广播发射台物联网应用系统的设计

李树栋 刘婕

（国家新闻出版广电总局763台）

[摘要]：本文介绍了用AVR单片机和以太网组建的发射台物联网应用系统，此系统可实现远程设备的实时监测和控制, 并且可以方便的用浏览器完成相关数据的查询等操作。文章还介绍了系统的结构和工作原理，提供了Atmega128单片机和RTL8019AS以太网控制器组成的硬件电路图，并介绍了NUT/OS实时操作系统和 RTL8019AS的特点。介绍了基于51单片机的智能终端系统，以及51单片机与 KingView的通讯格式和通讯设置，通过实践证明，系统能够满足对设备和室内环境的监测和控制，如发射机等设备重要部件及区域的温度监测，冷却风机的自动控制，水冷设备的水温监测、漏水监测,设备的打火监测，备件库房红外线加热灯的光强自动控制，室内温度、湿度和光强监测、通风百叶窗的旋转角度控制等。[关键词]：广播发射台 物联网NUT/OSKingView

1 前言

1.1物联网简介随着科技的发展，计算机电子技术迅猛发展，但是采用PC进行网络数据传送，由于成本高,限制了应用的范围。而物联网却越来越受到人们的靑睐。它釆用嵌入式微处理器，支持TCP/IP协议，已成为网络发展新阶段的标志。物联网是建立在互联网之上的，是互联网的拓展和延伸。其用户端可以实现物品与物品之间进行通信和数据交换。物联网广泛应用了各种感知技术。通过部署众多的传感器，不但能够完成数据的采集、处理和传输，还具有智能处理能力，可以根据条件的改变自动完成物体的控制。

1.2设计内容

本设计采用AVR单片机为控制器，结合以太网控制芯片RTL8019AS组成发射台物联网应用系统，以KingView作为上位机软件对数据进行采集，采用UTP接口与以太网相连，实现智能终端采集的数据与Internet网络上的数据进行互传，通过IE浏览器访问此系统，可以实现用户权限配置、密码设置，网内设备手动、自动方式的启动与停止，设备的运行情况测控等操作。

2 系统总体方案设计

系统总体方案设计分为三个部分：智能终端设计；物联网系统设计；KingView数据采集设计。2.1智能终端设计智能终端的功能主要是实现对设备及室内环境参数进行采集，并进行相应的控制操作。本部分是以STC89C52RC单片机为控制芯片，采用DS18B20温度传感器来采集温度参数；利用光敏电阻在太阳光的照射下阻值迅速减少的特性制成的传感器来对室内光线进行采集，输出的电压值经逐次比较型单片集成A/D转换器ADC0804进行模数转换，通过读取单片机引脚相应的高低电平，来得到数据，从而达到获取室内光强的目的。通过ULN2003驱动芯片控制步进电机对通风百叶窗的旋转角度进行控制。如果在室内，终端上安装了红外一体化接收头，通过编程，可以用专用遥控器或者一般的电视机遥控器等来査询室内环境的参数以及对窗叶的控制。

智能终端的设计分为硬件设计和软件设计两部分。硬件部分主要是对环境变量的采集用到的传感器及显示装置，控制窗叶的步进电机，变频风机，红外接收装置等。涉及到传感器与单片机的接口电路设计、步进电机驱动以及AD转换等等。软件部分主要为温度传感器的驱动编写、AD转换程序、步进电机和变频风机驱动编写、红外解码程序编写以及LCD液晶显示程序的编写等等。系统框图如图2-1所示。

图2-1 智能终端系统框图

2.2 Atmega128物联网应用系统

物联网应用系统实现与Internet网络的数据通信主要是通过Atmegal28单片机作为桥梁来进行的。单片机中不仅要嵌入实时操作系统，还要完成对以太网接口硬件进行控制。接口硬件则利用RJ45接口完成与Internet网络的数据通信，其内部的物理层、数据链路层协议必须匹配。

本设计是基于Ethernut-4.10的http应用案例进行设计，通过设计嵌入式系统中的WEB页，通过浏览器来对智能终端采集的信号进行显示和对智能终端进行控制。Atmega128有双串口, UART0在仿真时接入了虚拟终端，用于显示网络连接情况以及IP地址的分配情况，UART1主要用于和智能终端进行通信,实现采集的数据和控制信号的传输等等。设计与调试主要分为以下几个方面：1.以太网控制器KTL8019的选择2.Nut/OS的安装与编译3.嵌入式系统中WEB页设计4.http服务程序设计5.编译设置6.系统安装调试系统框图如图2-2所示。

图2-2 物联网系统设计框图

2.3KingView对智能终端的控制及数据采集本部分采用KingView 6.55设计的组态画面，来对步进电机28BYJ-48进行控制，并在控制页面中显示当前电机旋转的角度。同时对各种监测参数以及光强进行实时采集，生成实时数据曲线，而历史数据可以在历史趋势曲线画面中进行査询。在KingView中除了要放置各种控件之外，还要对各个控件的地址进行设置，并且与单片机中的地址相对应，单片机的数据地址对应着单片机程序中定义的变量。一个单片机下可定义很多变量，每个变量对应一个寄存器。KingView在和单片机进行通信时要遵循通信协议。相比HEX而言，ASCII开发比较简单，所以本部分采用ASCII传输协议编写了单片机程序。系统图如图2-3所示。

图2-3 KingView控制系统框图

3 主要硬件电路设计

3.1智能终端硬件电路设计3.1.1晶振振荡电路及复位电路1.晶振振荡电路单片机芯片中的高增益反相放大器，其输入端为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。将这两端在芯片外的管脚上并接石英晶体振荡器和两只电容器（通常取30pF)，来形成自激振荡器，这样单片机的放大器就具有了正反馈和振荡应当满足的相移条件。

2.复位电路

复位电路用于产生复位信号，是单片机系统中不可或缺的部分。它通过RST引脚送到单片机的第9脚，启动复位操作。单片机工作的可靠性受复位电路的影响很大。复位方式有两种：手动和加电复位。加电复位是指通过专用电路产生复位信号。它是系统的原始复位方式，发生在开机加电时，是系统自动完成的。加电复位是基本的、任何单片机系统都具有的功能。而手动复位也应通过专用电路实现。在单片机系统中，手动复位是必须具有的功能。在调试或运行程序时，若遇到死机、死循环等情况，手动复位是摆脱这种局面的最常用的方法。这时，手动复位所完成的是一次重新启动操作。但一般在具体的设计中，二者通常结合在一起，形成一个既能加电复位又能手动复位的公用复位电路。本设计中采用手动复位。3.1.2光强采集及AD转换电路

光强采集电路由光敏电阻和一个1K电阻组成，然后取光敏电阻两端电压接A/D转换器ADC0804。ADC0804的DO至D7脚与单片机AT89S52的P1 口相接。在本设计中Vref/2接一个0-10K电位器作为A/D转换器ADC0804的调节输入电压，从而一定程度上调整测量精确度。如图3-1所示。

图3-1 光强采集及AD转换电路

3.1.3串口通信电路采集的光强信号参数经A/D转换后，在单片机中进行处理。MAX232的第7脚T2OUT接单片机TXD端P3.1发送数据，第8脚R2IN接单片机RXD端P3.0接收数据。TTL电平从单片机的TXD端发出，经过MAX232转换为RS-232电平后从MAX232的14脚T1OUT发出，连接至PC机的串口座的第2脚RXD端，至此计算机接收到数据。MAX232的13脚连接PC 机串口座的第3脚TXD端,PC机发送数据。串口通信电路如图3-2所示。

图3-2串口通信电路

3.1.4步进电机驱动电路

在Proteus中，选择motor-stepper，这是四相步进电机，六个端子，其中两个公共端与ULN2003A的COM端相连接，并且一同连接到+5V电源上，ULN2003的ABCD四相与P2 口相连接。具体接线如图3-3所示。

图3-3 步进电机驱动电路

3.1.5液晶驱动电路

液晶显示电路主要由YJD1602A-1组成，其中DO-D7连接至单片机的P1口，其中命令选择端RS连接到P3.6,读写选择端连接至P3.7，使能端连接到P2.7。

3.1.6智能终端系统主要部分电路图

主要由温度采集电路、光强采集电路、步进电机驱动电路、液晶显示屏驱动电路、红外接收电路、晶振电路、复位电路、AD转换电路、串口通信电路等组成。如图3-4所示。

图3-4智能终端系统主要部分电路图

3.2物联网应用系统硬件设计

Atmegal28的数据总线ADO至AD7与RTL8019AS数据总线SD0至SD7对应相连接，RTL8019AS的AD8至AD15浮空不使用。RTL8019AS的SA0至SA4 分别连接到经74HC573锁存的51单片机的A0至A4地址总线上，SA5至SA7接地，SA8至SA9 接高电平端，SA10至SA19接地，RTL8019AS的I/0地址为300H。

当访问外部RAM或I/0接口时，单片机通过PA 口和PC 口输出地址信息，ALE输出地址锁存信号，WR、RD输出读写控制信息，通过PA 口传输数据。因此，系统的数据总线由PA 口提供，标号为D0-D7，系统的地址总线由PC 口和锁存器的输出00-07提供，标号为A0-A15。

RTL8019AS中断输出为INTO至INT7,它们对应着IRQ2/9、IRQ3、IRQ4、mQ5、IRQ10、IRQ11、IRQ12和IRQ15,因为中断请求选择引脚IRQS0、IRQS1、IRQS2的关系，所以这里选择了INT0。同时因为IRQS0、IRQS1、IRQS2都是悬空状态，使得INT0(IRQ2/9)是中断输出引脚，中断输出引脚与 IRQS0至IRQS2的对应关系如表3- 1所示。

表3-1中断输出引脚与IRQS0-IRQS2对应关系表

RTL8019AS的R与Atmega128的复位引脚直接相连,引脚I0CS16B接到GND,但是中间要串联一个27K的电阻，SMEMWB和SMEMRB与电源VCC相连。JP选择跳线方式，并且将其接到电源VCC上。

RTL8019AS的C0NFIG3配置寄存器控制着LED1和LED2的亮灭，这样通过这两个二极管的状态就可以了解RTL8019AS的工作情况。

4 软件主要部分设计

4.1智能终端软件设计

4.1.1 AD转换程序

1. 复位中断触发信号A/D转换前通常要对此触发信号进行复位，因为它的出现，表明A/D转换已经结束，后面接的单片机可以读取转换结果了。所以复位该信号，才可以开始新的转换。根据ADC0804的工作时序图，当片选信号CS=0时，复位该信号的方法是通过取样“读”信号的下降沿来实现的。2. 启动ADC0804的A/D转换根据ADC0804时序图,当ADC0804的片选信号CS=0时，并且通过检测到一个上升沿信号出现在引脚上时，就可以开始A/D转换了。3. 读取转换结果

当A/D转换完成后，单片机的外部中断引脚将收到ADC0804发出的一个脉冲信号,此信号引起单片机中断，并在中断处理程序中读取转换结果。在读取结果时，必须在RD为低电平期间读取相应的数据。

4.1.2串口发送与接收程序

89C52的串行口虽然是既能实现同步通信,又能实现异步通信的全双工串行口，但在单片机的串行数据通信中，最常用的是异步方式，通常写为UART。在发送数裾时只需要将需要发送的数据放在发送寄存器SBUF中，将被单片机自动从TXD引脚发送出去。接收数据采用中断方式接收，同样也是在SBUF接收状态下从RXD引脚接收到数据。在通信过程中,一旦SUBF (TX)变空，或SUBF (RX)变满,便向CPU发出中断请求。

串口发送程序如下：

4.2物联网应用系统软件设计

在设计开发中，实时操作系统把原始应用程序分割为若干个独立的线程，这样一来简化了应用程序，如果要增加新的功能、改变设计结构将变得异常便捷。本设计采用了NUT/0S实时操作系统，作为开源软件，在使用中不需要支付任何费用，有利于降低产品的生产成本。NUT/OS提供I/0管理功能，包含了大多数应用所需的I/0接口API函数，如文件管理系统，串行通信驱动，网络驱动、声音驱动和显示驱动等。4.2.1嵌入式中的WEB页设计在程序设计之前，要先设计出将存放于Atmegal28单片机中的WEB页文件，这些文件通过网页设计工具DreamWeaver设计，先存放于http/web_file下。下面是该文件夹中的部分相关文件：index.html——首页文件，由框架topp与框架main构成框架集页面；topp.html——topp中的页面文件，显示标题及所有操作链接等；main.html——初始时显示在主框架中的页面文件；setpassword.html——设置admin用户密码的页面文件；control——步进电机、冷却风机等的控制页面；indoor_status——返回温度、光强、打火、漏水、当前步进电机角度等状态的页面。4.2.2 HTTP服务程序设计对于静态页面的返回，C程序中不需要单独提供动态生成响应页面的函数，NUT/OS会自动响应并返回客户端单击链接所请求的html页面。本程序设计的要点在于动态页面的返回；单片机程序对带参数链接的处理；对所传送过来的表单数据的处理。温度、光强和角度的监控画面如图4-1所示。

图4-1 温度、光强、角度状态页面

5 结束语

系统正式运行后，可以实时对发射机等设备及机房室内环境的温度、湿度，是否发生打火、漏水，光强等进行监测和调节。在系统运行稳定后，可以增加更多适合广播发射台的功能，如将安全播出系统、自台监测系统、备品备件系统、节能系统、消防系统、安防系统等接入此物联网中，创建更加安全、高效、智能化的广播发射台。

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编辑：中国新闻技术工作者联合会