基于嵌入式系統(tǒng)的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

1 引言

現(xiàn)代溫室大棚多以微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助決策技術(shù)為核心、以上下位機(jī)方式進(jìn)行智能化監(jiān)控。但上下位機(jī)監(jiān)控由于受通訊線(xiàn)路、距離影響，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，研究并開(kāi)發(fā)基于Internet的連棟溫室室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程控制技術(shù)及設(shè)備，成為迫切需要解決的問(wèn)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(jià)的嵌入TCP/IP通信協(xié)議的51系列單片機(jī)來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的系統(tǒng)方案，并對(duì)系統(tǒng)硬軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心微控制器采用美國(guó)Cygnal公司的單片機(jī)C8051F020，以太網(wǎng)控制器采用臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS。下面，首先分別對(duì)其作一介紹。

2.1  C8051F020微處理器

C8051F020是一塊集成混合信號(hào)SoC芯片，其內(nèi)核與8051兼容。工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25MHz時(shí)，峰值速度可達(dá)25MIPS 。C8051F020有256KB的內(nèi)部RAM，還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的4 KBXRAM和一個(gè)可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，以及64 K B可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器。C8051 F020 除標(biāo)準(zhǔn)的8051端口 （ P0 、P 1 、P2和P3）外，還附加4個(gè)端口（ P4、P5 、P6和P7）。有5個(gè)16位通用定時(shí)器、片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)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(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，因性能優(yōu)良、價(jià)格低廉，在10Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?。它符合Ethernet II與IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）標(biāo)準(zhǔn)，100引腳PQFP封裝，采用全雙工收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps的速率，內(nèi)置16KB的SRAM，支持8／16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，8個(gè)中斷申請(qǐng)線(xiàn)以及l(fā)6個(gè)I／O基地址選擇等。

RTL8019AS內(nèi)部分為遠(yuǎn)程DMA口、本地DMA接口、MAC（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。遠(yuǎn)程DMA接口是指單片機(jī)對(duì)RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫(xiě)的總線(xiàn)，即ISA總線(xiàn)的接口部分。單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。本地DMA接口是指 RTL8019AS與網(wǎng)線(xiàn)的連接通道，通常通過(guò)RJ45接口實(shí)現(xiàn)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接，完成控制器與網(wǎng)線(xiàn)的數(shù)據(jù)交換。MAC（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）邏輯完成以下功能：當(dāng)單片機(jī)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)， 先將一幀數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)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(dāng)RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后，再開(kāi)始此幀的發(fā)送。RTL8019AS接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先把接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)MAC比較、CRC校驗(yàn)后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)；收滿(mǎn)一幀后，以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖，以減少對(duì)本地DMA請(qǐng)求的頻率。

2.3  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)核心微控制器采用Cygnal公司的單片機(jī)C8051F020，而C8051F020單片機(jī)并不具有以太網(wǎng)接口，為實(shí)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(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS。RTL8019AS有即插即用、跳線(xiàn)和免跳線(xiàn)3種工作方式。為了減少資源占用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將RTL8019AS芯片的JP腳接高電平即選擇跳線(xiàn)方式。為了防止干擾和破壞元器件，實(shí)現(xiàn)帶電拔插功能，需要將RTL8019AS外接一個(gè)隔離LPF濾波器，再通過(guò)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。

圖1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1  單片機(jī)中TCP／IP協(xié)議的嵌入

嵌入式系統(tǒng)接入Internet同PC機(jī)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(guò)TCP/IP協(xié)議接入Internet的方案，嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)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(jī)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(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU速度、存儲(chǔ)器容量等要求比較高，用于PC機(jī)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?xún)r(jià)比，根據(jù)需要有所取舍，合理選擇通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和處理方案。根據(jù)所選的單片機(jī)C8051F020的資源，對(duì)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(jī)接入以太網(wǎng)，同時(shí)亦保證有足夠小的代碼量。

根據(jù)實(shí)際需要，該系統(tǒng)采用一種簡(jiǎn)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(lái)自以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)作打包拆包處理；傳輸層采用用戶(hù)數(shù)據(jù)包協(xié)議UDP；網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議，還要實(shí)現(xiàn)能報(bào)告數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)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(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成。在簡(jiǎn)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(jī)來(lái)處理，應(yīng)用層則根據(jù)需要可以在單片機(jī)內(nèi)完成，也可以由單片機(jī)轉(zhuǎn)給用戶(hù)或終端設(shè)備完成。

3.2 單片機(jī)控制以太網(wǎng)卡工作過(guò)程

系統(tǒng)在上電工作時(shí)首先要進(jìn)行初始化，即初始化單片機(jī)C8051F020和RTL8019AS，進(jìn)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(méi)有嵌入式實(shí)時(shí)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(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同。當(dāng)所有初始化完成之后，就采用查詢(xún)方式開(kāi)始工作，程序流程圖見(jiàn)圖2。

當(dāng)系統(tǒng)接入以太網(wǎng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行地址解析，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行“身份識(shí)別”，當(dāng)用戶(hù)通過(guò)瀏覽器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動(dòng)程序接收以太網(wǎng)幀形式的用戶(hù)請(qǐng)求，然后傳輸給上層協(xié)議逐層分離取出用戶(hù)請(qǐng)求，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求調(diào)用單片機(jī)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(guò)程，便可完成一個(gè)數(shù)據(jù)的完整傳輸。在終端可以以Web網(wǎng)頁(yè)的形式供用戶(hù)瀏覽和做出進(jìn)一步的判斷控制。

溫室控制系統(tǒng)中單片機(jī)主要完成來(lái)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(dāng)以太網(wǎng)有數(shù)據(jù)到達(dá)該設(shè)備時(shí)，單片機(jī)采用查詢(xún)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(hào)正確，則開(kāi)始數(shù)據(jù)接收。當(dāng)傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，單片機(jī)先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按UDP 協(xié)議格式打包進(jìn)行封裝，需要設(shè)置以太網(wǎng)目的地址、源地址、協(xié)議類(lèi)型，再按所設(shè)置的協(xié)議類(lèi)型來(lái)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(zhǎng)度，啟動(dòng)發(fā)送命令。通過(guò)遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩沖區(qū)，即可實(shí)現(xiàn)RTL8019AS的發(fā)送功能，并將結(jié)果寫(xiě)入狀態(tài)寄存器中。再啟動(dòng)本地DMA，將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

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(jī)系統(tǒng)成本低、硬件少、傳輸速度快、使用方便，可在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面有廣泛應(yīng)用前景。

（2）設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟硬件，通過(guò)用單片機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS，同時(shí)嵌入精簡(jiǎn)的TCP／IP協(xié)議，將溫室控制器擴(kuò)展成嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)各種狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與控制。