凌啟東 王鴻磊 高 媛

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140）

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)作為是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動控制技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)緊密結(jié)合，對充分利用農(nóng)業(yè)資源、降低農(nóng)產(chǎn)品成本、改善生態(tài)環(huán)境、提升農(nóng)產(chǎn)品安全保障發(fā)揮了很大的作用，有效提升了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)集約化和精細(xì)化程度，近年來發(fā)展迅速，是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。

如何將植物的生長情況、土壤的具體成分和植物的生長環(huán)境（空氣、水分、溫度、日照等）信息及時(shí)掌握，對于我們更好的實(shí)施設(shè)施農(nóng)業(yè)工程起著至關(guān)重要的作用，因此對于農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的信息采集和智能控制是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是我們研究的重要方向。傳感器節(jié)點(diǎn)采集現(xiàn)場各種農(nóng)業(yè)現(xiàn)場信息，通過無線局域網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將信息處理后傳輸?shù)胶笈_控制服務(wù)器，用以作為分析農(nóng)作物生長情況和調(diào)整農(nóng)業(yè)措施的根據(jù)。目前在這方面的農(nóng)業(yè)溫度檢測系統(tǒng)研究較多[1-2]，例如，陳智偉等人設(shè)計(jì)了一種基于CC2430 的農(nóng)業(yè)溫度控制系統(tǒng)[1]，通過zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)溫室相關(guān)參數(shù)的采集及一些基本的控制。但是在網(wǎng)關(guān)采用串口與上位機(jī)連接，限制了信息傳輸速率，且沒有考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中控制室不會一直有人值守的實(shí)際情況，限制了實(shí)際的應(yīng)用效果。為此，本文提出了一種針對設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，選擇自帶MAC 控制器和CAN 控制器的STM32 處理器，擴(kuò)展了移動通信控制模塊，簡化了電路設(shè)計(jì)，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，確保了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的重要性

網(wǎng)關(guān)在設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，要協(xié)調(diào)上位機(jī)和下位機(jī)關(guān)系。網(wǎng)關(guān)的主要功能：一，負(fù)責(zé)接受下位機(jī)或者節(jié)點(diǎn)的采集信息數(shù)據(jù)，或者接受上位機(jī)的控制信息；二，對于接受到的信息進(jìn)行處理，根據(jù)不同的目的地進(jìn)行封裝；三，當(dāng)信息傳輸繁忙時(shí)，根據(jù)信息優(yōu)先級進(jìn)行按序轉(zhuǎn)發(fā)；另外，網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)還需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)的需求，設(shè)計(jì)了一種嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，主要由GPRS模塊、ZigBee 模塊、以太網(wǎng)接口模塊、CAN 接口模塊、鍵盤電路報(bào)警電路等部分組成。嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

考慮到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力要求較高，選用32 位處理器STM32F107VC，芯片工頻72MHz，高達(dá)256K 字節(jié)的片上閃存和64K字節(jié)的SRAM，芯片攜帶有1 路10/100M 以太網(wǎng)接口，2 路CAN 通道，5 個(gè)UART 接口；還含有ADC、DAC、US 等豐富的外設(shè)資源[3]?？梢苑€(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信，同時(shí)也能保證嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.1 ZigBee 模塊的設(shè)計(jì)

圖2 ZegBee 功能模塊

ZigBee 技術(shù)作為新興的一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，具有低功耗、低延遲、自組織等優(yōu)點(diǎn)[4]，近年來開始逐漸應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)中，由于其突出的低功耗特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電池的使用壽命可以達(dá)到6～24 個(gè)月，完全可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的需要。為了與ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無縫對接，網(wǎng)關(guān)選用TI 公司的CC2530-F256 芯片實(shí)現(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)功能，芯片帶有256KB 的flash 空間和8KB RAM，將無線通信模塊和處理器系統(tǒng)集成，其電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

2.2 GPRS 模塊的設(shè)計(jì)

圖3 GPRS 通信模塊

GPRS 是在GSM 全球移動通信網(wǎng)絡(luò)之上發(fā)展起來的一種新的承載業(yè)務(wù)，為用戶提供高速的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一種的網(wǎng)絡(luò)[5]。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了GPRS 通信模塊，與移動平臺的通信，實(shí)現(xiàn)無人值守情況下對生產(chǎn)現(xiàn)場的及管理。GPRS 模塊選用SIEMENS 公司的SIM900D 芯片，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。GPRS 通信模塊電路如圖3 所示，主要包括串口通信電路、SIM 卡電路、天線電路等。SIM900D 通過串口通信電路從STM32 接收待發(fā)送信息，通過天線電路發(fā)送至移動網(wǎng)絡(luò)。

2.3 其他模塊的設(shè)計(jì)

在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信模塊和CAN 通信模塊，STM32F107VC 內(nèi)部集成了專用DMA 的MAC 模塊，選用PHY 芯片控制器DP83848，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)平臺進(jìn)行以太網(wǎng)通信。STM32F107VC 內(nèi)部都集成了CAN 控制器，選用芯片CTM1050T，設(shè)計(jì)CAN 驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)CAN 通信功能，擴(kuò)展系統(tǒng)的接入。另外，主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了電源模塊、存儲電路、鍵盤電路、聲光報(bào)警模塊等。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)移植了嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-II，主要修改了與處理器相關(guān)的幾個(gè)文件：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM等。將系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)功能劃分任務(wù)，確定任務(wù)優(yōu)先級，系統(tǒng)按照優(yōu)先級對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，提高了系統(tǒng)的性能和實(shí)時(shí)性的要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)中，可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的下位機(jī)與控制室的上位機(jī)之間的通信，保證了對了農(nóng)業(yè)現(xiàn)場情況的精確掌握和實(shí)時(shí)控制，為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)提供借鑒。

［1］陳智偉，蘇維均，等.基于WSNs 的農(nóng)業(yè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(7)：82-85.

［2］王軍，孫健程，等.基于ZigBee 的蔬菜大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34(3)：1126-1130.

［3］STMicroelectronics.STM32F107xx datasheet[DB/OL].http：//www.st.com，2010.

［4］尹慧琳，王磊，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布式信息融合算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43(173)：18-20.

［5］潘端云.安全駕駛車載終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2013.