摘要：本文提出了一種將溫室控制的嵌入式系統作為服務器接入網絡，利用廉價的嵌入TCP/IP通信協議的51系列單片機來控制網絡接口芯片RTL8019AS，實現以太網通訊的系統方案，并對系統硬軟件進行了設計。
　　
　　1、引言
　　
　　現代溫室大棚多以微電子技術和計算機輔助決策技術為核心、以上下位機方式進行智能化監控。但上下位機監控由于受通訊線路、距離影響，費時費力。隨著我國設施農業的快速發展和廣泛應用，研究并開發基于Internet的連棟溫室室內環境遠程控制技術及設備，成為迫切需要解決的問題。本文提出了一種將溫室控制的嵌入式系統作為服務器接入網絡，利用廉價的嵌入TCP/IP通信協議的51系列單片機來控制網絡接口芯片RTL8019AS，實現以太網通訊的系統方案，并對系統硬軟件進行了設計。
　　
　　2、系統硬件設計方案
　　
　　溫室遠程監控系統的核心微控制器采用美國Cygnal公司的單片機C8051F020，以太網控制器采用中國臺灣Realtek公司生產的RTL8019AS。下面，首先分別對其作一介紹。
　　
　　2.1C8051F020微處理器
　　
　　C8051F020是一塊集成混合信號SoC芯片，其內核與8051兼容。工作在zui大系統時鐘頻率25MHz時，峰值速度可達25MIPS。C8051F020有256KB的內部RAM，還另有位于外部數據存儲器地址空間的4KBXRAM和一個可尋址64KB地址空間的外部數據存儲器接口，以及64KB可在系統編程的Flash存儲器。C8051F020除標準的8051端口（P0、P1、P2和P3）外，還附加4個端口（P4、P5、P6和P7）。有5個16位通用定時器、片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。工作電壓為2.7V～3.6V，工作電流為10mA/20MHz[1]。
　　
　　2.2以太網控制器RTL8019AS
　　
　　中國臺灣Realtek公司生產的RTL8019AS以太網控制器，因性能優良、價格低廉，在10Mbps網卡中占有相當的比例。它符合EthernetII與IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）標準，100引腳PQFP封裝，采用全雙工收發可同時達到10Mbps的速率，內置16KB的SRAM，支持8／16位數據總線，8個中斷申請線以及l6個I／O基地址選擇等。
　　
　　RTL8019AS內部分為遠程DMA口、本地DMA接口、MAC（介質訪問控制）邏輯、數據編碼解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內部RAM進行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。單片機收發數據只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是指RTL8019AS與網線的連接通道，通常通過RJ45接口實現和外部網絡的連接，完成控制器與網線的數據交換。MAC（介質訪問控制）邏輯完成以下功能：當單片機向網上發送數據時，先將一幀數據通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩存區，然后發出傳送命令；當RTL8019AS完成了上一幀的發送后，再開始此幀的發送。RTL8019AS接收數據時，首先把接收到的數據通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區；收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發數據作16字節的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。
　　
　　2.3系統硬件設計與實現
　　
　　系統核心微控制器采用Cygnal公司的單片機C8051F020，而C8051F020單片機并不具有以太網接口，為實現以太網通信，需要接口芯片。系統接口芯片采用是中國臺灣Realtek公司生產的以太網控制器RTL8019AS。RTL8019AS有即插即用、跳線和免跳線3種工作方式。為了減少資源占用，系統設計中將RTL8019AS芯片的JP腳接高電平即選擇跳線方式。為了防止干擾和破壞元器件，實現帶電拔插功能，需要將RTL8019AS外接一個隔離LPF濾波器，再通過RJ45接口接入以太網。系統硬件結構框圖如圖1所示。　　　　
　　3、系統軟件設計
　　
　　3.1單片機中TCP／IP協議的嵌入
　　
　　嵌入式系統接入Internet同PC機接入Internet一樣，必須要有相應通信協議。目前Internet主要采用TCP/IP協議，因此，采用嵌入式系統通過TCP/IP協議接入Internet的方案，嵌入式系統對信息進行TCP/IP協議處理，使其變成可以在Internet上傳輸的IP數據包和以太網幀。
　　
　　溫室中的主控單片機要作為Web服務器接入以太網，必須嵌入TCP／IP協議。Internet通信協議對計算機系統的CPU速度、存儲器容量等要求比較高，用于PC機不存在任何困難，但用于自身資源有限的嵌入式系統就必須考慮性價比，根據需要有所取舍，合理選擇通信協議的實現和處理方案。根據所選的單片機C8051F020的資源，對TCP／IP協議做了裁減，系統中使用了ARP、RARP、ICMP、UDP、HTTP等部分協議，即可保證單片機接入以太網，同時亦保證有足夠小的代碼量。
　　
　　根據實際需要，該系統采用一種簡化的TCP／IP4層網絡模型，分別為：應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層。應用層傳遞來自以太網和數據終端的數據，并對數據作打包拆包處理；傳輸層采用用戶數據包協議UDP；網絡層實現IP協議，還要實現能報告數據傳輸差錯等情況的ICMP協議；鏈路層由控制同一物理網絡上不同機器間數據傳送的底層協議組成。在簡化的TCP／IP協議4層模型中，鏈路層部分由RTL8019AS完成，網絡層和傳輸層由溫室控制的單片機來處理，應用層則根據需要可以在單片機內完成，也可以由單片機轉給用戶或終端設備完成。
　　
　　3.2單片機控制以太網卡工作過程
　　
　　系統在上電工作時首先要進行初始化，即初始化單片機C8051F020和RTL8019AS，進行工作參數和條件的設置，主要是一些寄存器的配置和內置RAM空間的分配。初始化之后，由于MCU系統中的TCP/IP是直接面向硬件的，沒有嵌入式實時操作系統的支持，程序結構一般采用順序執行和硬件中斷相結合的方式，與操作系統的多進程并發執行的方式截然不同。當所有初始化完成之后，就采用查詢方式開始工作，程序流程圖見圖2。　　
　　當系統接入以太網開始運行時，首*行地址解析，在網絡內進行“身份識別”，當用戶通過瀏覽器發出請求時，網絡芯片驅動程序接收以太網幀形式的用戶請求，然后傳輸給上層協議逐層分離取出用戶請求，控制系統根據用戶請求調用單片機C8051F020外圍傳感器采集溫室內相應的狀態數據，再將數據逐層打包，zui后交給以太網芯片RTL8019AS封裝成以太網幀發送出去。如果傳輸的數據量比較大，則重復多次數據發送過程，便可完成一個數據的完整傳輸。在終端可以以Web網頁的形式供用戶瀏覽和做出進一步的判斷控制。
　　
　　溫室控制系統中單片機主要完成來自網絡數據的解包和接受溫室傳感器采集的數據的打包，當以太網有數據到達該設備時，單片機采用查詢方式讀取網絡數據并分析，先將其目的地址與系統的物理地址相比較，如果地址不相符，則將該數據丟棄，如果相符，則判斷是否是ARP數據包，是則轉入ARP處理程序，并發送RARP數據包。如果是UDP數據包且IP地址和端口號正確，則開始數據接收。當傳感器傳來的數據要發送時，單片機先將待發送的數據按UDP協議格式打包進行封裝，需要設置以太網目的地址、源地址、協議類型，再按所設置的協議類型來設置數據段。然后給出發送緩沖區首地址和數據包長度，啟動發送命令。通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩沖區，即可實現RTL8019AS的發送功能，并將結果寫入狀態寄存器中。再啟動本地DMA，將數據發送到網絡上。
　　　　
　　4、結論
　　
　　（1）提出將單片微處理器提升為具有系統軟件和TCP/IP協議的嵌入式Web服務器，并用于溫室環境控制的方案。這種嵌入TCP／IP協議的單片機系統成本低、硬件少、傳輸速度快、使用方便，可在遠程數據采集和傳輸、遠程監控等方面有廣泛應用前景。
　　
　　（2）設計了系統的軟硬件，通過用單片機控制網絡接口芯片RTL8019AS，同時嵌入精簡的TCP／IP協議，將溫室控制器擴展成嵌入式Web服務器，實現溫室內各種狀態數據的采集與控制。