基于以太網的農業環境無紙記錄儀軟硬件設計*

孫 濱 ， 周育輝

（1.泰山職業技術學院，山東 泰安 271000；2.江西生物科技職業學院，江西 南昌 330200）

0 引言

記錄儀是智慧農業現場經常使用的一種實時數據記錄、過程監測和數據分析的常用設備，對于智慧農業的環境檢測及后期數據分析具有十分重要的作用。早期的機械式記錄儀效率低下，既無法適應現在智慧農業測量數據的大容量、實時查看、直觀分析、圖標顯示、遠程傳送的要求[1]，也無法作為智慧農業現場控制網絡的一個節點使用。隨著智慧農業現場測量技術的發展，智慧農業對環境數據的測量和處理要求記錄儀具有智能化、自動化、網絡化、遠程化等特點。

基于智慧農業現場控制的要求，設計了一款基于以太網接口的無紙實時記錄儀，該記錄儀可以實時在線記錄現場數據，并可以通過以太網通信方式與上位機進行通信，與上位機進行雙向信息傳送。無紙記錄儀與農業環境傳感器等組成測量系統，可完成各個被測量數據的實時采集與記錄。本設計使用STM32 作為主控制器，配合鐵電存儲器、USB 接口電路、AD 傳感器、以太網接口，使記錄儀具備大容量存儲，實時數據記錄、查詢，以太網通信功能，并具有多種顯示界面可切換，實現了友好的人機界面設計。

1 系統總體設計

無紙記錄儀總體結構框圖如圖1 所示，主要包括以STM32 為核心的現場控制采集電路和上位機[2]。現場控制采集模塊主要由電源電路、內部存儲電路、5 mA～10 mA 信號采集電路、隔離輸出4 mA～20 mA電路、USB 接口電路、以太網接口電路、儀表溫度控制電路、顯示觸摸電路組成。

圖1 無紙記錄儀總體結構框圖

系統上電工作時，初始化后系統首先完成中斷向量表的建立，完成堆棧設置、時鐘選擇，開始執行用戶代碼。如果沒有接收到上位機的新的控制命令和參數設置要求，則按照上次的設置或默認設置開始工作。系統上電完成后將溫度等相關變送器生成的5 mA～10 mA 測量信號送入AD 轉換器，并通過STM32 控制器進行數據處理，保存在存儲器FM25CL64 中。如果采集的數據量非常多超過本機存儲容量，可以通過U 盤讀取數據進行備份，或通過以太網遠程上傳到上位機[3]。

2 系統硬件電路設計

2.1 大容量數據快速存儲電路

現場數據的實時存儲可以方便后續的數據處理及分析，常規的存儲方式是將數據存放在EEPROM中，但是常規的EEPROM 存在一定的缺點，隨著擦寫次數的增加，擦寫速度降低，并且存在最大擦寫次數的限制。在本設計中采用FRAM 來進行數據的存儲。FRAM 具有存儲速度快、掉電后數據立即保存、讀寫時需要的功耗低等優點[4]，并且不存在如EEPROM 的最大寫入次數問題。根據實際需要，選用了FM25CL64B（存儲容量8 kB*8 bit），FM25CL64鐵電存儲器接口電路如圖2所示。

圖2 FM25CL64 鐵電存儲器接口電路

2.2 CH376 USB接口電路

本記錄儀可以把采集的數據存儲到常規的U 盤中。常規情況下，嵌入式系統在進行USB 讀寫數據時，需要用戶熟悉USB 相關的底層協議，編寫相關的驅動程序[5]。為提高系統開發進度，避免復雜的驅動程序編寫，系統設計時采用了一種集成USB 讀寫固件的芯片方案CH376T。CH376T 內置了讀寫U 盤和SD 卡中文件的相關函數，用戶只需要在應用代碼中調用固件中的函數即可。CH376T 與控制器進行連接時有8 位并行接口、SPI 接口、異步串口等多種方式[6]，為節省控制器引腳使用，本設計中的CH376T與控制器之間采用SPI 接口，CH376T 接口電路如圖3 所示。

圖3 CH376T接口電路

2.3 隔離電流5 mA～10 mA采集電路

本設計中5 mA～10 mA 電流通過前端電路中的R48、R49、R47、R51 變成差分電壓信號，然后送入AMC1200 全差分隔離放大器進行隔離放大，再送入精密儀器運放INA333 進行電壓放大后輸出電壓VOUT，最后送入控制器的AD 轉換器進行模數轉換。隔離電流5 mA～10 mA采集電路如圖4所示。

圖4 隔離電流5 mA～10 mA 采集電路

2.4 隔離485電路及抗干擾電路設計

系統設計采用ADI 的ADM2582E 方案，體積更小，屬于芯片級，在其芯片內部集成了隔離電源，便于應用。經過實際測試，采用ADM2582E 的隔離485通信電路在距離1 km 時誤碼率比較低，能夠滿足智慧農業現場通信需求。同時為提高485 通信電路傳輸數據的抗干擾能力，在傳輸線路上設計了瞬態抑制二極管、高壓放電管。隔離485 電路如圖5 所示，抗干擾電路如圖6所示。

圖5 隔離485電路

圖6 抗干擾電路

2.5 以太網接口電路

本設計中測量系統需要接收上位機發送的遠程控制命令并上傳測量數據。在智慧農業現場的測量環境中，電磁環境比較惡劣，常規的RS232 串口通信在性能上不能滿足需要。本設計中上位機與記錄儀之間采用以太網連接方式進行遠程網絡通信[2]，利用了以太網通信的高傳輸速度、適應惡劣環境、電路簡單可靠的優點。傳統的以太網接入方式往往采用主控制器連接物理層接口芯片（如DM9000A），在主控CPU 中嵌入以太網通信協議的方式。這種方式需要編寫煩瑣的網絡協議程序，并且要耗費大量的時間進行調試，難以實現系統的快速開發和穩定運行，更不利于系統的更新升級[7]。本文設計的通信電路采用CH395 以太網芯片，CH395 芯片自帶10/100M 以太網介質傳輸層（MAC）和物理層（PHY），完全兼容IEEE802.3 10/100M 協議[8]，芯片內部已經固化了常用的以太網協議棧，因此利用CH395 單片機系統實現以太網通信非常便捷，避免了復雜的協議棧移植，非常適合嵌入式系統開發人員使用。CH395 核心電路如圖7 所示，CH395 接口電路如圖8 所示。

3 系統軟件設計

本記錄儀的軟件設計主要包括以太網通信、USB讀寫文件、系統在線升級程序等。

3.1 以太網通信程序

本記錄儀進行網絡通信時采用了TCP/IP 協議，使用C/S 模式[9]。在進行以太網通信時，無紙記錄儀工作在Server 模式，上位機工作在Client 模式。工作過程中首先由無紙記錄儀等待上位機（客戶端）發起連接要求，記錄儀接收到上位機的請求連接要求后，兩者建立連接，然后按照通信流程進行數據傳輸[10]，以太網通信流程如圖9所示。

圖9 以太網通信流程

3.2 USB讀寫文件程序

本設計中的USB 通信電路采用了CH376 集成芯片。CH376 支持多種USB 通信方式，內部已經固化有相應的通信協議和文件系統[11]，CH376 內部以命令的形式提供了USB 移動存儲設備的文件級接口，可方便地移植到各種嵌入式系統中，其主要程序流程如圖10所示。

圖10 USB讀寫文件流程圖

3.3 U盤升級固件程序

系統設計完成投入使用后，在設備運行過程中，由于用戶需求的改變或者系統軟件設計有問題，就需要進行系統軟件升級，一般的客戶自行升級程序比較困難，為解決這一難題，采用了通過U 盤進行系統固件升級的方法。通過U 盤進行系統固件升級，基本思路是寫一段引導代碼，把代碼起始地址設置為0X8000000，大小設置64 K，它的主要功能是復制U盤或者通信中的數據寫入到起始地址為0X8010000的用戶程序區，將用戶程序覆蓋，固件升級基本流程如圖11所示。

圖11 固件升級流程圖

4 結語

課題組設計了一種基于以太網的智慧農業無紙記錄儀并進行了系統的硬件電路設計和軟件設計，系統以STM32 為核心，擴展了USB、以太網接口。上位機可以通過以太網接口將控制命令及采集參數下發至記錄儀，并控制各功能模塊完成數據測量功能。