1 引言

現(xiàn)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(jiān)控。但上下位機監(jiān)控由于受通訊線路、距離影響，費時費力。隨著我國設施農業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應用，研究并開發(fā)基于Internet的連棟溫室室內環(huán)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(tǒng)作為服務器接入網絡，利用廉價的嵌入TCP/IP通信協(xié)議的51系列單片機來控制網絡接口芯片RTL8019AS，實現(xiàn)以太網通訊的系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)硬軟件進行了設計。

2  系統(tǒng)硬件設計方案

溫室遠程監(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(tǒng)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(shù)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(shù)據存儲器接口，以及64 K B可在系統(tǒng)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(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  以太網控制器RTL8019AS

臺灣Realtek公司生產的RTL8019AS以太網控制器，因性能優(yōu)良、價格低廉，在10Mbps網卡中占有相當?shù)谋壤?。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(fā)可同時達到10Mbps的速率，內置16KB的SRAM，支持8／16位數(shù)據總線，8個中斷申請線以及l(fā)6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(shù)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(fā)數(shù)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(xiàn)和外部網絡的連接，完成控制器與網線的數(shù)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(fā)送數(shù)據時， 先將一幀數(shù)據通過遠程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)據時，首先把接收到的數(shù)據通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)；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(fā)數(shù)據作16字節(jié)的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。

2.3  系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)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(xiàn)以太網通信，需要接口芯片。系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)硬件結構框圖

3  系統(tǒng)軟件設計

3.1  單片機中TCP／IP協(xié)議的嵌入

嵌入式系統(tǒng)接入Internet同PC機接入Internet一樣，必須要有相應通信協(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TCP/IP協(xié)議接入Internet的方案，嵌入式系統(tǒng)對信息進行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(xié)議。Internet通信協(xié)議對計算機系統(tǒng)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(tǒng)就必須考慮性價比，根據需要有所取舍，合理選擇通信協(xié)議的實現(xiàn)和處理方案。根據所選的單片機C8051F020的資源，對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(tǒng)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(shù)據鏈路層。應用層傳遞來自以太網和數(shù)據終端的數(shù)據，并對數(shù)據作打包拆包處理；傳輸層采用用戶數(shù)據包協(xié)議UDP；網絡層實現(xiàn)IP協(xié)議，還要實現(xiàn)能報告數(shù)據傳輸差錯等情況的ICMP協(xié)議；鏈路層由控制同一物理網絡上不同機器間數(shù)據傳送的底層協(xié)議組成。在簡化的TCP／IP協(xié)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。

3.2 單片機控制以太網卡工作過程

系統(tǒng)在上電工作時首先要進行初始化，即初始化單片機C8051F020和RTL8019AS，進行工作參數(shù)和條件的設置，主要是一些寄存器的配置和內置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，沒有嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持，程序結構一般采用順序執(zhí)行和硬件中斷相結合的方式，與操作系統(tǒng)的多進程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同。當所有初始化完成之后，就采用查詢方式開始工作，程序流程圖見圖2。

當系統(tǒng)接入以太網開始運行時，首先進行地址解析，在網絡內進行“身份識別”，當用戶通過瀏覽器發(fā)出請求時，網絡芯片驅動程序接收以太網幀形式的用戶請求，然后傳輸給上層協(xié)議逐層分離取出用戶請求，控制系統(tǒng)根據用戶請求調用單片機C8051F020外圍傳感器采集溫室內相應的狀態(tài)數(shù)據，再將數(shù)據逐層打包，最后交給以太網芯片RTL8019AS封裝成以太網幀發(fā)送出去。如果傳輸?shù)臄?shù)據量比較大，則重復多次數(shù)據發(fā)送過程，便可完成一個數(shù)據的完整傳輸。在終端可以以Web網頁的形式供用戶瀏覽和做出進一步的判斷控制。

溫室控制系統(tǒng)中單片機主要完成來自網絡數(shù)據的解包和接受溫室傳感器采集的數(shù)據的打包，當以太網有數(shù)據到達該設備時，單片機采用查詢方式讀取網絡數(shù)據并分析，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)據丟棄，如果相符，則判斷是否是ARP數(shù)據包，是則轉入ARP處理程序，并發(fā)送RARP數(shù)據包。如果是UDP數(shù)據包且IP地址和端口號正確，則開始數(shù)據接收。當傳感器傳來的數(shù)據要發(fā)送時，單片機先將待發(fā)送的數(shù)據按UDP 協(xié)議格式打包進行封裝，需要設置以太網目的地址、源地址、協(xié)議類型，再按所設置的協(xié)議類型來設置數(shù)據段。然后給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據包長度，啟動發(fā)送命令。通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩沖區(qū)，即可實現(xiàn)RTL8019AS的發(fā)送功能，并將結果寫入狀態(tài)寄存器中。再啟動本地DMA，將數(shù)據發(fā)送到網絡上。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

4  結論

（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)議的單片機系統(tǒng)成本低、硬件少、傳輸速度快、使用方便，可在遠程數(shù)據采集和傳輸、遠程監(jiān)控等方面有廣泛應用前景。

（2）設計了系統(tǒng)的軟硬件，通過用單片機控制網絡接口芯片RTL8019AS，同時嵌入精簡的TCP／IP協(xié)議，將溫室控制器擴展成嵌入式Web服務器，實現(xiàn)溫室內各種狀態(tài)數(shù)據的采集與控制。