湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 劉嘉誠 段磊磊 朱鄖濤 張秦 翟中生

基于以太網(wǎng)的溫濕度檢測及控制系統(tǒng)設(shè)計

湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 劉嘉誠 段磊磊 朱鄖濤 張秦 翟中生

本設(shè)計是基于STM32單片機為核心的自動澆水系統(tǒng)，通過移植輕量級TCP/IP協(xié)議棧LWIP搭建Web服務(wù)器，從而可以通過網(wǎng)頁實時監(jiān)控盆栽土壤濕度和遠程控制系統(tǒng)澆水。該方案不僅可以及時給盆栽澆水，而且降低了開發(fā)成本，具有較高的應(yīng)用價值。

LWIP協(xié)議棧;以太網(wǎng);Web服務(wù)器;遠程控制

0 引言

隨著生活質(zhì)量不斷的提高，許多人喜歡在家里或者辦公室擺上花盆，這樣不僅可以陶冶情操而且可以達到凈化室內(nèi)空氣的功效。但是，在生活中很多時候人們太忙沒有時間顧及這些花草，室內(nèi)花草由于受不到雨水的滋潤很容易凋謝。人們這個時候就會很困擾，自己好不容易買的花草因為自己無暇照顧而死亡，心情也受到了不好的影響。很多人對花草有著天生的喜愛，看到這些花死去是很不樂意的。雖然市場上有賣盆花自動澆水器，但價格很貴，并且多數(shù)是設(shè)定一個定時澆水的時間，很難做到給對盆花自動適時適量澆水。也有盆花缺水報警器，可以提醒人們及時地給盆花澆水，雖然這種設(shè)備比較經(jīng)濟，但這種報警器只是報警，澆水還需要人們親自動手。家中無人時，即使報警也不會有人澆水，設(shè)備就成了擺設(shè)。因此，設(shè)計一種集盆花土壤濕度檢測、自動澆水系統(tǒng)，對盆栽適時適量的澆水，也可以通過遠程控制系統(tǒng)給盆栽澆水。

現(xiàn)階段，石油化工、煤炭、冶金、交通、電力等工業(yè)行業(yè)已逐步應(yīng)用了以太網(wǎng)技術(shù)。從全球來看，由于以太網(wǎng)技術(shù)擁有開放性好，應(yīng)用廣泛，透明與統(tǒng)一的通訊協(xié)議，高傳輸速率保證實時性等優(yōu)點，以太網(wǎng)行業(yè)在近10年的增速遠遠高于現(xiàn)場總線和互聯(lián)網(wǎng)的增速，以太網(wǎng)行業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)已進入了發(fā)展的導(dǎo)入期，并將發(fā)展成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的領(lǐng)頭羊，使通過以太網(wǎng)對遠程設(shè)備進行檢測和控制成為一種可能,解決了受時間和地理條件約束的疑難問題。

從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，以太網(wǎng)成為應(yīng)用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Java,VisualC++,VisualBasic等編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用與開發(fā)，使得以太網(wǎng)能在多種開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具可供選擇的情況下，使用的范圍更加廣泛。研究和實踐證明，基于Ethernet技術(shù)研制的工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路層，可以較好地滿足大多數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)要求。

1 系統(tǒng)概述

本文著眼于設(shè)計一個基于以太網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對盆栽溫濕度的檢測和控制，采用STM32F103為主控制器來控制以太網(wǎng)控制器ENC28J60與計算機通信，通過主控制器采集土壤濕度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。移植輕量級TCP/IP協(xié)議棧LWIP搭建Web服務(wù)器[1]，把溫濕度以網(wǎng)頁的形式顯示給用戶。用戶可以登入手機或者電腦瀏覽器，對盆栽的溫濕度進行遠程監(jiān)控，也可以通過網(wǎng)頁遠程控制系統(tǒng)給盆栽澆水。遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖如下圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

在進行數(shù)據(jù)傳輸之前，首先要對主控制系統(tǒng)的各模塊進行初始化設(shè)置。系統(tǒng)初始化配置如圖2所示，分別要對STM32主控芯片的GPIO引腳配置、ADC通道、SPI接口、ENC28J60以太網(wǎng)芯片模塊、TFT彩屏等進行初始化[2]。初始化后，外圍傳感器開始采集數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)網(wǎng)口把數(shù)據(jù)發(fā)送到交換機上，由交換機分配數(shù)據(jù)包給訪問的計算機，通過網(wǎng)頁頁面接收數(shù)據(jù)并實時顯示。通過網(wǎng)頁可以遠程控制澆水裝置給盆栽澆水。主控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖

2.1 LWIP協(xié)議棧的移植

LWIP是瑞典計算機科學(xué)院(SICS)的AdamDunkels等開發(fā)的一個小型開源的TCP/IP協(xié)議棧,是TCP/IP的一種實現(xiàn)方式。LWIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用,它只需十幾KB的RAM和40K左右的ROM就可以運行,包括TCP,UDP,ICMP,DHCP,PPP和ARP等常見協(xié)議的所有或部分功能，而且提供了類似伯克利TCP/IP的API函數(shù)，使LWIP協(xié)議棧十分適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用[3]。

網(wǎng)關(guān)采用可靠的TCP傳輸協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

如圖3所示，數(shù)據(jù)發(fā)送的發(fā)起者是應(yīng)用層。首先是應(yīng)用層調(diào)用ip_write()函數(shù),接著就是再將控制權(quán)交給tcp_enqueue()函數(shù),使數(shù)據(jù)分割成適當(dāng)大小的TCP段,然后放到所屬連接的傳輸隊列中。然后通過tcp_output()函數(shù)判斷接收器窗口是否有足夠大的空間，如果空間滿足，就使用ip_route()及ip_output_if()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 協(xié)議棧處理過程圖

數(shù)據(jù)接受的發(fā)起者是網(wǎng)口接口層，首先是網(wǎng)口接口將數(shù)據(jù)包傳送給ip_input()函數(shù)，經(jīng)過驗證IP頭后傳給TCP段給tcp_input()函數(shù)。經(jīng)過TCP解析和TCP連接。這個TCP段到達tcp_rocess()函數(shù)，實現(xiàn)了TCP狀態(tài)機，任何必要的狀態(tài)轉(zhuǎn)換在這里實現(xiàn)，最終tcp_receive()函數(shù)將數(shù)據(jù)傳送給上層的應(yīng)用程序，完成接受過程。

2.2 基于STM32的Web服務(wù)器的實現(xiàn)

Web通信是在TCP通信的基礎(chǔ)上再使用了HTTP協(xié)議，使得兩個不同的Web應(yīng)用程序能正常的通信。在Keil軟件中基于LWIP搭建Web服務(wù)器，用Dreamweaver編寫靜態(tài)網(wǎng)頁。交互方式主要是通過表單來完成，使用了SSI技術(shù)和CGI技術(shù)。通過瀏覽器控制遠程盆栽的LED指示燈和遠程控制澆水就是使用的CGI技術(shù)。CGI是一種公共的網(wǎng)關(guān)接口，是一種網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)。實現(xiàn)服務(wù)器與客服端的交互功能，在實際中也用的十分廣泛。通過網(wǎng)頁查看盆栽土壤濕度、環(huán)境溫度、時間和日期是通過SSI來實現(xiàn)的。利用S SI技術(shù)可以顯示圖形，文本或程序應(yīng)用程序包含到網(wǎng)頁中[4]。Dreamweaver網(wǎng)頁編輯界面如下圖圖4所示。

圖4 Dreamweaver網(wǎng)頁編輯界面

3 數(shù)據(jù)測試

用路由器搭建了一個網(wǎng)絡(luò)，以驗證系統(tǒng)的可行性，在瀏覽器輸入監(jiān)控設(shè)備的IP地址時，首先出現(xiàn)的是監(jiān)控系統(tǒng)的主頁頁面，如下圖圖5所示，可了解系統(tǒng)的功能。在這個頁面中，有遠程控制、土壤濕度、環(huán)境溫度選項。頁面會每3s刷新一次，以便能及時更新當(dāng)前溫度。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)的主頁頁面

我們通過點擊遠程控制，就會看到如圖6的頁面，我們可以遠程控制系統(tǒng)指示燈的亮滅和遠程控制系統(tǒng)澆水，點擊土壤濕度，就會看到如圖7的頁面，我們可以實時觀測到土壤濕度的變化。也可以用智能手機登錄設(shè)置好的IP地址進行網(wǎng)頁控制，使控制方式多樣化，符合了移動智能終端控制的發(fā)展要求。

圖6 遠程控制頁面

圖7 土壤濕度和環(huán)境溫度顯示頁面

4 總結(jié)與展望

基于以太網(wǎng)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)是一個遠程的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，在監(jiān)控端構(gòu)建了一個WebServer服務(wù)器，并能在網(wǎng)頁上為用戶實時提供監(jiān)控數(shù)據(jù)，同時，用戶也可以通過網(wǎng)頁去控制設(shè)備的工作狀態(tài)。在一定程度上可以將本系統(tǒng)看成是智能家居設(shè)備的一個縮影，如果能提供更豐富的功能，完善其中存在的問題，并將控制端很好地移植到智能設(shè)備上，人們便能輕而易舉地掌控家庭智能設(shè)備。在將來，這種模式可以改善人們的生活體驗。

5 結(jié)束語

采用STM32F103主控制芯片和ENC28J60以太網(wǎng)控制器構(gòu)建遠程Web網(wǎng)頁控制系統(tǒng)，與現(xiàn)場總線相比，簡化了設(shè)計過程，減少了系統(tǒng)功耗，降低了系統(tǒng)搭建和維護成本；實現(xiàn)了計算機、智能手機、監(jiān)控系統(tǒng)終端等多樣化監(jiān)控方式；利用計算機和手機瀏覽器網(wǎng)頁頁面顯示監(jiān)控信息，無需進行上位機的開發(fā)。為智能控制特別是智能家居的控制提供了一種可行的方案，符合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢，有著廣闊的應(yīng)用空間。參考文獻：

[1]孔棟，鄭建宏.嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LWIP在ARM平臺上的移植與應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2008，41(6)：39-41.

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[3]羅軍舟等.TCP/IP協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.6,21,63-65,102-103.

[4]徐葉，袁敏，李國軍.嵌入式Web服務(wù)器遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化，2013(2):94-98.

2017-3-02）