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(gè)溫室大棚的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Luminary公司的LM3S102處理器以及精簡(jiǎn)的TCP／IP協(xié)議棧，構(gòu)建了嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)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(guò)對(duì)光照強(qiáng)度、溫度、濕度等信號(hào)的采集，使用戶可以在任意計(jì)算機(jī)終端上通過(guò)IE瀏覽器遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚電動(dòng)卷簾機(jī)、溫室電熱器、植物生長(zhǎng)燈、微管?chē)姷喂嗟认到y(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。用戶也可通過(guò)LCD屏與鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)大棚的實(shí)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(cè)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(lái)實(shí)時(shí)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(diǎn)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(bào)警信息。當(dāng)溫濕度超過(guò)設(shè)定值的時(shí)候，自動(dòng)開(kāi)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(wú)線方式的居多，且傳輸范圍有限，價(jià)格比較昂貴，與其他系統(tǒng)的兼容性不好。本設(shè)計(jì)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(jiǎn)的TCP／IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)通用的嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)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(jì)
    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(gè)部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)工作流程簡(jiǎn)述如下：通過(guò)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(jì)算機(jī)主動(dòng)獲取的方式，可以始終獲取，也可以在需要的時(shí)候獲取。監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)只需具備通用的IE瀏覽器，即可訪問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器的控制界面，查看每一個(gè)溫室監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚電動(dòng)卷簾機(jī)、溫室電熱器、植物生長(zhǎng)燈、微管?chē)姷喂嗟认到y(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
    本文從4個(gè)部分介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)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(jì)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(chǔ)在自身內(nèi)存中，將其掛接在LM3S102處理器的I2C總線上實(shí)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(lái)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(jì)選用廉價(jià)的光電管，當(dāng)光照強(qiáng)度大時(shí)，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(shí)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(shí)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(tái)上TCP／IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

1．3 外設(shè)控制子系統(tǒng)
    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室自動(dòng)卷簾的遠(yuǎn)程智能升降控制，設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)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(hào)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(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)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(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制非常簡(jiǎn)單。接口芯片MPC17529用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。在實(shí)際運(yùn)用中，可采用各種方法增大后級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)重型卷簾門(mén)的自如控制。圖5為電機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)方法。

    由于LM3S102的I／O口有限，本設(shè)計(jì)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(shí)采用用8盞LED燈來(lái)表示溫室電熱器、植物生長(zhǎng)燈、微管?chē)姷喂唷怏w肥料釋放機(jī)等溫室常用設(shè)備。實(shí)際應(yīng)用時(shí)加上繼電器電路以后便可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中諸多科技農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。電機(jī)控制電路如圖6所示。

    經(jīng)過(guò)各子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，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(jì)實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)容量相對(duì)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(jiǎn)的 TCP／IP協(xié)議棧，在上層實(shí)現(xiàn)了HTTP協(xié)議。包括ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片的驅(qū)動(dòng)和IP包與ARP包的相應(yīng)，實(shí)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(jiǎn)’Web服務(wù)器不需要的UDP協(xié)議和ICMP協(xié)議，并且不實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    當(dāng)以上步驟完成后，接下來(lái)的主要任務(wù)就是將整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建起來(lái)，并進(jìn)行調(diào)試。遠(yuǎn)程人員只需登錄節(jié)點(diǎn)服務(wù)界面就能實(shí)現(xiàn)如親臨溫室的監(jiān)測(cè)與控制效果。此功能的實(shí)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(shí)驗(yàn)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(lái)測(cè)試系統(tǒng)工作性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試處理后，能夠按照設(shè)計(jì)原理完成相應(yīng)功能，達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)，并對(duì)各參數(shù)的測(cè)量可達(dá)較高精度(對(duì)溫度的測(cè)量可達(dá)O．5℃，濕度可達(dá)4．5％)，并對(duì)電動(dòng)卷簾機(jī)、微觀噴滴灌等電動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作靈活，構(gòu)建簡(jiǎn)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(shí)設(shè)置了多個(gè)備用接口，便于改造和開(kāi)發(fā)升級(jí)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和良好的商業(yè)前景。