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現代化的溫室監控系統用來實時采集溫室內溫度、濕度、光照、土壤溫度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環境參數，根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息。當溫濕度超過設定值的時候，自動開啟或者關閉指定設備。現有的溫室監控系統采用無線方式的居多，且傳輸范圍有限，價格比較昂貴，與其他系統的兼容性不好。本設計提出基于以太網的溫室監控系統，使用Luminary公司的LM3S102處理器，在其有限的內存空間上構建精簡的TCP／IP協議棧，實現通用的嵌入式Web服務器，實現基于以太網的智能溫室大棚監控功能。 1 系統設計 系統由傳感器子系統、Web服務器子系統、外設控制子系統、人機接口子系統4個部分組成。基本結構如圖1所示。 
系統工作流程簡述如下：通過傳感器子系統采集，獲得溫室中的光照、溫度、濕度等關鍵信息后處理加工，變成可以經TCP／IP協議傳輸的以太網數據包。數據傳輸采用監控終端計算機主動獲取的方式，可以始終獲取，也可以在需要的時候獲取。監控終端計算機只需具備通用的IE瀏覽器，即可訪問嵌入式 Web服務器的控制界面，查看每一個溫室監控節點的數據信息，實現對大棚電動卷簾機、溫室電熱器、植物生長燈、微管噴滴灌等系統的實時控制。 本文從4個部分介紹系統的設計與實現，先從硬件角度構建主要的傳感器子系統、Web服務器子系統、外設控制子系統，然后從軟件角度出發，設計實現精簡的TCP／IP協議棧。 1．1 傳感器子系統 考慮到LM3S102接口有限，傳統的模擬傳感器需要A／D轉換后方可使用，不適合本系統。設計選用I2C接口的數字傳感器SHT10，該傳感器將外界環境的濕度、溫度信息采集以后存儲在自身內存中，將其掛接在LM3S102處理器的I2C總線上實現數據的讀取。在后續部分可以看到，I2C總線上還掛接了用來擴展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。設計選用廉價的光電管，當光照強度大時，光電管導通電流大，從而在VIN_N端得到更低的電壓。VIN_N端和 LM3S102內置的模擬比較器相接，將采集到的數據存于RAM中，和SHT10采集到的濕度、溫度信息一起，由TCP／IP協議封裝發送。
1．2 Web服務器子系統 為了構建Web服務器子系統，必須找到合適的網絡功能實現方法。如圖4所示，系統選用SPI接口的網絡芯片ENC28J60實現網絡MAC和PHY的功能，充分利用LM3S102的外設接口。TPOUT和TPIN端送往隔離變壓器，外接通用的RJ45網口。后續部分將介紹在此硬件平臺上TCP／IP協議的實現。
1．3 外設控制子系統 為了實現對溫室自動卷簾的遠程智能升降控制，設計采用PWM控制步進電機的方法。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制非常簡單。接口芯片MPC17529用來驅動步進電機。在實際運用中，可采用各種方法增大后級電路的驅動能力，以實現對重型卷簾門的自如控制。圖5為電機控制電路的實現方法。
由于LM3S102的I／O口有限，本設計采用I2C接口擴展I／O口的專用芯片PCA9554。掛接在I2C總線上的該芯片可以擴展出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、氣體肥料釋放機等溫室常用設備。實際應用時加上繼電器電路以后便可以方便地實現對溫室中諸多科技農業控制系統的實時控制。電機控制電路如圖6所示。
經過各子系統的硬件設計，LM3S102的片上接口與片內資源得到了充分的利用。 1．4 設計實現精簡的TCP／IP協議棧 嵌入式Web服務器運行的目標系統大多是各類專用設備，內存資源和存儲器資源非常有限，它通常作為一種監控、管理手段去控制和配置各種電子設備，實現設備的智能化和信息化。嵌入式Web服務器的應用系統框架如圖7所示。
考慮到嵌入式Web服務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協議棧中能夠實現ARP、IP、TCP協議即可。采用精簡的 TCP／IP協議棧，在上層實現了HTTP協議。包括ENC28J60網絡芯片的驅動和IP包與ARP包的相應，實現了基于TCP協議的HTTP包的收發，協議棧省去了作為精簡’Web服務器不需要的UDP協議和ICMP協議，并且不實現SOCKET函數，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協議棧結構如圖8所示，軟件模塊分層工作流程如圖9所示。
2 實驗結果與分析 當以上步驟完成后，接下來的主要任務就是將整個系統構建起來，并進行調試。遠程人員只需登錄節點服務界面就能實現如親臨溫室的監測與控制效果。此功能的實現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，以此來測試系統工作性能。實驗結果表明，系統經調試處理后，能夠按照設計原理完成相應功能，達到預設目標，并對各參數的測量可達較高精度(對溫度的測量可達0.5℃，濕度可達4.5％)，并對電動卷簾機、微觀噴滴灌等電動設備實現實時監控，操作靈活，構建簡單，具有較好的穩定性和應用性。本系統不僅適用于農業還適用于畜牧業，同時設置了多個備用接口，便于改造和開發升級，具有很高的應用價值和良好的商業前景。 參考文獻 1. 于海業 溫室環境自動檢測系統 1997(zk) 2. 郭清華 蔬菜大棚智能溫度控制系統應用研究 [期刊論文] -安徽農業科學2008(11) 3. 侯海霞 基于GSM 網絡的溫室大棚控制系統設計 [期刊論文] -農業網絡信息2007(8) 4. Bao Changchun.Shen Chunbao.Dang Shengming Design of Automatic Measuring and Controlling Device for the Vegetable Greenhouse 2007 5. Ursem R K.Filipic B.Krink T Exploring the Performance of an Evolutionary Algorithm for Greenhouse Control Information Technology Interface.s ITI 2002 2002 6. Stipanicev D.Marasovic J Networked embedded greenhouse monitoring and control 2003 7. 馬云霞 溫室、大棚節水微噴灌溉智能控制的研制與應用 [期刊論文] -農業機械化與電氣化2006(2) 8. 任文濤.楊懿.張玉龍 基于單片機的溫室滲灌控制系統設計 [期刊論文] -農機化研究2008(3) 作者：上海大學 韓曦 張欣 孫狄 來源：《單片機與嵌入式系統應用 》 2009 (6) |
