基于嵌入式系統的溫室遠程監控設計

1 引言

現代溫室大棚多以微電子技術和計算機輔助決策技術為核心、以上下位機方式進行智能化監控。但上下位機監控由于受通訊線路、距離影響，費時費力。隨著我國設施農業的快速發展和廣泛應用，研究并開發基于Internet的連棟溫室室內環境遠程控制技術及設備，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作為服務器接入網絡，利用廉價的嵌入TCP/IP通信協議的51系列單片機來控制網絡接口芯片RTL8019AS，實現以太網通訊的系統方案，并對系統硬軟件進行了設計。

2 系統硬件設計方案

溫室遠程監控系統的核心微控制器采用美國Cygnal公司的單片機C8051F020，以太網控制器采用臺灣Realtek公司生產的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，其內核與8051兼容。工作在最大系統時鐘頻率25MHz時，峰值速度可達25MIPS 。C8051F020有256KB的內部RAM，還另有位于外部數據存儲器地址空間的4 KBXRAM和一個可尋址64 KB地址空間的外部數據存儲器接口，以及64 K B可在系統編程的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、片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。工作電壓為2.7 V～3.6 V，工作電流為10mA/20MHz [1]。

2.2 以太網控制器RTL8019AS

臺灣Realtek公司生產的RTL8019AS以太網控制器，因性能優良、價格低廉，在10Mbps網卡中占有相當的比例。它符合Ethernet II與IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）標準，100引腳PQFP封裝，采用全雙工收發可同時達到10Mbps的速率，內置16KB的SRAM，支持8／16位數據總線，8個中斷申請線以及l6個I／O基地址選擇等。

RTL8019AS內部分為遠程DMA口、本地DMA接口、MAC（介質訪問控制）邏輯、數據編碼解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內部RAM進行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。單片機收發數據只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是指 RTL8019AS與網線的連接通道，通常通過RJ45接口實現和外部網絡的連接，完成控制器與網線的數據交換。MAC（介質訪問控制）邏輯完成以下功能：當單片機向網上發送數據時， 先將一幀數據通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩存區，然后發出傳送命令；當RTL8019AS完成了上一幀的發送后，再開始此幀的發送。RTL8019AS接收數據時，首先把接收到的數據通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區；收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發數據作16字節的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。

2.3 系統硬件設計與實現

系統核心微控制器采用Cygnal公司的單片機C8051F020，而C8051F020單片機并不具有以太網接口，為實現以太網通信，需要接口芯片。系統接口芯片采用是臺灣Realtek公司生產的以太網控制器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，系統設計中將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。系統硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

3 系統軟件設計

3.1 單片機中TCP／IP協議的嵌入

嵌入式系統接入Internet同PC機接入Internet一樣，必須要有相應通信協議。目前Internet主要采用TCP/IP協議，因此，采用嵌入式系統通過TCP/IP協議接入Internet的方案，嵌入式系統對信息進行TCP/IP協議處理，使其變成可以在Internet上傳輸的IP數據包和以太網幀。

溫室中的主控單片機要作為Web服務器接入以太網，必須嵌入TCP／IP協議。Internet通信協議對計算機系統的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就必須考慮性價比，根據需要有所取舍，合理選擇通信協議的實現和處理方案。根據所選的單片機C8051F020的資源，對TCP／IP協議做了裁減，系統中使用了ARP、RARP、ICMP、UDP、HTTP等部分協議，即可保證單片機接入以太網，同時亦保證有足夠小的代碼量。

根據實際需要，該系統采用一種簡化的TCP／IP 4層網絡模型，分別為：應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層。應用層傳遞來自以太網和數據終端的數據，并對數據作打包拆包處理；傳輸層采用用戶數據包協議UDP；網絡層實現IP協議，還要實現能報告數據傳輸差錯等情況的ICMP協議；鏈路層由控制同一物理網絡上不同機器間數據傳送的底層協議組成。在簡化的TCP／IP協議4層模型中，鏈路層部分由RTL8019AS完成，網絡層和傳輸層由溫室控制的單片機來處理，應用層則根據需要可以在單片機內完成，也可以由單片機轉給用戶或終端設備完成。