基于嵌入式Web服务器的智能温室监控系统
摘 要 阐述了一个温室大棚的自动控制系统。该系统使用Luminary公司的LM3S102处理器以及精简的TCP／IP协议栈，构建了嵌入式We电感器类型b服务器，实现基于以太网的智能温室大棚监控功能。系统通过对光照强度、温度、湿度等信号的采集，使用户可以在任意计算机终端上通过IE浏览器远程监控大棚状态，实现对大棚电动卷帘机、温室电热器、植物生长灯、微管喷滴灌等系统的实时控制。用户也可通过LCD屏与键盘实现大棚的实地监控。系统采用PoE技术，不需要额外的输电线，充分利用了LM3S102外设，使测控系统适应基层生产的需要。
关键词 温室监控 嵌入式 以太网供电 协议栈 Web服务器 LM3S102
现代化的温室监控系统用来实时采集温室内温度、湿度、光照、土壤温度、CO2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数，根据种植作物的需求提供各种声光报警信息。当温湿度超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备。现有的温室监控系统采用无线共模电感器方式的居多，且传输范围有限，价格比较昂贵，与其他系统的兼容性不好。本设计提出基于以太网的温室监控系统，使用Luminary公司的LM3S102处理器，在其有限的内存空间上构建精简的TCP／IP协议栈，实现通用的嵌入式Web服务器，实现基于以太网的智能温室大棚监控功能。
1 系统设计
系统由传感器子系统、Web服务器子系统、外设控制子系统、人机接口子系统4个部分组成。基本结构如图1所示。
系统工作流程简述如下：通过传感器子系统采集，获得温室中的光照、温度、湿度等关键信息后处理加工，变成可以经TCP／IP协议传输的以太网数据包。数据传输采用监控终端计算机主动获取的方式，可以始终获取，也可以在需要的时候获取。监控终端计算机只需具备通用的IE浏览器，即可访问嵌入式Web服务器的控制界面，查看每一个温室监控节点的数据信息，实现对大棚电动卷帘机、温室电热器、植物生长灯、微管喷滴灌等系统的实时控制。
本文从4个部分介绍系统的设计与实现，先从硬件角度构建主要的传感器子系统、Web服务器子系统、外设控制子系统，然后从软件角度出发，设计实现精简的TCP／IP协议栈。
1．1 传感器子系统
考虑到LM3S102接口有限，传统的模拟传感器需要A／D转换后方可使用，不适合本系统。设计选用I2C接口的数字传感器SHT10，该传感器将外界环境的湿度、温度信息采集以后存储在自身内存中，将其挂接在LM3S102处理器的I2C总线上实现数据的读取。在后续部分可以看到，I2C总线上还挂接了用来扩展I／O口的专用芯片。温度与湿度传感器电路如图2所示。
图3是获取外界光照条件的方案。设计选用廉价的光电管，当光照强度大时，光电管导通电流大，从而在VIN_N端得到更低的电压。VIN_N端和 LM3S102内置的模拟比较器相接，将采集到的数据存于RAM中，和SHT10采集到的湿度、温度信息一起，由TCP／IP协议封装发送。
1．2 Web服务器子系统
为了构建Web服务器子系统，必须找到合适的网络功能实现方法。如图4所示，系统选用SPI接口的网络芯片ENC28J60实现网络MAC和PHY的插件电感功能，充分利用LM3S102的外设接口。TPOUT和TPIN端送往隔离变压器，外接通用的RJ45网口。后续部分将介绍在此硬件平台上TCP／IP协议的实现。
1．3 外设控制子系统
为了实现对温室自动卷帘的远程智能升降控制，设计采用PWM控制步进电机的方法。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制非常简单。接口芯片MPC17529用来驱动步电感器厂家进电机。在实际运用中，可采用各种方法增大后级电路的驱动能力，以实现对重型卷帘门的自如控制。图5为电机控制电路的实现方法。
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