基于嵌入式Web服務(wù)器的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究

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)控由于受通訊線路、距離影響，費(fèi)時(shí)費(fèi)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(yuǎn)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(jià)的嵌入TCP/IP通信協(xié)議的51系列單片機(jī)來控制網(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，8個(gè)中斷申請線以及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)訪問控制)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)行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。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)線的連接通道，通常通過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)線的數(shù)據(jù)交換。MAC(介質(zhì)訪問控制)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MAC比較、CRC校驗(yàn)后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)；收滿一幀后，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請求的頻率[2]。
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、跳線和免跳線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。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)