（机械电子工程专业论文）基于ARM7的设施农业测控系统互联网通信技术的研究.pdf

ab s t r a c ti i ab s t r a c t i n r e c e n t y e a r s , t h e r e i s a l i t t l e p r o g r e s s o n m o d e r n a g r i c u l t u r e i n o u r c o u n t r y . h o w e v e r , t h e m o d e r n a g r i c u l t u r e e q u i p m e n t a r e s t i l l d e p e n d o n i m p o rt . a n d t h e r e s e a r c h o n m o r d e r n a g r i c u l t u r e i n s t r u m e n t a n d t e c h n o l o g y i n d o m e s t i c a r e s t i l l o u t o f d a t e , e s p e c i a l l y o n t h e i n f o r m a t i o n e x c h a n g e o f e x p e rt s y s t e m w i t h p r o d u c d t i o n f i e l d t h r o u g h i n t e rne t . . t h e r e s e a r c h o n m o d e r n a g r i c u l t u r e , e s p e c i a l l y o n t h e a s p e c t o f c o n t r o l m e s s a g e d o w n l o a d t h r o u g h i n t e r n e t , a r e s t i l l i n t h e b e g i n n i n g . s o , t h e r e s e a r c h o n c o n t r o l m e s s a g e d o w n l o a d t h r o u g h i n t e r n e t a r e o f g r e a t i m p o rt a n c e . t h is p a p e r c o n s i s t o f t h e f o l l o w i n g p a rt : f i r s t l y , w e i n t r o d u c e d t h e c h a r a c t e r a n d t r e n d s o f m o d e r n a g r i c u l t u r e . a n d i n t r o d u c e d t h e t e c h n o l o g y i n c o m mo n u s e o f m o d e r n a g r i c u l t u r e s e c o n d l y , w e in t r o d u c e d t h e h a r d w a r e d e s i g n o f m o d e r n a g r i c u l t u r e m e a s u r e a n d c o n t r o l s y s t e m , a n d i n t r o d u c e d t h e k e y c o m p o n e n t o f t h e s y s t e m . t h i r d l y , w e d e s i g n e d t h e c l i e n t s o ft w a r e . i n t h i s p o rt i o n , w e d e s i g n e d e t h e r n e t c a r d d r i v e r s o f t w a r e o f s 3 c 4 5 1 0 b , p r o t o c o l s e r v i c e s o ft w a r e a n d l c d d r i v e r s o ft w a r e . f o u rt h ly , w e d e s i g n e d t h e s e r v e r s o ft w a r e o f h o s t m a c h i n e . a t l a s t , t h e t e s t o n t h e n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n p o rt i o n w a s i m p l e m e n t e d , a n d t h e r e s u l t p r o v e d t h e c o m m u n i c a t i o n p o rt i o n i s r e l i a b l e . t h e d e s i g n o f i n t e r n e t c o m m u n i c a t i o n p o rt i o n i n v o l v e s s o ft w a re, h a r d w a r e a n d n e t w o r k t e c h n o lo g y . t h e d e s i g n o f e th e r n e t d r i v e r s o ft w a r e a n d p r o t o c o l s e r v e s o ft w a r e o f 3 2 b i t m p u , n o t o n l y h e l p f u l t o t h e d e v e l o p m e n t o f m o d e rn a g r i c u l t u r e m e a s u r e a n d c o n t r o l s y s t e m , b u t a l s o t o t h e a p p l i c a t i o n o f e m b e d d e d s y s t e m o n i n f o r m a t i o n d e v i c e s . k e y w o r d s : a r m; e m b e d d e d mp u ; d r i v e r s o f t w a r e ; e t h e rne t y 5 8 3 6 8 4 创新性声明 创新性声明 木人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申清学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名:峥 讨 港 日 期l e a f /. 2 关于论文使用授权的说明 本人完个了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即:研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全 i f b 或m ) f r 1 i f , u 1 以允许采用影印、y f d 印或其它复制手段保存论文。l 保it的沦又 在解密后遵守此规定) 本学位论 文属于保密在_ 年解密后适用本授权书。 本人鉴名: n b 碑 : 逃建 尸 日 期2 彬 吩 i , 2 导师鉴名 石卜 梦， 日期一 二二二 二 二二 一 第一章绪论 第一章绪论 现代设施农业就是利用具有特定结构和性能的设施，通过改变小气候进行农 业生产的一种先进的生产方式。简言之，就是在作物生长的空间营造适合作物生 长的自 然环境。 1 . 1 1 . 1 . 1 研究的背景及现状 设施农业研究的背景 我国的土地资源中耕地大约占世界总耕地的7 %， 但是我国的人口却占了世界 人n的 2 2 %，而且，我国的耕地还存在其他不利的因素，概括起来我国的耕地有 如下特点: 1 人均耕地面积小，只有世界人均耕地面积的 1 / 4 ，而且在我国不同的地域人 均耕地面积也 有差异， 有些地域 甚至低于联 合国 粮农组织提出 的人 均0 .0 5 h m z 的最 低界线。 2 . 分布不均匀。综合气候、生物、土壤、地形和水文等因素，我国耕地大致分 布在东南部湿润区、半湿润季风区、西北部半干早区、干早内陆区和西部的青藏 高原区。东南部湿润区和半湿润季风区集中了全国耕地的9 0 %以上。 3 . 自 然条件差。我国耕地质量普遍较差，其中高产稳产田占1 / 3 左右，低产田 也占1 / 3 。 而且， 耕地地力退化迅速， 加上由于污水灌溉和大面积施用农药等原因， 耕地受污染严重，加剧了耕地不足的局面。 预计我国在2 0 3 0年人口将达到最高峰 1 6亿，然而，由于工业化和城市化的 高速发展， 近十年耕地在以每年3 0 万公顷的速度递减，大湖、大河及地下水系污 染严重。 也就是说，在下世纪初至2 0 3 0 年相当长的历史时期内，中国 人口 增长与 资源减少、环境恶化的矛盾不可逆转，我国正面临着严峻的经济发展与资源、环 境、 人口 的 矛 盾 挑战 1 9 %年9 月2 8 日 江 泽民 总书 记在 接见 全国 “ 星 火 计 划 ” 工 作 会议的代表时明确指出:“ 中国的农业问 题、粮食问题，要靠中国人自己 解决。这 就要求我们的农业科技必须有一个大的发展，必然要进行一次新的农业科技革 命” 。目 前我国农业科技对粮食增产的贡献率仅为3 5 %左右，而农业发达国家已 达 到6 0 % 左右。 若通过努力使2 0 3 0 年后我国农业科技贡献率达到6 0 %的水平， 就可 使中国农业与粮食生产再上几个新台阶。 麟于 a r m 7 的设施农业测1 y 系统互联网通信技术的研究 1 .1 . 2 设施农业发展的现状 当前，不可否认设施农业是推动农业发展，提高农业科技含量的有效方案。 且然，如今我国的设施农业发展势头迅猛，但是我国设施农业主要依赖国外技术， 自1 9 9 5 年以来， 我国的设施农业发展迅猛，到目前全国共有大型温室面积2 0 0 公 顷，但自i i 本、荷兰、以色列、美国等国家引进的温室面积达 1 4 0公顷。我国设 施农业目前还存在着诸多问题，如土地利用率低、盲目引进温室、设施结构不合 理、能源浪费严重、运营管理费用高、管理技术水平低、劳动生产率低及单位面 积产tb et 低.但随着社会的进步和科学的发展，我国设施农业的发展将向地域化、 竹 能化、产业化发展，向高科技、自 动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农 业发展，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。 要推进设施农业的发展，就要开发设计适应我国国情的智能化温室，加快关 键技术的开发，推进设施农业的产业化进程。 1 . 2研究的必要性 将设施农业多参数综合测控系统作为研究课题，是因为设施农业与传统的农 业生产方式相比，有很大的优势:与露地农业相比，设施农业的优越性集中表现 在:( 1 ) l : 能在一定程度上摆脱气候对农业生产的不利影响，减轻气象灾害，如 冷害、冻害、霜害、风害、热害等，以提高农业生产的稳定性;( 2 )它能较好地 满足农作物对生态条件 ( 光、 热、水、 肥等) 的要求，使农作物有一个温馨的家， 能够“ 吃饱喝足， 住得舒服” ， 从而获得高产优质的农产品， 得到比露地耕作高凡 倍的经济效益。 在过去的几年中，我国的实施农业的研究己取得了一定的成果。但是，与发 达国家相比，目 前我国的设施农业还存在较大的差距，主要表现为:( 1 ) 设施水 平低，抗御自 然灾害能力产;( 2 ) 机械化程度低，劳动强度大:( 3 )设施栽培技 术不配套， 科技含量低。所以， 2 1 世纪我国设施农业势必要在面积和技术水平上 快速推进城郊型设施农业:势必使设施农业结构进一步趋于合理，使设施内配套 技术、操作机械、环境设施进一步完善，并实现可持续发展:势必进一步开发和 应用高产、优质、抗劣性强，适宜于农业生产的品种;势必进一步扩大设施农业 的区域辐射面积。 由于设施农业的研究能够创造良 好的社会和经济效益，而且我国在这方面的 研究水卫 卜 与 国际同行业的水平还相差很多，所以有必要对设施农业进行深入的研 了 l o 第一章绪论 1 .3研究的可行性 国内外在设施农业方面进行的相关研究为我们进行更深入的研究提供了参 考，而且测控工程与仪器系，特别是测控技术与仪器教研中心多年来在测控工程 方面所作的研究及取得的成果，将对我们今后的研究提供技术保障。在研究中， 我们可以从以下一些方面得到帮助: ( 1 ) 国内外先进测控技术， 创造性的研究成果， 有利于今后测控系统的设计 _ 工作。 ( 2 ) 有关农业专家的指导下确定的有关作物的生产过程控制工艺， 有助于我 们控制算法的研究及控制策略的实现。 ( 3 ) 国内 提供的新型元器件， 有助于我们选择性能价格比高的单片计算机作 为核心部件。 对设施农业所需的温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、光 照度传感器、压力传感器、流量传感器等传感器件和电动调节阀、压力泵、电磁 阀、电机等执行器件展开的系统设计和研制，有助于我们在研制过程中的选型， 并可以降低研制费用。 由此，我们可知，现代设施农业多参数综合测控系统的研制是可行的。 1 . 4研究的目 标及主要内容 从我们调研了解到的情况分析认为，设施农业落后的关键因素在于目 前我国 设施农业的主要从业人员的科技水平较低，除部分专业技术人员以外，大部分仍 是从传统农业上转过来的农民。因此，对科技含量较高的设施农业缺乏必要的认 识和了 解，更不可能熟练掌握和使用己有的设备;同时，对不同 种类的作物管理 也缺乏必要的知识。所以，首先要解决的是如何将生产指导信息及时准确的反映 在每一个生产环节中。由于目 前己有的设施农业中主要的测控设备均是按照工业 要求改制的，在使用过程中仍是按照工业测控的过程和形式进行，不能适应我国 的国 情，有必要进行改造。另外，虽然国内 部分企业也在生产部分用于设施农业 的专用测控设备， 但其技术含量较低， 只能满足温湿度监控的需要， 对于光照度、 土壤水分、 二氧化碳含量、 养分等主要环境因子只能进行检测， 而不能进行控制: 对于设施农业自 动化控制系统中如多段压力节水灌溉系统以 及有关的辅助系统也 缺乏测控能力。 鉴于当前设施农业发展中存在的关键问题及国内外市场的了 解，我们提出本 研究课题的目 标是:农业多参数综合测控系统应实现真正的微型化、数字化、智 能化、 网 络化和多功能化的， 它具体表现在: 体积大小微型化， 测量信息数字化， 摧于a b 1 7 的设施农业测控系统互联网通信技术的研究 测控仪表智能化，控制管理网络化及测量参数多功能化。 为实现上述目 标，我们提出本课题主要研究内容为: ( i ) 针对城郊和县级示范基地种植名优品种经济作物的设施农业需要， 研制 几发出具有高性能价格比、多通道多参数测控能力、以信息界面为表现形式、带 有多种通信功能的通用型的智能化多参数综合测控平台。 ( 2 ) 在该项研究中引入现代控制理论中的多变量控制理论和模糊控制理论及 技术，实现多参数变量的精确控制，既可以满足基本参数的测控需要，又可以满 址特殊参数的测控需要，提高对设施农业自动化控制系统的综合测控能力。 勺“ 二 信白 表达4 - : 4 . 设各的土要表现形式 甲户不但可以通过汉字显示装f i w i d u 种测控参1 t 4 ) 加强计算机网络通信和控制功能， 既可以根据有关作物的生长控制过程 按照事先设定的控制工艺自动进行控制 ( 可事先由专家编制出多套控制工艺，并 存放在系统中， 用户可选择使用) ， 也 可以通过计算机网络在专家系统的指导下确 定新的控制工艺，为今后实施设施农业的网络化专家系统管理做好必要的现场测 4技术准备。 ( 5 ) 针对设施农业生产和管理中所需要的有关传感器件和执行器件进行现场 总线化研究与实现， 解决现场测控信息通过现场总线与上位主机的通信传输问题， 为实施现场控制创造必要条件。 ( 6 ) 针对不同的用户要求， 研制开发出不同价位的系列化产品， 以便适应高 技术含量的多功能玻璃温室大棚、一般技术含量的普通玻璃温度大棚和较低技术 含量的普通塑料薄膜棚的不同测控技术要求。 第二章重要技术特点及其简介 第二章重要技术特点及其简介 在现代设施农业多参数综合测控系统的研制中，为了保持在同行业中的技术 领先性，我们对该系统提出了一系列要求:农业多参数综合测控系统应实现真正 的微型化、数字化、智能化、网络化和多功能化的，它具体表现在:体积大小微 型化， 测量信息数字化， 测控仪表智能化， 控制管理网络化及测量参数多功能化。 为实现以 上的要求，我们采用了一系列的 新技术，如嵌入式系统、a r m 技术、 丁 c p i i p 、 以太网、 c a n总线技术等。 以 下我们将对采用的新技术作一些简单的介 绍 。 2 . 1 嵌入式系统 根据英国电机工程师协会的定义:嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机 器或甚至工厂运作的装置。它是一种电脑软件与硬件的综合体，且特别强调 “ 量 身定做”的原则，也就是基于某一种特殊用途，我们就会针对这项用途开发出截 然不同的另一项系统出来。在新兴的嵌入式系统产品中，常见的有手机、p d a, g p s ,嵌入式伺服器及精简型终端设备等。嵌入式系统的开发有着其特殊的环境 与 过程， 整个嵌入式系统的发展历史相当悠久，可以 追溯至 1 9 7 1 年由i n t e l 公司 推出有史以来第一颗微处理器4 0 0 4 开始， 而微处理器的成功也让接下来的二十年 改变了人类的生活，典型的嵌入式系统似乎让人感觉不到她的存在，包括了生活 周围常见的微波炉、冷气机、电 冰箱等等，不过近年来新兴的嵌入式系统领域发 展相当快速，目 前嵌入式系统产业中主要发展的技术有很多。但总体来说，它的 发展将朝向软硬系统整合、s o c设计、应用程序设计以及内容服务这几个方面来 发展: ( 1 )系 统: 嵌入式操作系统( r t o s ) 与p c作业系统( w i n 9 5 1 9 8 ) 比 较， 嵌 入式作 业系统未要求 全能， 但必须能 够 依据系统设计规格，有效率的发挥出 硬体的 运算能力，使得产品达到效率价格比 的最佳化， 大多数的系统会要求全自 动完成所设定的工作， 例如工厂或是银行的 系 统除了 原 本在嵌入式 领域耕 耘已 久的v x w o r k , q n x , n u c l e u s 等等之外， 新 兴的主要竞争产 cl 包括p a l m o s , w i n d o w s c e , l i n u x 等，其中e m b e d d e d l i n u x 作业系统免费授权的特性，已为数间国际大厂所用。 ( 2 )整合式芯片:s o c 嵌入式产品所需之处理器及晶片组较 p c要求体积小、散热佳、省电，因此 多 用高 整 合度的s o c ( s y s t e m - o n - c h i p ) 为 其处理器核心， 为了 迅速缩小技进步与设 计生产力间的差距， 加速s o c的实现。 这种类型的产品众多， 例如国 家半导体( n s ) 的g e o d e s c 1 4 0 0 整合c p u 、 绘图芯片、 m p e g - 2 , i / o及t v o u t 等功能， 就适合 基于a r m 7 的设施农业测控系统互联网通信技术的研究 于 家 庭 数 码 影 音 设 备的 产品 运用 。 其 他 则 还 有一 i n t e l , m o t o r o la , s a m s u n g 等 厂 商 投入单晶片的设计。 ( 3 ) 应用软件 嵌入式软件可区分为使用者端的应用软件及伺服器端的整合软件，伺服器端 的软件可能以l i n u x 或是wi n d o w s 为核心， 搭配各种资料库系统使用者端由与各 种产品种类繁多，可开发出的软件也相对增加，例如 p a l m 号称有上万种应用软 件可以使用。 除了原本各种平台专属的应用软件之外， 现在更有利用j a v a 跨平台 程式开发的软件加入这个阵容，软件的种类变得更多。 ( 4 )服务 由于嵌入式产品必须能随身携带或走入居家生活， 故其体积上要求轻薄短小、 造型及颜色必须个性化、输入必须自然化、输出必须多媒体化才能吸引消费者另 方自山于嵌入式产品与网路结合，所以与网路服务提供者或电子商务业者极易结 合 也就是嵌入式产品连上网路之入口网站及其内容( h t m l / x m l ) 可能由厂商负 责提供。 2 . 2 a r m技术及 a r m 产品 2 . 2 . 1 a r m公司简介【 4 1 a r m即a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s的缩写。 a r m公司是微处理器行业的一家 知名企业，设计了大量高性能呢、低成本、低功耗的 r i s c处理器、相关技术及 软件， 在成立仅1 0 多年的时间里， 其3 2 位r i s c处理器就占到市场份额的7 5 %, 成为嵌入式微处理器中的龙头老大。 a r m公司是设计公司， 是知识产权 ( i p ) 供应商， 本身不生产芯片， 而是通 过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c微处理器、外围和系统芯片设计技术给 合作伙伴，让他们使用这些技术来生产各具特色的芯片。 a r m 公司将其技术授 权给世界上许多著名的半导体、软件和 o e m 厂商，每个厂商得到的都是一套独 一 无二 的a r m相关技术及服务。 有了 此种伙伴关系， a r m很快成为 许多全球性 r i s c 标准的缔造者。 目 前， 总共有3 0 多家半导体公司与a r m签订了硬件技术使用许可协议， 其 i-1 1 包i n t e l , i b m, l g半导 体、 n e c , s o n y , p h i l i p s 和美国国 家半导 体这样的大 公司。至于软件系统的合作伙伴，则包括微软和m r i 等一系列知名公司。 2 . 2 . 2 a r m核介绍【 4 1 第二章重要技术特点及其简介 a r m 是一种先进的技术，在应用中己经有一定的历史，现在常见的有: a r m7 , a r m9 , a r m1 0 , s t r o n g a r m, x g a l等。他们在应用中有不同的特 点，功能也不尽相同，以下将对这些产品进行一个简单的介绍。 2. 2. 2. 1 arm7 a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w m a n )结构，分为三级流水，空间统一和指令与 数据c a c h e ， 平均功耗为0 . 6 m w/ mh z ， 时钟速度是6 6 mh z ， 每条指令平均执行 1 .9 个时钟周期。其中的a r m7 1 0 , a r m7 2 0 和a r m7 4 0 为内带c a c h e 的a r m核。 a r m7 t d ml ( t h u m b ) ，这是公司授权用户最多的一项产品，a r m7指令集同 t h u m b 扩展组合在一起， 以减少内存容量和系统成本。 同时， 它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。 a r m7 小型、 快 速、低能耗、集成式 r i s c内核，用于移动通信。该产品的典型用途是数字蜂窝 电话和硬盘驱动器。 2 . 2 . 2 . 2 ar m9 a r m9采用a r mv 4 t ( h a r v a r d )结构，五级流水处理以及分离的c a c h e 结 构，平均功耗为0 . 7 m w/ m h z ， 时钟速度是 1 2 0 2 0 0 mh z ，每条指令平均执行 1 . 5 个时钟周期。与a r m7 系列相似，其中的a r m9 2 0 , a r m7 4 0 和a r m 9 e均为含 c a c h e 的a r m核。 性能为1 3 2 mi p s ( 1 2 0 mh z 时钟， 3 .3 v供电) 或2 2 0 mi p s ( 2 0 0 mh z 时钟) 。a r m9同时配备 t h u m b 扩展、调试和h a r v a r d总线，在生产工艺相同的 情况下， 性能是a r m7 t d m i 的两倍多，常用于联网和机顶盒。 2 . 2 . 2 . 3 ar m 1 0 a r m 1 0 采用a r mv 5 t结构， 六级流水处理， 指令与数据分离的c a c h e 结构， 平均功耗为 1 0 0 0 m w时钟速度是3 0 0 m h z ，每条指令平均执行 1 .2 个时钟周期。 其中的a r m 1 0 2 0 为带c a c h e的版本。 a r mi o t d mi :与所有a r m核在二进制代码兼容，内带告诉3 2 x 1 6 ma c 预留d s p 协处理器接口。其中的v f p 1 0( 矢量浮点单元)为七级流水结构。 a r m1 0 2 0 t : a r m i o t d mi + 3 2 k i 8 0 2 .2 标准描述了数据链路层的 上部， 它使用了 逻辑链路控制l l c ( l o g i c a l l i n k c o n t r o l ) 协 议。 8 0 2 . 3 到8 0 2 . 5 分别 描 述了3 个局域网 标准， 分别是c s m a / c d 、 令 牌总线和令牌环标准，每一标准均包括物理层和 ma c子层协议，而我们应用的 重点是8 0 2 . 3 标准。 i e e e 8 0 2 .3 标准适用于i 一 持续c s m a / c d局域网。 其工作原理是:当站点希 望传送时，它就等到线路空闲为止，否则就立即传输。如果两个或多个站点同时 n空闲的电缆上开始传输，它们就会冲突。于是所有冲突站点终止传送，等待一 个随机的时间后，再重复上述过程。 已出版的 8 0 2 . 3 标准与以 太网的细徽差别是:它描述了运行在各种介质上的 第二章重要技术特点及其简介 从1 m b / s - i o m b / s 的1 一 持续c s m a / c d系统的整个家族。另外，二者的一个头部 字段也有所不同( 8 0 2 . 3 的长度字段用作以太网的分组类型) 。 许多人把“ 以太网” 作为c s ma / c d协议的总称， 尽管这一名词只表示了实现8 0 2 . 3 的某个特定产品。 2 . 4 t c p / i p协议 7 1 t c p a p( 传输控制协议/ 网间协议) 是一种网络通信协议，它规范了网络上的 所有通信设备， 尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以 及传送方式。 t c p a p是i n t e r n e t的 基础协议，也是一种电 脑数据打包和寻址的标准方法。 在数据传送中， 可以形象地理解为有两个信封， t c p 和i p就像是信封， 要传递的 信息被划分成若千段， 每一段塞入一个t c p 信封， 并在该信封面上记录有分段号 的信息，再将t c p信封塞入i p大信封，发送上网。在接受端，一个t c p软件包 收集信封，抽出数据， 按发送前的顺序还原，并加以 校验，若发现差错， t c p 将 会要求重发。因此。 t c p / i p在 i n t e r n e t中几乎可以无差错地传送数据。在任 何一个物理网络中， 各站点都有一个机器可识别的地址， 该地址叫做物理地址物理 地址有两个特点: ( 1 ) 物理地址的长度、格式等是物理网 络技术的一部分， 物理网 络不同 则物 理地址也不同。 ( 2 )同一类型不同网络上的站点可能拥有相同的物理地址。 以上两点决定了我们不能用物理网络进行网间网通讯 在网络术语中，协议中，协议是为了在两台计算机之间交换数据而预先规定 的标准。 t c p / i p并不是一个而是许多协议， 这就是为什么你经常听到它代表一个 协议集的原因，而t c p 和i p 只是其中两个基本协议而已。 我们装在计算机的t c p / i p 软件提供了一个包括t c p , i p以及t c p / i p 协议集 中 其它协议的工具平台。 特别是它包括一些高 层次的 应用程序和f t p ( 文件传输协 议 ) ，它允许用户在命令 行上进行网 络文件传输。 t c p a p是美国 政府资 助的 高级研究计划署( a r p a ) 在二十世纪七十年 代的 一 个研究成果，用来使全球的研究网络联在一起形成一个虚拟网络，也就是国际互 联网。原始的i n t e rn e t 通过将己有的网络如a r p a n e t 转换到t c p / i p 上来而形成， 而这个i n t e r n e t 最终成为如今的国际互联网的骨干网。 如今t c p a p如此重要的原因， 在于它允许独立的网格加入到i n t e rn e t 或组织 在一起形成私有的内 部网 ( i n t r a n e t ) 。构成内部网的每个网络通过一种一 做路由器 或i i i 路由器的设备在物理上联接在一起。 路由器是一台用来从一个网络到另一个 网络传输数据包的计算机。 在一个使用t c p / i p的内部网中， 信息通过使用一种独 立的叫 做i p 包( i p p a c k e t ) 或i p 数据报( i p d a t a g r a m s ) 的 数据单元进行传输。 t c p a p 基于a r m 7 的设施农业测控系统互联网通信技术的研究 软 件使得每台联到网络上的计算机同 其它计算机“ 看” 起来一模一样，事实上它隐 藏了路由 器和基本的网络体系结构并使其各方面看起来都像一个大网。如同联入 以太网时需要确认一个4 8 位的以太网地址一样， 联入一个内部网也需要确认一个 3 2 位的i p 地址。我们将它用带点的十进制数表示，如1 2 8 . 1 0 .2 .3 。给定一个远程 计 算机的i p地址，在某个内部网或i n t e rne t 土的本地计算机就可以像处在同一个 物理网络中的两台计算机那样向远程计算机发送数据。 t c p / i p提供了一个方案用来解决属于同一个内部网而分属不同物理网的两 台计算机之间怎样交换数据的问题。 这个方案包括许多部分， 而t c p a p协议集的 坏个成员则用来解决问题的某一部分。如t c p / i p 协议集中最基本的协议一 i p协议 川来在内部网中交换数据并且执行一项重要的功能:路由选择一一选择数据报从 a主机到b主机将要经过的路径以及利用合适的路由器完成不同网络之间的跨越 ( h o p ) . t c p 是一个更高层次的它允许运行在在不同主机上的应用程序相互交换数据 流。 t c p 将数据流分成小段叫做t c p 数据段 ( t c p s e g m e n t s ) ， 并利用i p 协议进 行传输。在大多数情况 ，每个t c p数据段装在一个 i p数据报中进行发送。但 如需要的话， t c p 将把数据段分成多个数据报， 而i p数据报则与同一网络不同主 机间传输位流和字节流的物理数据帧相容。 由于i p并不能保证接收的数据报的顺 序相一致， t c p会在收信端装配t c p 数据段并形成一个不间断的数据流。 f t p 和 t e l n e t 就是两个非常流行的依靠t c p的t c p / i p应用程序。 另 一个重要的t c p / i p 协议集的 成员是用户数据报协议( u d p ) ， 它同t c p 相似 但比t c p 原始许多。 t c p 是一个可靠的协议， 因为它有错误检查和握手确认来保 证数据完整的到达目的地。 u d p是一个“ 不可靠” 的协议， 因为它不能保证数据报 的接收顺序同发送顺序相同，甚至不能保证它们是否全部到达。如果有可靠性要 求，则应用程序避免使用它。同 许多t c p a p 工具同时提供的s n m p ( 简单网络管 理协议) 就是一个使用u d p 协议的应用例子。 其它t c p / i p 协议在t c p / i p 网 络中 工作在幕后，但同 样也发挥着重要作用。 例 如 地 址 转 换 协 议 ( a r p ) 将i p 地 址 转 换 为 物 理 网 络 地 址 如 以 太 网 地 址 。 而 与 其 对 应 的 反向 地址转换协议 ( r a r p ) 做相反的工作， 即 将物理网 络地址转换为i p 地址。 ixaj 际 控制报文协议( i c m p ) 则是一个支持性协议，它利用i p 完成i p 数据报在传输 时的控制信息和错误信息的传输。 例如， 如果一个路由器不能向前发送一个i p数 据报，它就会利用i c mp 来告诉发送者这里出现了问题。 2 . 5 c a n总线【 2 ) 在 计 算 机数 据传 输领 域 内， 长 期以 来 使用邓- 2 3 2 和c c i t p v 2 4 通信标 准 第二章重要技术特点及其简介 尽管它们被广泛地使用， 但却是一种低数据速率和点对点的数据传输标准，无能 力支持更高 层次的计算机之间的功能 操作。 同时， 在复杂或大规模的 应用( 如工业 现场或生产自 动化领域) 中需采用传统星型拓扑结构， 那么安装成本和介质造价都 将非常高昂;采用流行的 l a n组件及环型或总线型拓扑结构，虽然可以减少电 缆长 度，但是增加的 l a n介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相 差无几。所以在最低层次上的确需要设计 一 出一种造价低廉而又能经受工业现场环 境的 通信系统， 现场总线( f i e l d b u s ) 就是在这种背景下产生的。 控制器局部网 ( c a n - c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 属于现场总线的范畴， 它是一种 有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。 c a n的应用范围遍及从高速网 络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、 抗滑系统等应用中， c a n的位速率可高 达1 m b p s e c a n总线采用双线串行通信方式， 检错能力强， 可在高噪声干扰环境中合作。 c a n具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过c a n控制器挂到c a n - b u s 上， 形成多主机局部网络。其可靠性和实时性远高于普通的通信技术。 2 . 5 . 1 c a n控件的硬件构成 由于 c a n总线具有通讯速率高，可靠性高，连接方便和性能价格比高等诸 多特点， 推动其应用开发的迅速发展， 其产品正逐步形成系列。 下面以s j a 1 0 0 0 为例说明。s j a 1 0 0 0分为控制寄存器、命令寄存器、状态寄存器、中断寄存器、 验收码寄存器、验收屏蔽寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器、测试寄存 器、发送缓存器、接收缓存器和时钟分频寄存器。 2 . 5 . 2 c a n的通信协议 c a n控制器支持四种不同的c a n协议类型:数据帧、远程帧、出错帧和超 载帧。具体可参见c a n技术规范2 .0 a 或2 .0 b 以 及c a n国际标准i s 0 1 1 8 9 8 。这 里只介绍一下数据帧。 c a n中的总线数值为两种互补逻辑数值:显性( 表示逻辑 0 ) 或隐 性( 表示逻 辑，” 。数据帧从一个发送节点传送数据以一个或多个接收节点，一个数据帧由 七个不同的 位场组成如图1 所示: 帧起始、 仲裁场、 控制场、 循环冗余校验( c r c ) 场、应答场、帧结束。 2 . 5 .3 c a n协议的分层结构 摧于a r m 7 的设施农业测控系统互联网通信技术的研究 c a n协议是一种串 行数据通信协议， 它可以非常有效地构成分布式实时监测 j 控制系统。 c a n总线规范规定了任意两个c a n节点之间的兼容性， 包括电 气特 p t 及 数据解释协议，它采用了i s o - o s i 中的下层网 络结构物理层、 数据链路 层和应用层。其中应用层可能包含了除物理层和数据链路层外其余四层中的某些 功能。它具有简化的网络结构。 2 . 5 .4 c a n总线的特点 ( 1 ) c a n为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 1 t : 他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，巨 无需站地址等节点信息。 ( 2 ) c a n网络上的节点信息分成不同等级的 优先级， 可满足不同的实时要求， 高优先级的数据最多叮 在 1 3 4 u s 内得到传输。 ( 3 ) c a n采用非破坏性总线仲裁技术，当多 个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传 输数据从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 ( 4 ) c a n只需通过报文滤波即可实现点对点、 一点对多点及全局广播等几种 方式传送接收数据，无需专门的 “ 调度，c ( 5 ) c a n的 直接通信距离最远可达l o k m( 速率5 k b p s 以 下) ; 通信速率最高 可 达1 m b p s ( 此时 通信距 离最长为4 0 m ) . ( 6 ) c a n上的节点数主要取决于总线驱动电 路， 目 前可达1 1 0 个; 报文标示符 r i f达2 0 3 0 种 ( c a n 2 .o a ) ， 而扩展标准 ( c a n 2 .o b ) 的报文标示符儿乎不受限制。 第三章. 硬件系统方案设计 第三章. 硬件系统方案设计 3 . 1 硬件系统方案设计 3 . 1 . 1 网络协调控制方案: 该 “ 现代设施农业综合测控系统”的网络协调控制流程图如图3 . 1 所示 奥 壑 觉 宝ican一 一 一 妙妙 一 -二_彭 二 万 漏 _ 一 so tk : can k f:l i 号大棚2 号大棚舀n 号大棚 一.， 口 . . . . . . . . . . . . 口 .， 图一 网络协调控制 方泉 现场 中央 控制系统 远程信息管理 主 系统 嘿 骊 n 号大棚 嘿 蒯 2 号大棚 嘿 骊 1 号大棚 c an接口 c a n接口 c a n接口 执 行 部 件 视 组 里 部 件 执 行 部 件 望 部 件 视吐 量 部 件 执 行 部 件 整个系统主要由以下三各部分组成: . 远程信息管理主系统 . 现场中央控制系统 . 测量部件、执行部件 远程信息管理主系统提供强大的专家系统、管理系统、数据库系统等。现场 中央控制系统既是主系 统和现场控制子系统的中 转站， 又是各个现场测量部件和 执行部件的管理系统和专家系统，它将从远程信息管理主系统下载各个大棚作物 所需要的专家系统， 从而将特定的专家系统引入到农业现场，而现场的一切通信 方式均是c a n通信。 现场测量部件和执行部件直接受现场中央控制系统的控制， 三者的具体组成和功能如下所述。 现场中央控制系统根据各个子系统提出的栽培信息从远程微机主系统获取作 物的 选种等各种信息， 并下载该作物的专家系统，并将专家系统下载到相应的子 系统控制平台中。 执行部件 根 据各自 的 专家系 统 控制相 应大栩的小气候，以 达到 基于a r m 7 的设施农业侧控系统互联网通信技术的研究 作物的最佳生长条件。同时，测量部件将各类传感器的测量参数，返回到现场控 制中央系统，由现场中央控制系统将所得参数进行第一次分析处理，并作出适当 的对策返回给控制部件，同时，在规定时间点将参数返回到远程微机主系统，由 远程微机主系统将所得参数进行第二次分析处理，并做出相应的对策，以根据作 物 1 _ 长的实际情况提供相应的生长条件信息，同时，分类存储参数。 3 . 1 . 2“ 远程信息管理主系统”组成及功能 “ 远程信息管理主系统”的组成框图如图3 . 2 所示: 图3 .2 : 远程信息管理土系统方案 远程信息管理主系统的作用是为现场控制系统提供强大的高级的专家系统、 数据库系统的管理功能支持，并配有报表打印机。专家系统提供作物生长的各种 参数依据， 每一种作物具有一个独立的专家子系统。 管理系统担负着重要的责任， r i 先， 它要根据现场控制系统提供的信息， 调出现场大棚所栽种作物的专家系统。 其次，要对现场控制系统传送来的各类数据参数进行分析处理，详细地判定作物 的生长 情说是否正常，并将数据打包存入数据库。如果作物生长异常，管理系统 要提供相应的诊治策略。数据库系统，主要用于存储数据。 3 . 1 . 3“ 现场中央控制系统”组成及功能 现场中央控制系统实质上是一个小型的主系统，它可以 对现场测量部件和执 行部件传 输过来的数据参数进行分析处理，并提供一定的对应措施，同时， 它还 第三章. 硬件系统方案设计 是各个测量、执行部件和远程微机主系统通信的中转站。其结构框图如图 3 .3所 示。该系统的硬件设计关键技术简述如下: ( 1 ) 选用性能价格比高的 单片机组成高效、 实时处理、 功能 全面、 操作简单的 智能化测控平台:要求该单片机具有通用性强、提供的硬件资源丰富、有较好的 中断处理功能、便于系统扩展、通信接口 种类多、指令系统简单实用等特点;选 用普及率高的通用接口电路设计，为今后的技术人员掌握使用方法以及现场维护 和检修创造良 好的条件。 ( 2 ) .m v 示电 路和键盘操作电 路的实现; 选用 3 2 0 x 2 4 0点阵液晶显示屏作为人 机对话和信息输出装置，利用其屏幕尺寸适中、便于安装、可容纳较大信息量、 信息表现形式丰富的特点，使该测控平台能为用户提供必要的信息，达到在生产 过程中进行指导的作用和目 的。键盘设