)據(jù)包。如果是UDP數(shù)據(jù)包且IP地址和端口號正確，則開始數(shù)據(jù)接收。當傳感器傳來的數(shù)據(jù)要發(fā)送時，單片機先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按UDP 協(xié)議格式打包進行封裝，需要設(shè)置以太網(wǎng)目的地址、源地址、協(xié)議類型，再按所設(shè)置的協(xié)議類型來設(shè)置數(shù)據(jù)段。然后給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長度，啟動發(fā)送命令。通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩沖區(qū)，即可實現(xiàn)RTL8019AS的發(fā)送功能，并將結(jié)果寫入狀態(tài)寄存器中。再啟動本地DMA，將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上[4]。
　
4  結(jié)論
（1）提出將單片微處理器提升為具有系統(tǒng)軟件和TCP/IP協(xié)議的嵌入式Web服務(wù)器，并用于溫室環(huán)境控制的方案。這種嵌入TCP／IP協(xié)議的單片機系統(tǒng)成本低、硬件少、傳輸速度快、使用方便，可在遠程數(shù)據(jù)采集和傳輸、遠程監(jiān)控等方面有廣泛應(yīng)用前景。
（2）設(shè)計了系統(tǒng)的軟硬件，通過用單片機控制網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS，同時嵌入精簡的TCP／IP協(xié)議，將溫室控制器擴展成嵌入式Web服務(wù)器，實現(xiàn)溫室內(nèi)各種狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與控制。
本文作者創(chuàng)新點: 通過設(shè)計,首次把溫室內(nèi)廉價的單片微處理器做成一個嵌入TCP/IP協(xié)議的Web服務(wù)器，其不僅實現(xiàn)溫室內(nèi)各種狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集功能，更替代了過去的上下位機遠程控制，這對我國數(shù)字農(nóng)業(yè)和網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)的研究也具有重大意義。