3 主控系統

　　在該系統中，控制主機作為連接Internet網和無線傳感器網絡之間的協議轉換網關。其硬件采用致遠電子公司MiniARM嵌入式工控模塊。 MiniISA系列采集板卡采用智能型板卡結構，即在板卡上內置MCU。板載MCU對板卡上I／O端口進行控制，實現I／O數據的緩存，從而降低板卡對于 MiniISA接口主機的依賴，節省主機處理數據的時間，保證MiniISA系統更加高效的運行。此外板載MCU可以對采集的數據或者輸出數據進行進一步的處理。系統電路圖如圖4所示。

　　3.1 MiniISA-8016A數字量輸入繼電器輸出板卡

　　MiniISA-8016A是一款用于MiniISA總線的繼電器輸出和隔離數字量輸入卡，該卡提供8路隔離數字量輸入，在噪聲環境下為采集數字量提供1 500 VDC的隔離保護；它帶有8個繼電器，可以用作開／關控制設備或小型電力開關；此外它還帶有2個可由用戶自定義的隔離脈寬調制PWM輸出。

　　3.2 MiniISA-GMT05001人機界面板卡

　　MiniISA-GMT05001是一款基于MiniISA總線的人機界面板卡，適用于任何具有MiniISA總線主控電路的底板上。

　　采用5.7英寸、分辨率為320×240的單色屏，支持觸摸屏操作功能，提供了六個按鍵輸入。通過操作MiniISA總線完成相應的顯示和按鍵功能。

　　3.3 MiniISA GPRS無線數傳設備MiniISA-WG23

　　MiniISA-WG23是基于GPRS網絡的智能型無線數傳設備（DTU），具有MiniISA并行接口，能夠方便地嵌入到用戶的設備中，提供透明的數據傳輸功能，可以方便地實現無線的數據傳輸。

　　4 遠程控制系統

　　遠程控制系統主要設計GPRS通信系統、GPRS與Internet網絡接入系統、監控中心主機友好界面顯示控制系統。這一部分硬件部分可以應用現有的移動公司與電信等互聯網資源，軟件考慮成本和專業功能可以自主開發，建議應用現有遠程軟件，如《波爾遠程控制》軟件、湖南省遠程監控設備有限公司的 RC-2000可視化遠程控制軟件系統。

　　5 水泵電機驅動電路

　　考慮強電弱電隔離作用，水泵供電系統可以考慮與整個系統分開設計。利用系統板上的繼電器控制電機電源即可實現，電路如圖5所示。

　　6 系統軟件設計

　　系統軟件包括兩大部分：傳感器網絡接點系統程序與主機控制系統程序。

　　6.1 采集系統程序

　　無線傳感器網絡節點系統程序由主程序、數據采集子程序、與上位機通信的子程序等部分組成。這里介紹主程序的設計框圖。

　　6.2 通信協議研究

　　上位PC機作為控制中心必須具備網絡喚醒、數據處理、路由維護功能。C++Builder、Delphi和微軟的Visual Basic都是可選的快速開發工具。上層軟件功能由Delphi實現，考慮到點對點通信的可靠性，數據在底層無線傳輸中需要增加必要的協議規范。設計中對有效數據進行打包，格式為：前導碼、地址、有效數據載荷、校驗碼。

　　6.2.1 串口通信格式

　　上位機與模塊間的通信是通過異步串口來完成的。異步串口采用標準的串口格式，即1個起始位、8個數據位和1個停止位，傳輸速率為1 200 b／s。上位機與模塊間的通信內容有兩類，一類是數據，一類是命令。

　　6.2.2 數據及命令的區分

　　當上位機向模塊傳送信息時，DTR端的功能是指示串口信息的性質。若串口信息為命令，DTR端應置為邏輯“0”，若串口信息為數據，則DTR端應置為邏輯“1”。

　　當模塊向上位機傳送信息時，DSR端可用來指示串口信息的性質，若串口信息為命令，DSR端為邏輯“0”，若串口信息為數據，DSR端為邏輯“1”。當模塊串口無數據發出時，DSR端的功能可指示模塊是否可以接收上位機的信息，當模塊準備好，可以接收上位機的信息時，此端為邏輯“0”；當模塊不能接收計算機的數據時，此端為邏輯“1”。

　　6.2.3 命令和數據傳送格式

　　SA68D21DL的命令傳送格式為：

　　D7H 命令碼H 參數H

　　其中，D7H為命令碼的特征碼，即字頭。命令碼為一字節長度，代表命令的性質。不同的命令碼有不同的參數，模塊在收到命令后，將根據命令碼的不同，分析參數并執行命令。對于有些需要發送信令的命令，模塊將根據命令的性質來發送相應的信令。當SA68D21DL在進行數據傳送時，不論是上位機傳給模塊，還是模塊傳給上位機的數據，都采用無格式傳送方式。

　　基于農田實際工程，采用平面路由協議DD（Directed Diffusion）定向擴散路由是一種以數據為中心的信息傳播協議，與已有的路由算法有著截然不同的實現機制，運行DD的傳感器節點使用基于屬性的命名機制來描述數據，并通過向所有節點發送對某個命名數據的INTEREST（任務描述符）來完成數據收集。在傳播INTEREST的過程中，指定范圍內的節點利用緩存機制動態維護接收數據的屬性及指向信息源的梯度矢量等信息，同時激活傳感器來采集與該INTEREST相匹配的信息。節點對采集的信息進行簡單的預處理后，利用本地化規則和加強算法建立一條到達目的節點的最佳路徑。

　　6.3 主控軟件程序設計

　　系統軟件采用分層設計，包括硬件設備驅動層、操作系統層、應用程序接口層和應用軟件層。軟件系統結構如圖7所示。操作系統選擇小型的實時操作系統 μC／OS-II是基于以下考慮：廣州致遠公司MiniARM嵌入式工控模塊提供正版μC／OS-II實時操作系統在內的豐富軟件資源，完整的軟硬件架構只需專注于編寫產品的應用程序。幾行代碼即可實現TCP／IP通信、CAN-BUS現場總線通信、USB通信和大容量存儲等復雜功能，使嵌入式系統設計更加簡潔方便。TCP／IP協議分為4層：鏈路層（ARP協議）、網絡層（IP協議、ICMP協議）、傳輸層（TCP協議、UDP協議）、應用層（HTTP 協議）。本系統的TCP／IP協議棧選擇UIP1.0。

　　7 結語

　　本文研究了基于嵌入式系統而設計出來的智能廣域農田供水系統，當檢測到農田缺水信息時能夠通過自動控制繼電器來啟動供水水泵，而且實現了遠程GPRS 通信，可以通過PC機來了解系統的運行狀況并可對其控制，能夠自動采集土壤信息來自行確定是否啟動水泵為農田供水，這正符合我國農村的基本國情。

　　本系統操作簡單，對系統改造一下，可以設計成庭院自動供水系統、溫室自動供水系統和花園自動供水系統等，故本系統的可擴展性比較好，前景比較廣闊。