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1、?2008年?第 6期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument?Technique?and?Sensor2008?No?6?收稿日期:2007-05-15?收修改稿日期:2008-01-28基于 TCP/IP协议的无线远程温湿度监控系统张?星,王向军,文鹏程(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津?300072)?摘要:提出了一种无线远程温湿度临控系统设计方案。介绍了系统总体架构,重点论述了系统软硬件设计方法。以C8051F单片机为核心,采用数字式微型智能传感器 SHT71,实现系统监控终端温湿度采集与控制;通过以太网接入,利用简化的 TCP/IP协议,并借助无线网桥,实现数
2、据远距离传输。该系统无需标定,具有很好的环境适应性。实际应用中,监控终端能够与 5 km外的上位机实现可靠的信息交互,对远程控制命令响应时间小于 500ms,保证了被监控设备全天候稳定工作。关键词:TCP/IP;C8051F单片机;温湿度传感器;无线远程监控中图分类号:TP273?文献标识码:A?文章编号:1002-1841(2008)06-0044-03W irelessRemoteM onitor Systemof Temperature and Hum idity Based on TCP/IPZ HANG X ing,WANG X iang?jun,WEN Peng?cheng(Sta
3、te Key Laboratory of PrecisionM easuring Technology&Instru m ents,Tianjin University,T ianjin 300072,China)Abstract:A scheme to i mple ment thew ireless re mote monitor syste m of temperature and hum idity was introduced.After ex?plaining the general structure of the system,the key techniques of har
4、dware and software designwere expatiated.U sing am icro in?telligent sensor SHT71 whichwas controlled by C8051F MCU,the te mperature and hum idity can bemeasured bymonitor termina.lThen with the help of Ethernet access based on embeddedTCP/IP protocol andwireless net bridge,the data can be trans m i
5、tted fora long distance.At last,the perfor mance index in applicationwas given.This syste m needsno calibration and has good environmentadaptability.It can help field equipmentwork reliably under all?weather conditions.K ey words:TCP/IP;C8051FM CU;te mperature and humidity sensor;w ireless re mote m
6、onitoring0?引言温度和湿度的远程测量和控制对于异地设备获得适宜的工作环境,实现无人值守的正常运行具有重要意义。设计温湿度远程监控系统时应解决的关键技术有:湿度的测量,湿度受到大气压强、温度等因素的影响不容易准确测量,传统的模拟式湿度传感器功能单一,需设计信号调理电路且校准困难,精度不高,互换性差;监控终端与上位机间的远距离可靠数据传输,基于现场总线的数据传输方式在传输速率和距离等方面与以太网相比存在劣势,且布线工作易受地形条件限制。设计了一种基于 TCP/IP协议的远程温湿度监控系统,采用高精度、自校准、数字式微型智能传感器 SHT71采集环境温湿度,并在现场级实现监控终端与以太网的
7、连接,借助无线网络设备实现多个分散在不同地理位置的远程监控终端与上位机间的信息交互。系统实时调节异地设备工作环境温湿度,数据传输可靠,无需传输电缆,组态灵活,重构性强,易于进行扩展和维护。1?总体设计及系统架构系统整体结构如图 1所示,系统由远程监控终端和上位机组成,二者通过无线以太网实现数据交互。监控终端以 MCU为核心构建,包括 2部分:温湿度监控模块,实现温湿度采集和控制;网络通信模块,实现现场数据的发送和上位机控制命令的接收。考虑到系统功能扩展和高可靠性、低功耗、实时性等要求,选用高速 MCU C8051F020,该单片机采用流水线架构,片内资源丰富,性价比高,能够很好地满足设计要求。
8、图 1?系统整体结构为实现监控终端与以太网的连接,采用 N I C(网络接口芯片)实现硬件网络接口,由单片机运行 NIC驱动程序和 TCP/I P协议1。由于 C8051F020是 8位单片机,选择 N I C时需考虑是否支持 8位工作模式,NIC片上缓存的大小,与主机的数据交换形式以及与 NE2000是否兼容。选择基于 ISA总线的 10Mbit/s网络接口芯片 RTL8019AS,它价格低廉,速度和接口都适合单片机系统。为避免繁重的通信线路铺设和维护工作,摆脱复杂地形条件对系统架设的影响,采用无线网桥并配备抛物面定向天线将远程监控终端接入无线测控局域网 2,建立与上位机的连接。上位机软件在
9、 V isualC+6?0编程环境下编写,可通过无?第 6期张星等:基于 TCP/IP协议的无线远程温湿度监控系统45?线链路发送控制命令,远程配置单片机程序中相关参数,建立数据库存储监控终端上传的温湿度数据并进行统计分析,打印报表及温湿度变化曲线。上位机还可与 Internet进行无缝连接,实现更大范围内的三级测控。2?温湿度监控模块设计2?1?温湿度采集SHT71型传感器基于 CMOSens?专利技术3研制,可测量相对湿度、温度和露点,可实现自动校准和数字式输出,具有100%的互换性和卓越的长期稳定性。SHT71湿度测量范围 0 100%RH,温度-40 123?8?,测湿精度 3?5%R
10、H(20%80%RH),测温 0?5?25?,0?9?(0 40?);测量分辨率可编程设置(温度 8/12 bit,湿度 12/14 bit)。它将电容性聚合体湿度敏感元件和用能隙材料制成的温度敏感元件与信号调理、A/D转换器、校准存储器、串行数字通信接口、CRC寄存器等全部集成到 1个体积极小的芯片中,采用两线串行总线与 MCU 进行数据通信,由 MCU 完成非线性补偿和温度补偿。接口电路如图 2所示。图 2?温湿度监控模块硬件电路SCK(串行时钟输入)用于实现与 MCU 之间的通信同步,DATA(串行数据三态引脚)是内部数据的输出和外部数据的输入引脚,微控制器可以在 SCK的高电平段读取有
11、效数据。完整的测量时序由启动传输时序、发布命令、等待测量完成、读回数据 4个部分组成,若 MCU与 SHT71的通信中断,可用复位时序来复位串行接口。测量和通讯结束后 SHT71自动转入休眠模式。SHT71从最高位(M SB)到最低位(LSB)传输数据,选用CRC-8校验时将传送 2 Byte的测量数据和 1 Byte CRC数据,所采用的 CRC多项式为 x8+x5+x4+1。MCU 也按此多项式生成 CRC值,若与接收到的 CRC值一致,则可以认为信息传送正确;否则要求传感器重新测量数据并发送。2?2?温湿度控制如图 2所示,MCU通过驱动 SSR(固态继电器)控制温湿度调节设备(加热器、
12、制冷器、除湿器和风扇等)的启动与停止。上位机可远程设定 MCU 程序中的温湿度阈值,MCU 将采集到的温湿度值与相关阈值进行比较,从而采取相应控制措施。若湿度在允许范围内,则当温度高于上限值时,根据其超出上限值的多少选择通风或制冷实施降温,当温度低于设定值时,则进行升温操作;若湿度不在允许范围内,考虑到温湿度间的耦合关系,则当湿度高于上限值时,进行通风或启动除湿,待湿度达到允许要求后,判定温度是否低于其下限,进行相应温度调节。为防止 SSR 在温湿度上下限处的频繁启动,延长其使用寿命,程序中设定了温(湿)度控制的回滞量。以降温为例,表 1中的 T_high与 T_high_stop之差即为温度
13、上限回滞,温度低于T_high_stop时才停止降温操作。表 1?温度控制相关阈值T_highT _high_stopT_lowT_low_stop温度上限停止降温温度下限停止升温3?网络通信模块设计实现监控终端的以太网接入,基于 TCP/IP协议实现监控终端与上位机的信息交互,是在驱动 N IC实现以太网数据帧收发的基础上,利用 TCP协议端到端的可靠通信进行数据传输,同时根据 TCP/IP协议对现场要发送的温湿度数据和上位机控制命令进行封装和分解,由 MCU 实现以太网数据帧的处理。3?1?以太网接口电路设计如图 3所示,系统外扩了 32 K字节 RAM 用于存储较长字节的以太网数据帧,C
14、8051F020采用地址数据总线复用方式与RTL8019AS相连。RTL8019AS选择 8位工作模式,并工作在跳线方式,其 I/O 地址与中断 I RQ由相关引脚决定 4,省去外接EEPROM.NIC的 I/O地址空间对应于 300H 31FH,故取其地址总线中的 5条根据地址偏移量与单片机连接,其余接地,即可控制 RTL8019AS的 32个端口寄存器完成收发功能,降低了PCB设计难度。RTL8019AS内置 10Base-T 收发器,选用集成了滤波器、具有电平转换功能的 R J45连接器 LF1S022将其接入以太网。图 3?C8051F020与 RTL8019AS接口原理图3?2?以太
15、网数据帧的收发与处理MCU 采用查询方式驱动 NIC实现以太网数据帧的收发,驱动程 序 处 于 TCP/IP 协 议4 层 模 型 的 链 路 层。通 过 对RTL8019AS内部寄存器的配置将其内部的双端口 RAM 划分为数据发送缓冲区和接收缓冲区。发送数据时 MCU 通过远程DMA操作将要发送的数据包按指定格式写入发送缓冲区,并启动发送命令,RTL8019AS芯片会通过本地 DMA操作自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。反之,收到物理信号后 RTL8019AS将其还原成数据,按指定格式存放在接收缓冲区中,MCU通过查询 N I C内部的读写指针寄存器判定是否有新的数据帧到达。若收
16、到新的数据帧,则通过远程 D MA 操作将其保存到外部数据存储器中。监控终端与上位机通信过程中,数据要走过 TCP/IP的各层协议,需要不断进行封装和分解5。若采用数据拷贝进行数据传递,将增加系统的存储和数据处理开销,降低系统性能。而 1个以太网数据帧除数据段的长度不定外,其他部分的长度?46?InstrumentTechnique and SensorJun?2008?固定不变,且数据段中包括的 ARP头、IP 头、TCP头的格式固定,长度在头信息中说明,因此可以确定要发送和接收的数据在以太网帧中的位置。所以,在外部数据存储器中为接收到的以太网数据帧分配存储空间时,用地址指针指向该存储空间的
17、头地址(即以太网数据帧的第 1个字节),通过指针的运算进行数据帧的分解,提取上位机发送的控制命令字。同理,向上位机发送数据时,也通过指针运算完成以太网数据帧的封装。3?3?嵌入式 TCP/IP协议的实现3?3?1?协议裁剪8位 MCU 接入以太网时,由于系统资源的限制很难实现完整的 TCP/IP协议。网络接口实现的功能主要包括传输现场数据和接收远程控制命令,数据量较少,格式简单固定。故对TCP/I P协议进行裁减,只保留链路层的 ARP(地址解析协议)协议、网络层的 IP协议和传输层的 TCP协议,且对需要实现的协议只实现必需的算法部分。ARP和 IP协议相对简单,在 MCU 中实现时可直接按
18、协议的封装格式进行编程,I P 协议实现时采用发送小数据报的形式,不支持分段。TCP协议主要维持连接和确保数据的可靠传输。为减少资源的占用和提高实时性,需简化 TCP协议。首先,简化 TCP有限状态机。采用被动连接方式,省去标准 TCP 状态机 5-6中主动建立连接的部分;省去 CLOSED 状态,使监控终端一开始就处于 LISTEN状态监听上位机的连接请求;只实现正常 TCP处理流程,不处理异常情况;省去易出现延迟的 T I ME_ WAI T 状态,直接释放 TCP控制块回到 LISTEN状态,减少超时状态。对 TCP状态机合理约简,并保证 TCP协议功能的完整,得到简化的 TCP状态变迁
19、图如图 4所示。图 4?简化的 TCP状态变迁图其次,为避免因为数据报的丢失造成状态机的死锁,使用简单定时机制,超时后 TCP状态机复位,进入 LISTEN状态。为减少系统开销,仅支持单个连接。将 TCP的传输窗口大小置为定值,忽略 TCP选项,不支持服务类型和安全选项。另外,上位机可能因停电、死机等异常断开连接,此时若监控终端仍保持很长时间,将对其性能造成影响。因此,缩减超时重传的操作次数。3?2?2?TCP/IP协议通信程序流程TCP/IP协议裁减后,降低了对单片机资源的要求并提高了系统运行速度。采用模块化设计思路编写单片机程序,系统整体通信流程如图 5所示。初始化阶段,需要完成以太网控制
20、器复位并对其进行读写访问设置相关寄存器,必需在程序中指明监控终端的广播地址、IP地址、子网掩码和默认网关。由于一般在同级局域网内图 5?通信程序整体流程部进行通信,可直接设置网关的 IP地址为 0。若上位机与监控终端第一次建立连接,在连接建立之前,上位机会发出 ARP问询帧,监控终端从中获取上位机的 IP地址和 MAC地址,并将自己的 MAC地址回传,以实现通信双方互相绑定对方的 IP地址和 MAC地址。经三次握手后,监控终端与上位机之间建立 TCP连接,通信将进入双向数据传输状态。二者间的信息交互采用!请求-响应模式,即上位机发出远程控制命令,监控终端响应命令进行相应操作,若需上传数据则以
21、TCP报文形式将数据通过以太网发送出去。为便于通信双方对所接收的信息进行识别和解读,以简洁、可扩展的原则共同约定信息头编码格式如表 2所示。表 2?信息头编码格式?Byte监控终端代号信息类别信息描述保留11114?结束语基于 TCP/IP协议的温湿度远程监控系统测量简便且无需标定,配合无线网桥实现了温湿度的无线远程监控,具有很好的环境适应性,重构性强。实际应用在靶场弹着点坐标测量系统中时,集成在现场测站中的远程监控终端距上位机 5 km,对远程控制命令的响应时间 500 ms,上传的温湿度值与传感器直接测量结果一致,数据传输可靠,实时调节现场测站工作环境温湿度,保证测站全天候可靠工作。该监控
22、系统可方便地扩展功能,对远距离大范围控制和维护系统的开发具有借鉴意义。参考文献:1?孟蕾,陈文艺,宋焕生.嵌入式 TCP/I P实现的研究和分析.西安邮电学院学报,2004(1).2?缪秀娥.2?4GHz无线局域网技术及其山区应用工程.光学精密工程,2002(1).3?SHT1x/SHT7x Relative Hum idity&Temperature Sensor System.Sensirion Inc,2005.4?RTL8019AS Datasheet.Realtek Sem iconductorCorp,2005.5?STEVENSW R.TCP/IP详解卷 1:协议.范建华译.北京:机械工业出版社,2000.6?WR I GHT G R,STEVENS W R.TCP/IP详解卷 2:协议.陆雪莹译.北京:机械工业出版社,2000.作者简介:张星(1980#),硕士研究生。研究方向为网络通信,自动控制系统。E?mai:l victorlionwen