單片機(jī)嵌入式Internet技術(shù)的Web應(yīng)用實(shí)現(xiàn)*

高小能，王馀鵬，郭志飛

(浙江萬里學(xué)院 電子信息學(xué)院，浙江 寧波 315100)

嵌入式Internet是指電子設(shè)備通過嵌入式模塊而非PC直接接入到Internet，與Internet進(jìn)行信息交互的過程。目前Internet成為全球最大、信息最豐富的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。用戶甚至希望家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制等設(shè)備也能夠連接到Internet上，因?yàn)檫@意味著用戶可以方便、快捷、低廉地通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測和信息傳送。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家預(yù)測，未來將會產(chǎn)生比PC時代多成百上千倍的超級嵌入式Internet服務(wù)器。Internet技術(shù)和嵌入式技術(shù)的相互融合，為嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇。

1 單片機(jī)嵌入式Web應(yīng)用的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，本文采用了ATMEL公司開發(fā)的高性能8位AVR(Advanced RISC)單片機(jī)AT90S8515，該單片機(jī)內(nèi)置8 KB可編程Flash，使用精簡指令集，支持C語言及匯編語言，與MCS 8051系列單片機(jī)相比在性能上有很大的提高，在目前單片機(jī)開發(fā)中用得較多。因此利用AT90S8515單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器，通過網(wǎng)絡(luò)控制芯片將嵌入式系統(tǒng)與Internet相連接。其硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件連接圖

在電路的硬件系統(tǒng)組成中，注意以下幾點(diǎn)：

(1)單片機(jī)與網(wǎng)卡芯片的接口電路

AT90S8515單片機(jī)所提供的8位數(shù)據(jù)總線PA0～PA7分別對應(yīng)連接網(wǎng)卡的 SD0～SD7引腳；5根地址線 PC0～PC4對應(yīng)連接網(wǎng)卡的SA0～SA4引腳；讀信號線RD、寫信號線WR與RTL8019AS的相應(yīng)信號線連接[1]。復(fù)位通過PB0控制，PB1片選地址使能[2]。外接時鐘電路單片機(jī)為8 MHz，網(wǎng)卡芯片為 20 MHz。

(2)存儲器擴(kuò)展電路

一般單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器容量為64 KB，這樣的存儲空間在進(jìn)行單片機(jī)Web應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)時顯得過小。因此需要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器，擴(kuò)展容量隨系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用量而定。對于Web應(yīng)用，需要很大的存儲空間存放網(wǎng)頁等數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)采用靜態(tài)RAM HM62256芯片作為存儲器擴(kuò)展電路。

(3)RTL8019AS工作方式

RTL8019AS有3種工作方式：跳線方式、即插即用方式和RT免跳線方式[1]。在嵌入式應(yīng)用場合，為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，單片機(jī)盡量少接不必要的芯片。所以將RTL8019AS選擇工作在跳線方式。其IOCS16B引腳接下拉電阻，JP引腳端接高電平。

(4)MAX232串口電平轉(zhuǎn)換電路

在現(xiàn)場控制端，由于單片機(jī)輸出為TTL電平，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如傳感器)輸出為 EIA電平，而 MAX232芯片可以完成單片機(jī)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間的雙向電平轉(zhuǎn)換[3]。

(5)網(wǎng)絡(luò)隔離濾波接口電路

在網(wǎng)絡(luò)接入端需要一個網(wǎng)絡(luò)隔離濾波器HR901170A。HR901170A主要對系統(tǒng)電路起保護(hù)作用，減少信號共模干擾，完成信號的傳輸。HR901170A的內(nèi)部集成了RJ45接口，可以直接接入到Internet。

2 嵌入式Internet的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)

2.1 嵌入式TCP/IP協(xié)議

軟件編程是實(shí)現(xiàn)嵌入式Web系統(tǒng)的關(guān)鍵。Web通信中的數(shù)據(jù)封裝、解析都是由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。軟件實(shí)現(xiàn)主要包括兩部分：一是單片機(jī)精簡TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，對數(shù)據(jù)的逐層打包、封幀、傳送等流程[2]；二是單片機(jī)Web應(yīng)用服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

由單片機(jī)組成的嵌入式Web往往應(yīng)用于特殊的、專用的領(lǐng)域，一般不需要太多的功能，這與PC機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用有很大的不同。支持PC機(jī)進(jìn)行Internet通信的TCP/IP協(xié)議是一個非常龐大的協(xié)議簇。而單片機(jī)芯片沒有足夠的空間資源，所以從嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和單片機(jī)空間資源兩個方面考慮，都沒有必要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議。目前市場上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet的TCP/IP協(xié)議軟件，需要開發(fā)人員根據(jù)具體應(yīng)用的需要去開發(fā)一套適用于單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議，工作量異常龐大，開發(fā)周期較長。一種比較簡單和易實(shí)現(xiàn)的做法是使用由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels等開發(fā)的免費(fèi)公開源代碼的小型TCP/IP協(xié)議，即uIP協(xié)議棧，它專門為8位和16位單片機(jī)編寫。uIP的代碼大小為3 304 B，對單片機(jī)RAM的需求為360 B，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TCP/IP協(xié)議對資源的要求。有關(guān)uIP詳述和應(yīng)用例程可見參考文獻(xiàn)[4]。

2.2 uIP驅(qū)動底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備RTL8019AS

uIP是一個僅包含3層網(wǎng)絡(luò)層核心協(xié)議的協(xié)議棧，uIP自身不包含任何類型的底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動和上層應(yīng)用程序，它只提供接口函數(shù)供用戶開發(fā)使用。因此為了完成與底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交互，用戶必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型，在uIP中自行實(shí)現(xiàn)對底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動。本文采用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是RTL8019AS網(wǎng)卡，因此需要在uIP中實(shí)現(xiàn)對RTL8019AS網(wǎng)卡的驅(qū)動[4]。

RTL8019AS驅(qū)動程序包括：RTL8019AS芯片初始化、芯片復(fù)位以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。RTL8019AS芯片初始化可以通過初始化函數(shù)void init_8019(void)完成。芯片復(fù)位通過芯片上的RSTDRV引腳執(zhí)行復(fù)位操作，該引腳高電平有效。

3 單片機(jī)上嵌入式Web服務(wù)器的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 Web服務(wù)器的建立

在進(jìn)行以上的工作之后，用戶就可以建立Web服務(wù)器，通過uIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同的微控制器或工作站之間的通信。Web服務(wù)器和客戶端瀏覽器間的通信采用HTTP協(xié)議。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常需要根據(jù)用戶的指令，采集系統(tǒng)的當(dāng)前數(shù)據(jù)信息傳送給客戶端瀏覽器，為實(shí)現(xiàn)這種客戶端瀏覽器和Web服務(wù)器的動態(tài)交互，需要在服務(wù)器端采用通用網(wǎng)關(guān)接口CGI(Common Gateway Interface)技術(shù)。CGI是一個在服務(wù)器上運(yùn)行的程序，它分析處理用戶發(fā)送到服務(wù)器上的數(shù)據(jù)信息，完成動態(tài)文件資源的創(chuàng)建和處理，再將用戶信息返回給客戶端。

Web服務(wù)器初始化完成后，服務(wù)器等待客戶端的連接請求，客戶端瀏覽器輸入服務(wù)器的IP地址后發(fā)一個物理地址解析協(xié)議(ARP)請求包，服務(wù)器收到后進(jìn)行應(yīng)答?？蛻舳耸盏綉?yīng)答包后發(fā)送超文本傳輸協(xié)議(HTTP)包，服務(wù)器收到HTTP包后開始建立與客戶端的TCP連接并作出對此包的響應(yīng)?？蛻舳耸盏巾憫?yīng)包后即斷開連接，服務(wù)器偵測到客戶端斷開了連接也同時斷開連接。

3.2 Web服務(wù)器數(shù)據(jù)處理流程

當(dāng)系統(tǒng)的網(wǎng)卡接收到從網(wǎng)絡(luò)傳送來的數(shù)據(jù)包后，首先分析目的地址是否與自己的物理地址一致，如果不一致，則丟棄此包；如果一致，則讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并分析。如果是ARP請求包，則轉(zhuǎn)入ARP處理程序，并發(fā)送一個ARP應(yīng)答包給客戶端。如果是IP包，則交由IP層處理，同時去掉以太網(wǎng)首部[4-5]。IP層根據(jù)IP首部的協(xié)議字段分析該IP包屬于什么數(shù)據(jù)包，如果是UDP包則，丟棄；如果是ICMP請求包，則發(fā)送一個ICMP應(yīng)答包給客戶端；如果是TCP包且IP地址和端口號正確，則接收數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過串口輸出，控制MAX232現(xiàn)場設(shè)備。反之，如果現(xiàn)場通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)按照TCP協(xié)議格式打包，送入RTL8019AS，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)發(fā)送到局域網(wǎng)中。根據(jù)需要還可以在收到串口數(shù)據(jù)時，先完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，再將處理好的數(shù)據(jù)送到局域網(wǎng)。具體的處理過程如圖2所示。

圖2 Web服務(wù)器數(shù)據(jù)處理過程

3.3 單片機(jī)上的Web服務(wù)器編程

uIP協(xié)議棧提供了一個稱為宏的UIP_APPCALL的應(yīng)用程序接口供用戶設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時使用[4]。要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)Web Server服務(wù)，首先將該宏定義為一個應(yīng)用程序函數(shù)名，然后在此函數(shù)中實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。完成后，用戶可以從局域網(wǎng)內(nèi)的任何客戶機(jī)訪問該單片機(jī)Web服務(wù)器。如果分配一個公網(wǎng)IP地址，則也可以從Internet上訪問此Web服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)的程序如下：

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成功應(yīng)用在寧波市某商業(yè)廣場的地下停車場監(jiān)測系統(tǒng)中。由于該商業(yè)廣場停車場業(yè)務(wù)量較大，常常導(dǎo)致車位飽和而客戶不知道的情形下進(jìn)入停車場尋找車位，而該停車場規(guī)定進(jìn)入停車場超過15 min的車輛即開始收費(fèi)。導(dǎo)致客戶常常尋找超過規(guī)定的時間而仍未找到停車位但需付費(fèi)，從而發(fā)生客戶和管理方之間的糾紛，影響商業(yè)廣場的整體形象。使用了該系統(tǒng)后，各個車位上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時采集停車信息并反饋給系統(tǒng)。系統(tǒng)在停車場入口處顯示停車場當(dāng)前有無可停車位以及哪些區(qū)域有空閑車位等信息。如果車位已滿，將會顯示無可停車位。除此之外，管理人員還可通過客戶端進(jìn)行查詢、計(jì)時計(jì)費(fèi)等工作。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)費(fèi)用低廉且操作簡單。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，客戶端使用普通的Web瀏覽器，通過Internet即可與單片機(jī)嵌入式Web應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信?？蛻舳藶g覽器不需要開發(fā)額外的軟件，也不需要瀏覽器支持特別的功能?？蛻舳丝赏ㄟ^訪問嵌入式Web服務(wù)器的網(wǎng)頁內(nèi)容與之進(jìn)行交互。嵌入式Web與現(xiàn)場控制接口互連，可實(shí)現(xiàn)對被控設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制、診斷、管理及維護(hù)等。嵌入式技術(shù)和Internet技術(shù)的相互融合，加速了電子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用趨勢。應(yīng)用單片機(jī)作為嵌入式Internet技術(shù)的硬件設(shè)備可以降低系統(tǒng)的成本。本文設(shè)計(jì)的嵌入式Web系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求，稍加修改即可應(yīng)用在智能家電、智能建筑、儀器儀表、通訊產(chǎn)品、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域。

[1]李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[2]求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[3]華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心.嵌入式Linux C編程入門[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[4]uIP協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn).http://dunkels.com/adam/uip/.2010.

[5]羅鈺.深入淺出 Linux TCP/IP協(xié)議棧[M].北京:人民郵電出版社，2008.