基于Freescale以太网单片机的智能灌溉系统通讯设计
基于Freescale以太网单片机的智能灌溉系统通讯设计
CommunicationBasedonFreescaleEthernetMCUforIntelligentIrrigationSystem
杜文雄王钦若潘永平(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)
摘要
针对目前灌溉系统多以串行总线控制为主，提出了一种以PC机为上位机，Freescale单片机为下位机而组建的分布式
以太网智能灌溉系统。阐述了基于单片机的TCP／IP协议的实现，并给出了系统的组成。由中央监控计算机通过以太网控制
各个现场测控终端，并且由内置的模糊自适应控制系统以及通过Internet获取的天气信息进行节水灌溉。
关键词：MC9S12NE64，以太网单片机，智能灌溉，TCP／IP通讯，监控系统
Abstract
Basedonsituationthatirrigationsystemmostlycontrolledthroughbus，akindofdistributivityintelligentirrigationsystem
wasproposedInthissystem，remotePCcontrolthelocalcontrollerbyEthemet，andfuzzyself-adaptingcontrolsystemac-
cordingtotheweatherinformationwhichisfr0mInternetandsensorcarryoutwater-savingirrigation
Keywords：MC9S12NE64，EthernetMcu，Intelligentlrrigation，TCP／IPCommunication，controlsystem
近年来，随着计算机技术和传感器技术的发展，我国的智能
灌溉系统有了很大的发展。目前大部分灌溉系统以总线(RS一
485／232)控制为主。总线控制灌溉系统通过总线的方式把所有
测控终端接入。每一个测控终端可以独自进行简单的灌溉动作
和判断，然后把信息反馈至中央监控计算机。
目前基于单片机的以太网设备多是采用MCU+MAC及
PHYFLASH+SRAM+其他外设的方案进行设汁的，这类芯片
以太网解决方案成本高，由于结构复杂，可靠性和稳定性都不理
想。在本设计中实现了一种基于以太网单片机MC9Sl2NE64
的以太网智能灌溉系统，通过对土壤湿度、电导率、酸碱度及空
气温湿度等信号的采集，实现全自动灌溉。由中央监控计算机通
过以太网控制各个现场测控终端，并且由内置的模糊自适应控
制系统以及通过Internet获取的天气信息进行节水灌溉预报。
1网络控制系统设计
MC9S12NE64(以下简称NE64)是Freescale公司的一款
网络单片机。它内部集成了以太网控制模块和以太网物理层驱
动模块，兼容IEEE802、3标准。和常用的网卡芯片一样，NE64
的工作模式能够设定为1OMbps／lOOMbps全双工／半双工，并
且拥有自适应的功能，可以满足不同物理环境的要求。NE64芯
片与一般网卡芯片不同的是它的以太网缓冲区的设计，一般网
卡芯片使用FIFO作为缓冲区，这种设计可以最大限度的发挥缓
冲区的作用。NE64内部则是使用3块RAM作为缓冲区，两块
用于接收，一块用于发送，而且RAM大小可以用户设定。因为用
于控制，以太网数据包一般少用到1．5KB的最大传输，所以这
种用户设定大小的缓冲RAM带来应用上的灵活性，而节约下来
的RAM也可以被用户程序使用。
为确保系统通信的正常运行，采用具有j级结构的集散型
控制系统(DCS)，如图1所示。整个控制系统按功能和结构自上
而下分为3层：监控管理层、控制层、信号转换与执行层。
监控管理层由PC机、打印机等组成，主要完成数据处理、报
表打印、故障报警、数据查洵等功能；控制层由一个到多个灌溉系
统控制器(NE64)组成，灌溉控制器可以通过以太网进行通汛。
中间控制级(通信控制器)可以处理众多就地控制级频繁
的、随机的中断申请，将其存人先进先出的存储器，按照先联络
智能灌溉系统l
(MCgS12NE64)
【什站II
7______
i
图1灌溉系统以太网控制框图
先通信，后联络后通信的原则，组织中央控制级和就地控制级间
的通信。这样，可使计算机仅与通信控制器联系，保证了通信的
实时性和准确性。
信号转换和执行层通过传感器，将现场的温度、湿度、土壤
湿度等物理量转换为电压或者电流信号，并将信号输入控制层，
同时接收来自控制层的驱动信号，启动电磁阀。监控管理层中的
计算机和控制层的灌溉控制器采用以太网进行数据通讯，控制
器与传感器和电磁阀之间通过控制电缆实现单向通讯。
2系统软件设计
2、1下位机通讯软件设计
进行网络应用的开发，最关键在于根据本身资源选择一个比
较适合的协议栈。目前商业化的协议栈一般比较昂贵，鉴于一般
嵌入式的应用对协议栈的完备性要求不是很高，因此可以选择使
用开放源代码的免费协议栈。Freescale为NE64选定了一个开
放源代码的协议栈OpenTCP。如果不使用OpenTCP协议栈，别
的一些开放源码，诸如1wlP，FC／IP等，也都是较好的选择。
本方案直接利用OpenTCP提供的一个在NE64上使用的
协议栈，由于该协议栈针对NE64进行了优化，能更好地利用处
理器的特性，有效地提高了协议栈的处理效率，而且由于在绝大
多数场合数据采集终端的处理任务都是相对简单，并不需要操
作系统，采用这种方案无疑对提高系统的整体性能更为有利。该协
议栈采用精简的方案，包括取消所有的fP选项和TCP选项；TCP
维普资讯http://www.cqvip.com
《工业控制计算机}2008年21卷第4期87
流控窗口长度设为1，即双向的报广…——一～___一一～
文传输是基于听一等式的方案；取J、，“J
消JP的分包，组包机制；JC协一一j_一¨Ⅲ～
议只提供服务等。核心协议，．．删，)
基于E64的特点，…一～一一一
对决定协议性能的关键．、．，一部分缓冲区管理进行优化，高层以氐嘲驱动1
协议(T、I、，)
的处理直接基于子层缓冲‘()。
区，实现数据的零拷贝，提高了协
议栈的性能。图裁减后协议栈结构
由于网络部分主要负责数据传输，实现的、
HTT等应用层协议并不是必须的，为了节省程序空间和保证程
序运行的效率，需要对进行裁减，主要将应用层协议
全部去掉，只保留TCP／UDP、IP、IC、等核心协议，直接
向应用程序提供服务，裁减工作包括删减部分源码，修改某些文
件的配置参数等，裁减后的软件结构如图2所示。
由于单片机的资源规模很小，要实现庞大的协议
显得力不从心，而监控场合的数据量相对较小，因而可以舍弃较
为复杂的协议，而用协议取代之。为提高其可靠性，
在高层协议上采取一些措施：采用上位机轮询、下位机回应的方
法，并按照“三次握手”的规范进行通信，即下位机回应后，上位
机再向下位机发一确认。同时增加校验码，对数据进行较严格的
校验，以提高可靠性。
2．2上位机监控软件设计
上位机监控软件用VB编写，采用微软的ACCESS数据
库，使用ODBC数据库引擎，所有对设备的操作都自动记人数
据库，并自动形成灌溉报表，软件结构如图3所示，具体分为7
个子模块：数据通讯模块、数据处理模块、图形显示模块、系统监
控模块、用户管理模块、系统维护模块、报表打印模块。
图3上位机监控软件结构图
22．1各模块的介绍
1)数据通讯模块。按手动或自动方式对各智能控制器循环的
数据进行采集。自动通信采用定时轮巡、监控中心主叫的方式。即
在主循环中不停地检测智能控制器的状态，发现问题后立即处
理。对不能及时处理的问题，发出警报信息并提醒管理人员处理。
2)数据处理模块。把采集到的多个智能控制器的数据存储
于数据库中；实现数据库的各种查询；对各种故障记录存档，以
便I3后查询和故障分析。
3)图形显示模块。图形显示模块通过颜色的变化来显示所
监控的智能控制器的运行状态，在图形上用鼠标点击可直接查
询该监控点的更详细的运行参数，包括阀门开度、流量等。
4)系统监控模块。本系统监控模块在监控地图上可以直接
选取任意灌溉分站，通过图形切换，可向该分站的智能控制器下
达和传输控制参数，包括根据各地的地理环境，配置不同的模糊
控制参数以及阀门闭环控制的参数、调节精度、调节时间、传感
器的误差修订系数等命令和参数，并具有对阀门的远动控制，即
强行开启、关闭的功能。
5)用户管理模块。操作员和管理员口令设定、更改。
6)系统维护模块。维护模块的功能主要有：数据字典维护；
操作权限的设定等。
7)报表打印模块。统计各分站的13流量、周流量、月流量、年
流量，实现报表打印。
2．2．2通讯模块的设计
通信模块与监控分站、现场仪表构成数据传输通道，实现主
控计算机对现场仪表的通信和控制，主要包括读取实时数据、系
统设置、远程控制等功能。
本设计利用Winsock控件来开发通讯模块。Winsock控件
有两个重要的属性，即Protocol和State。Protocol设定使用的
协议是TCP还是UDP：取值sckTCPProtocol表示TCP，取值
sckUDPProtocoI贝0表示UDP。
现在以监控中心计算机与分站1之间的通讯为例，阐述VB
中实现UDP的过程。设定分站1的IP为197．1．1．2，使用的端
口为1011，监控中心的fP为197．1．1．1，使用的端口为1010。在
分站1中，把NE64中的RemoteHost设为监控中心计算机的
IP地址，RemotePo~设为1010。
由于UDP协议并不需要建立一个明确的连接，因此建立
UDP应用要比建立TCP应用简单得多。在TCP应用中，一个
Winsock控制必须明确地设置成“监听”，而其它Winsock控制
则必须使用Connect方法来初始一个连接。
使用UDP协议，在两个Winsock控制间进行数据的发送，
在连接的两端必须完成以下三步：
1)设置RemoteHost属性为其它计算机的名称；
2)设置RemotePort属性为第二个Winsock控制的Local—
Port属性的值；
3)申请Bind方法。
通过使用方法Bind，则可将该Winsock控制捆绑到一个本
地端口，以便该Winsock控制使用该端口来进行类似TCP的
“监听”功能，并防止其它应用使用该端口。
使用该协议传送数据，首先设置客户计算机的LocaIPort属
性。而作为服务器的计算机仅需要设置RemoteHost属性为客
户计算机的fP地址或域名即可，并将其RemotePort属性设置
成客户计算机上的LocalPort属性即可，然后就可通过申请
SendData方法来开始信息发送，如作为客户端则可在其
DataArrial事件中使用方法GetData来获取发送的信息。
打开代码窗口，分别在相应的事件下输入以下代码：
PrivateSubForm—Load()
WithudpPeerA
RemoteHost=”1971、1、2要连接到的灌溉分站lP
、RemotePort=1010要连接到的端口号
．LocalPort=1011该Winsock控制将要使用的本地端口号，便于其它
端与该Winsock通讯
、Bind1O11将该Winsock控制绑定到该本地端口
EndWith
EndSub
PrivateSubt~Send
_Change()
udpPeerA．SendDatatxtSendText发送文本
EndSub
PrivateSubudpPeerA
_DataArrival(ByValbytesTotalAsLong)
DimstrDataAsString
维普资讯http://www.cqvip.com
基于Freescale以太网单片机的智能灌溉系统通讯设计
udpPeerA．GetDatastrData，vbString
txtOutput．Text=strData
EndSub
2_2．3自动获取天气预报
现在许多网站上的天气网页提供的天气情况比较全面，包
括最高温度、最低温度、空气湿度，甚至包括风力，日出日落时间
等等，本设计利用Socket类实现HTTP协议客户端应用，从网
站发布的天气预报网页中获取相关的信息，并根据以上参数定
制灌溉计划。
运用Socket的基于同步模式的客户端应用程序，首先通过
解析服务器的IP地址建立一个终结点，同时创建一个基于流套
接字的Socket连接，其运用的协议是TCP协议。通过该Socket
就可以发送获取网页的命令，再通过该Socket获得服务器上默
认的网页(比如sohu网站上广州地区的天气网址为http：／／
weather．news．sohu．com／city．php?city=广州)，最后通过文件
流将获得的相应天气数据提取出来并显示存储，作为下一步判
断的依据。
在本系统中使用VisualBasic自带的互联网传输控件
(ITC)，使用ITC控件提供的两种方法来下载Web页面，即
OpenURL和Execute，其中，OpenURL方法最简单，但其功能
有限，用这种方法并不能得到任何过程信息，不能对到达的数据
进行控制，所以，我们需要访问Winsock缓冲区，该缓冲区的功
能是存储到达的数据。可以利用ITC控件的Execute方法。
Execu~方法只是向Web服务器发送HTTP请求，而本身并不
接收任何数据，用法如下：
InetlExecutestrURL，”GET
下面是～部分关键程序：
定义ITC控件使用的协议为H1_rP协议
Inet1．Protocol=icH丌P‘调用Execute方法向Web服务器发送H丌P
请求
IfLen(txtURL、Text)>0Then
InetLExecuteTrim$(txtURL．Text)，GET”
(上接第85页)
图4Agent间的会话框图
5结束语
基于多Agent系统的智能虚拟仪器把多Agent技术引入
到虚拟仪器的开发设计之中，把虚拟仪器中不同的软件单元设
计成独立的Agent，给出其通用的结构，并借助JAFMAS多A—
gent系统开发框架实现了系统模型结构的建立和相应的运行
结果。这一方法的提出，不但改善了虚拟仪器的可扩展性和可重
DimstflextAsString
DimstrBufferAsString
OnErrorResumeNextDo‘从缓冲区读取数据
DoEvents
strBuffer=lnet1．GetChunk(512)
StrArrivedData=strArrivedData＆sfrBuffer
然后提取我们需要的数据
LoopUntilLen(strBuffer)=0
3结束语
本文利用以太网单片机MC9S12NE64，通过以太网，与监
控中心计算机组成具有三级结构的集散型智能灌溉控制系统。
该系统具有可扩展性好、灵活性高、传输距离长、数据传输率高、
性价比高等特性。由中央监控计算机通过以太网控制各个现场
测控终端，并且由内置的模糊自适应控制系统以及通过Internet
获取的天气信息进行节水灌溉，综合天气以及环境参数，自动确
定灌溉是否需要进行或者何时进行为宜等，若选用适当的传感
器，本系统也可适用于多种灌溉模式(喷灌、滴灌、渗流等)。改变
模糊自适应控制系统的参数，可以用于不同植被。
参考文献
[1]徐飞鹏，杨培岭，雷振东，等．分层分布式计算机控制智能灌溉施肥系
统的设计与实现[J]．节水灌溉，2005(4)：26—28
[2]宋培卿，陆吴、胡刚节水灌溉远程控制系统的结构及其通信设计
[J]．河海大学常州分校学报，2003，17(2)：59—62
[3]张云鹏，杨景常．基于TCP／IP协议的单片机系统以太网通讯设计与
实现[J]．四JII工业学院学报，2004(23)：87—90
[4]邵贝贝单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]北京：清华大学出版
社．2004
[5]W．RichardStevens．TCP／IP详解[M]．范建华，等，译．北京：机械工
业出版社，2000
[6]sourceforgeproject．MC9S12NE64OpenTCPReferenceManu-
aI[EB／OL]．http：／／freescaleotcp、sourceforge．net．July．2004
[收稿日期：2007．8．30]
构性，还大大提高了虚拟仪器的设计效率，彻底摆脱虚拟仪器设
计对经验和能力的依赖，真正实现用户定义仪器功能的目标。同
时，对于多Agent技术的应用研究也具有一定的借鉴作用。
参考文献
[1]张毅，周绍磊，杨秀霞．虚拟仪器技术分析与应用[M]．北京：机械工业
出版社，2004
[2]EmmetLlFroomeP．Requirementsforaguideonthedevel-
opmentofVirtualinstrument．Techniquerepo~ofNational
PhysicalLabo~toryofUK1999
[3]WooldridgeM．Agent-basedsoftwareengineering．IEEEproc．
ofsoftwareeng，1997，144(1)：26—36
[4]史忠植．智能主体及其应用[M]．北京：科学出版社，2000
[5]LeiterM．DeanTAframeworkforthedevelopmentofmulti—
agentarchitectures．IEEEExpert．199612：47-58
[6]袁崇义Petri网的原理与应用[M]北京：电子工业出版社，2005
[7]陈仁际，吴镇炜，王韬，等基于Agent的分布式多机器人系统建模及
分析[J]．中国机械工程，2001，6：667—670
[8~DeepikaChauhan．JAFMAS：AJava—basedagentframe．
workformulti—agentsystemdevelopmentandimple-
mentation：[Ph．D．Thesis]．C}ncinnati：ECECSDepartment。
UniversityofCincinnati，1997[收稿日期：2008．1_7]
维普资讯http://www.cqvip.com
|
|
