基于以太网的温湿度检测及控制系统设计

湖北工业大学机械工程学院 刘嘉诚 段磊磊 朱郧涛 张秦 翟中生

基于以太网的温湿度检测及控制系统设计

湖北工业大学机械工程学院 刘嘉诚 段磊磊 朱郧涛 张秦 翟中生

本设计是基于STM32单片机为核心的自动浇水系统，通过移植轻量级TCP/IP协议栈LWIP搭建Web服务器，从而可以通过网页实时监控盆栽土壤湿度和远程控制系统浇水。该方案不仅可以及时给盆栽浇水，而且降低了开发成本，具有较高的应用价值。

LWIP协议栈;以太网;Web服务器;远程控制

0 引言

随着生活质量不断的提高，许多人喜欢在家里或者办公室摆上花盆，这样不仅可以陶冶情操而且可以达到净化室内空气的功效。但是，在生活中很多时候人们太忙没有时间顾及这些花草，室内花草由于受不到雨水的滋润很容易凋谢。人们这个时候就会很困扰，自己好不容易买的花草因为自己无暇照顾而死亡，心情也受到了不好的影响。很多人对花草有着天生的喜爱，看到这些花死去是很不乐意的。虽然市场上有卖盆花自动浇水器，但价格很贵，并且多数是设定一个定时浇水的时间，很难做到给对盆花自动适时适量浇水。也有盆花缺水报警器，可以提醒人们及时地给盆花浇水，虽然这种设备比较经济，但这种报警器只是报警，浇水还需要人们亲自动手。家中无人时，即使报警也不会有人浇水，设备就成了摆设。因此，设计一种集盆花土壤湿度检测、自动浇水系统，对盆栽适时适量的浇水，也可以通过远程控制系统给盆栽浇水。

现阶段，石油化工、煤炭、冶金、交通、电力等工业行业已逐步应用了以太网技术。从全球来看，由于以太网技术拥有开放性好，应用广泛，透明与统一的通讯协议，高传输速率保证实时性等优点，以太网行业在近10年的增速远远高于现场总线和互联网的增速，以太网行业作为新兴产业已进入了发展的导入期，并将发展成为工业控制领域中的领头羊，使通过以太网对远程设备进行检测和控制成为一种可能,解决了受时间和地理条件约束的疑难问题。

从目前的发展现状来看，以太网成为应用最广泛的计算机网络技术，Java,VisualC++,VisualBasic等编程语言都支持以太网的应用与开发，使得以太网能在多种开发环境和开发工具可供选择的情况下，使用的范围更加广泛。研究和实践证明，基于Ethernet技术研制的工业生产过程现场控制网络的传输链路层，可以较好地满足大多数远程监控系统应用的技术要求。

1 系统概述

本文着眼于设计一个基于以太网的远程监控系统,实现对盆栽温湿度的检测和控制，采用STM32F103为主控制器来控制以太网控制器ENC28J60与计算机通信，通过主控制器采集土壤湿度和环境温度数据。移植轻量级TCP/IP协议栈LWIP搭建Web服务器[1]，把温湿度以网页的形式显示给用户。用户可以登入手机或者电脑浏览器，对盆栽的温湿度进行远程监控，也可以通过网页远程控制系统给盆栽浇水。远程监控系统总体框图如下图1所示。

图1 远程监控系统总体框图

2 系统设计

在进行数据传输之前，首先要对主控制系统的各模块进行初始化设置。系统初始化配置如图2所示，分别要对STM32主控芯片的GPIO引脚配置、ADC通道、SPI接口、ENC28J60以太网芯片模块、TFT彩屏等进行初始化[2]。初始化后，外围传感器开始采集数据，通过以太网网口把数据发送到交换机上，由交换机分配数据包给访问的计算机，通过网页页面接收数据并实时显示。通过网页可以远程控制浇水装置给盆栽浇水。主控制系统程序设计流程图如图2所示。

图2 系统程序设计流程图

2.1 LWIP协议栈的移植

LWIP是瑞典计算机科学院(SICS)的AdamDunkels等开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈,是TCP/IP的一种实现方式。LWIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用,它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行,包括TCP,UDP,ICMP,DHCP,PPP和ARP等常见协议的所有或部分功能，而且提供了类似伯克利TCP/IP的API函数，使LWIP协议栈十分适合在低端的嵌入式系统中使用[3]。

网关采用可靠的TCP传输协议，保证了数据传输的可靠性。

如图3所示，数据发送的发起者是应用层。首先是应用层调用ip_write()函数,接着就是再将控制权交给tcp_enqueue()函数,使数据分割成适当大小的TCP段,然后放到所属连接的传输队列中。然后通过tcp_output()函数判断接收器窗口是否有足够大的空间，如果空间满足，就使用ip_route()及ip_output_if()函数发送数据。

图3 协议栈处理过程图

数据接受的发起者是网口接口层，首先是网口接口将数据包传送给ip_input()函数，经过验证IP头后传给TCP段给tcp_input()函数。经过TCP解析和TCP连接。这个TCP段到达tcp_rocess()函数，实现了TCP状态机，任何必要的状态转换在这里实现，最终tcp_receive()函数将数据传送给上层的应用程序，完成接受过程。

2.2 基于STM32的Web服务器的实现

Web通信是在TCP通信的基础上再使用了HTTP协议，使得两个不同的Web应用程序能正常的通信。在Keil软件中基于LWIP搭建Web服务器，用Dreamweaver编写静态网页。交互方式主要是通过表单来完成，使用了SSI技术和CGI技术。通过浏览器控制远程盆栽的LED指示灯和远程控制浇水就是使用的CGI技术。CGI是一种公共的网关接口，是一种网络核心技术。实现服务器与客服端的交互功能，在实际中也用的十分广泛。通过网页查看盆栽土壤湿度、环境温度、时间和日期是通过SSI来实现的。利用S SI技术可以显示图形，文本或程序应用程序包含到网页中[4]。Dreamweaver网页编辑界面如下图图4所示。

图4 Dreamweaver网页编辑界面

3 数据测试

用路由器搭建了一个网络，以验证系统的可行性，在浏览器输入监控设备的IP地址时，首先出现的是监控系统的主页页面，如下图图5所示，可了解系统的功能。在这个页面中，有远程控制、土壤湿度、环境温度选项。页面会每3s刷新一次，以便能及时更新当前温度。

图5 监控系统的主页页面

我们通过点击远程控制，就会看到如图6的页面，我们可以远程控制系统指示灯的亮灭和远程控制系统浇水，点击土壤湿度，就会看到如图7的页面，我们可以实时观测到土壤湿度的变化。也可以用智能手机登录设置好的IP地址进行网页控制，使控制方式多样化，符合了移动智能终端控制的发展要求。

图6 远程控制页面

图7 土壤湿度和环境温度显示页面

4 总结与展望

基于以太网的温度监控系统是一个远程的温度监控系统，在监控端构建了一个WebServer服务器，并能在网页上为用户实时提供监控数据，同时，用户也可以通过网页去控制设备的工作状态。在一定程度上可以将本系统看成是智能家居设备的一个缩影，如果能提供更丰富的功能，完善其中存在的问题，并将控制端很好地移植到智能设备上，人们便能轻而易举地掌控家庭智能设备。在将来，这种模式可以改善人们的生活体验。

5 结束语

采用STM32F103主控制芯片和ENC28J60以太网控制器构建远程Web网页控制系统，与现场总线相比，简化了设计过程，减少了系统功耗，降低了系统搭建和维护成本；实现了计算机、智能手机、监控系统终端等多样化监控方式；利用计算机和手机浏览器网页页面显示监控信息，无需进行上位机的开发。为智能控制特别是智能家居的控制提供了一种可行的方案，符合物联网发展的趋势，有着广阔的应用空间。参考文献：

[1]孔栋，郑建宏.嵌入式TCP/IP协议栈LWIP在ARM平台上的移植与应用[J].通信技术，2008，41(6)：39-41.

[2]彭刚，春志强.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京电子工业出版社2011.

[3]罗军舟等.TCP/IP协议及网络编程技术[M].北京:清华大学出版社,2004.6,21,63-65,102-103.

[4]徐叶，袁敏，李国军.嵌入式Web服务器远程监控系统的设计与实现[J].计算机与现代化，2013(2):94-98.

2017-3-02）