網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的系統(tǒng)設(shè)計

1、戴秀杰 1303020116 目前我國現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程面臨一個長期無法突破的瓶頸:一方面，根據(jù)國外發(fā)達(dá)國家現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗與趨勢，對環(huán)境實行自動監(jiān)測控制的設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然途徑之一，為此，我國各地紛紛引進(jìn)了國外的一些先進(jìn)溫室設(shè)施作為示范推廣措施，以推動我國的現(xiàn)代化高科技設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。另一方面，由于中國工業(yè)產(chǎn)品與農(nóng)業(yè)產(chǎn)品之間長期以來存在的巨大剪刀差(近二十年來雖然這一剪刀差在縮小，但與國外發(fā)達(dá)國家的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品價格現(xiàn)狀相比還是有著相當(dāng)大的差距)，導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)設(shè)施上的投資平衡點處于較苛刻的水平，成本稍高的技術(shù)與系統(tǒng)便無法產(chǎn)生凈經(jīng)濟(jì)效益而得到實際使用;而且，我國農(nóng)民的文化科技水平

2、與國外發(fā)達(dá)國家相比，也存在著相當(dāng)?shù)牟罹?，故對操作人員科技水平要求較高的技術(shù)與系統(tǒng)也就無法為普通農(nóng)民所接受并推廣;再次，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與人員操作的粗放傳統(tǒng)也對農(nóng)業(yè)用高科技設(shè)施設(shè)備的堅固耐用性有著特別的要求。以上這些因素導(dǎo)致了從國外引進(jìn)及國內(nèi)已研發(fā)的現(xiàn)代溫室系統(tǒng)成了擺設(shè)的“花瓶”，由農(nóng)業(yè)科技人員在不計溫室基礎(chǔ)投入成本的前提下維持演示式運(yùn)營，無法變成農(nóng)民賴以養(yǎng)家糊口并發(fā)家致富的“飯碗”。 因此，研制開發(fā)成本低廉、操作簡單、堅固耐用的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)是我國現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個關(guān)鍵。 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗

3、有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它的發(fā)展與成熟為解決設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)這個瓶頸提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的最大特點是:1)采用先進(jìn)的嵌入式計算機(jī)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的上位機(jī)(PC機(jī))和下位機(jī)(單片機(jī))，構(gòu)成一個專用計算機(jī)用戶系統(tǒng)，降低了成本，提高了系統(tǒng)處理能力。2)研究即插即用的網(wǎng)絡(luò)傳感器和網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器，使傳感器和執(zhí)行器接口模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，能面對各種不同的網(wǎng)絡(luò)總線正常工作，大大提高了設(shè)備的兼容性。3)人機(jī)界面人性簡易化，方便農(nóng)民應(yīng)用。 將嵌入式系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的上位PC機(jī)，與基于IEEE1451.2的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合研制開發(fā)成本低廉、操作簡單、堅固耐用的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，使得測控系統(tǒng)中傳感

4、器能夠即插即用，數(shù)據(jù)即時傳輸、處理、反饋。 開發(fā)基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器和執(zhí)行器，進(jìn)行智能傳感器接口模塊的軟硬件設(shè)計，可以滿足溫室內(nèi)數(shù)據(jù)采集、。遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸與控制、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的要求。 由IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)定義的NCAP和STIM組成的溫室測控系統(tǒng)智能節(jié)點。STIM負(fù)責(zé)溫室現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，根據(jù)TEDS的數(shù)據(jù)識別節(jié)點上的傳感器，然后按照IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理通過標(biāo)準(zhǔn)接口經(jīng)由NCAP傳送到網(wǎng)絡(luò)上，這樣在基于各種現(xiàn)場總線的分布測量控制系統(tǒng)中，各種傳感器的設(shè)計制造無須考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);NCAP模塊中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，使整個智能變送器成為一個獨(dú)立的嵌入式設(shè)備。它能夠獨(dú)立

5、的提供服務(wù)，可以在任何連接Internet的地方，用普通的瀏覽器對傳感器系統(tǒng)進(jìn)行感知和控制。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總體框圖 整個智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化模塊分成2個模塊:PIC單片機(jī)控制模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。硬件框圖如圖2所示。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)定義一個連接STIM和NCAP的10線的標(biāo)準(zhǔn)接口TII，但目前設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室測控系統(tǒng)大多還是沿用RS-232, RS-485串口，為了與能原系統(tǒng)兼容，且對原系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，故將智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化模塊設(shè)計成TII, RS-232, RS-48533三種串口共用一個DB25針，采用多路模擬開關(guān)對串口信號進(jìn)行選通。以太網(wǎng)系統(tǒng)布置線路簡單，具有良好擴(kuò)展性，遠(yuǎn)高于

6、傳統(tǒng)現(xiàn)場總線現(xiàn)有的傳輸速度和帶寬，在測控系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，故模塊設(shè)計采用以太網(wǎng)通訊。 MCU控制模塊是由以PIC16F877為控制芯片構(gòu)成的，實現(xiàn)STIM和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)根據(jù)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行讀寫的功能，包括NCAP與STIM之間的串行接口設(shè)計，NCAP內(nèi)部PIC單片機(jī)控制模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊之間的接口設(shè)計。 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊采用通信控制器SX52BD與lOM以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS相結(jié)合，實現(xiàn)溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)互連的目的。MCU控制模塊是由以PIC16F877為控制芯片構(gòu)成的，實現(xiàn)STIM和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)根據(jù)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行讀寫的功能，包括NCAP與STIM之

7、間的串行接口設(shè)計，NCAP內(nèi)部PIC單片機(jī)控制模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊之間的接口設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)通訊模塊采用通信控制器SX52BD與lOM以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS相結(jié)合，實現(xiàn)溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)互連的目的。圖2 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化模塊框圖 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化模塊中PIC單片機(jī)控制模塊(NCAP1)軟件設(shè)計的主要功能是讀取來自以太網(wǎng)的命令并根據(jù)以太網(wǎng)的命令做出反應(yīng)，讀取STIM的溫室傳感器數(shù)據(jù)或STIM中TEDS數(shù)據(jù)，其軟件流程如圖3所示;網(wǎng)絡(luò)通訊模塊(NCAP2)的功能就是將NCAP1發(fā)送來的溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行TCP/IP封裝，處理成IP數(shù)據(jù)包，然后將這些經(jīng)過IP封裝的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)包按指定格式寫入

8、RTL8019AS并啟動發(fā)送命令，以WebServer服務(wù)頁的形式公布到網(wǎng)上，其數(shù)據(jù)流向為:請求信息從局域網(wǎng)中來，通過RJ45送到RTL8019AS，處理后的數(shù)據(jù)苞送入SX52BD協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到原始請求信息，請求信息再經(jīng)過SX52BD的處理，產(chǎn)生回復(fù)信息;回復(fù)信息到以太網(wǎng)的過程與上面正好相反。其軟件流程如圖4。圖3 PIC16F877程序流程圖圖4 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊軟件流程圖 隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)朝著集約化、規(guī)?；较虻陌l(fā)展和溫室管理智能化要求的提高，溫室測控系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，進(jìn)而實現(xiàn)溫室內(nèi)生產(chǎn)與管理的一體化，是現(xiàn)代智能溫室發(fā)展的必然趨勢。介紹了基于現(xiàn)場總線溫室測控系統(tǒng)的可行性，但系統(tǒng)受各種網(wǎng)絡(luò)總線標(biāo)準(zhǔn)限制