网络化测控系统在农业中的系统设计

1、戴秀杰 1303020116 目前我国现代化设施农业发展的进程面临一个长期无法突破的瓶颈:一方面，根据国外发达国家现代化农业发展的经验与趋势，对环境实行自动监测控制的设施农业是现代农业发展的必然途径之一，为此，我国各地纷纷引进了国外的一些先进温室设施作为示范推广措施，以推动我国的现代化高科技设施农业的发展。另一方面，由于中国工业产品与农业产品之间长期以来存在的巨大剪刀差(近二十年来虽然这一剪刀差在缩小，但与国外发达国家的工农业产品价格现状相比还是有着相当大的差距)，导致在农业设施上的投资平衡点处于较苛刻的水平，成本稍高的技术与系统便无法产生净经济效益而得到实际使用;而且，我国农民的文化科技水平

2、与国外发达国家相比，也存在着相当的差距，故对操作人员科技水平要求较高的技术与系统也就无法为普通农民所接受并推广;再次，我国农业生产环境与人员操作的粗放传统也对农业用高科技设施设备的坚固耐用性有着特别的要求。以上这些因素导致了从国外引进及国内已研发的现代温室系统成了摆设的“花瓶”，由农业科技人员在不计温室基础投入成本的前提下维持演示式运营，无法变成农民赖以养家糊口并发家致富的“饭碗”。 因此，研制开发成本低廉、操作简单、坚固耐用的设施农业环境监测控制系统是我国现代化设施农业的一个关键。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗

3、有严格要求的专用计算机系统。它的发展与成熟为解决设施农业环境自动监测与控制系统这个瓶颈提供了很好的技术基础。本系统的最大特点是:1)采用先进的嵌入式计算机技术代替传统的上位机(PC机)和下位机(单片机)，构成一个专用计算机用户系统，降低了成本，提高了系统处理能力。2)研究即插即用的网络传感器和网络执行器，使传感器和执行器接口模块化和标准化，能面对各种不同的网络总线正常工作，大大提高了设备的兼容性。3)人机界面人性简易化，方便农民应用。 将嵌入式系统代替传统的上位PC机，与基于IEEE1451.2的数据采集系统结合研制开发成本低廉、操作简单、坚固耐用的设施农业环境监测控制系统，使得测控系统中传感

4、器能够即插即用，数据即时传输、处理、反馈。 开发基于IEEE1451标准的网络传感器和执行器，进行智能传感器接口模块的软硬件设计，可以满足温室内数据采集、。远距离数据传输与控制、网络数据共享的要求。 由IEEE1451标准定义的NCAP和STIM组成的温室测控系统智能节点。STIM负责温室现场数据采集，根据TEDS的数据识别节点上的传感器，然后按照IEEE1451标准对数据进行处理通过标准接口经由NCAP传送到网络上，这样在基于各种现场总线的分布测量控制系统中，各种传感器的设计制造无须考虑系统的网络结构;NCAP模块中实现TCP/IP协议栈，使整个智能变送器成为一个独立的嵌入式设备。它能够独立

5、的提供服务，可以在任何连接Internet的地方，用普通的浏览器对传感器系统进行感知和控制。系统总体框架如图1所示。图1 系统总体框图 整个智能传感器网络化模块分成2个模块:PIC单片机控制模块和网络通讯模块。硬件框图如图2所示。IEEE1451标准定义一个连接STIM和NCAP的10线的标准接口TII，但目前设施农业温室测控系统大多还是沿用RS-232, RS-485串口，为了与能原系统兼容，且对原系统进行扩展，故将智能传感器网络化模块设计成TII, RS-232, RS-48533三种串口共用一个DB25针，采用多路模拟开关对串口信号进行选通。以太网系统布置线路简单，具有良好扩展性，远高于

6、传统现场总线现有的传输速度和带宽，在测控系统中应用越来越广泛，故模块设计采用以太网通讯。 MCU控制模块是由以PIC16F877为控制芯片构成的，实现STIM和以太网之间的数据根据IEEE1451标准进行读写的功能，包括NCAP与STIM之间的串行接口设计，NCAP内部PIC单片机控制模块和网络通讯模块之间的接口设计。 网络通讯模块采用通信控制器SX52BD与lOM以太网控制芯片RTL8019AS相结合，实现温室数据采集系统与外部网络互连的目的。MCU控制模块是由以PIC16F877为控制芯片构成的，实现STIM和以太网之间的数据根据IEEE1451标准进行读写的功能，包括NCAP与STIM之

7、间的串行接口设计，NCAP内部PIC单片机控制模块和网络通讯模块之间的接口设计。网络通讯模块采用通信控制器SX52BD与lOM以太网控制芯片RTL8019AS相结合，实现温室数据采集系统与外部网络互连的目的。图2 智能传感器网络化模块框图 智能传感器网络化模块中PIC单片机控制模块(NCAP1)软件设计的主要功能是读取来自以太网的命令并根据以太网的命令做出反应，读取STIM的温室传感器数据或STIM中TEDS数据，其软件流程如图3所示;网络通讯模块(NCAP2)的功能就是将NCAP1发送来的温室环境参数进行TCP/IP封装，处理成IP数据包，然后将这些经过IP封装的环境参数数据包按指定格式写入

8、RTL8019AS并启动发送命令，以WebServer服务页的形式公布到网上，其数据流向为:请求信息从局域网中来，通过RJ45送到RTL8019AS，处理后的数据苞送入SX52BD协议栈，由协议栈对数据包进行解析，得到原始请求信息，请求信息再经过SX52BD的处理，产生回复信息;回复信息到以太网的过程与上面正好相反。其软件流程如图4。图3 PIC16F877程序流程图图4 网络通讯模块软件流程图 随着设施农业朝着集约化、规模化方向的发展和温室管理智能化要求的提高，温室测控系统实现远程通信，进而实现温室内生产与管理的一体化，是现代智能温室发展的必然趋势。介绍了基于现场总线温室测控系统的可行性，但系统受各种网络总线标准限制