基于以太網(wǎng)通信的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 梅， 馬富華， 李 鑫， 陳 薇

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

0 引言

21世紀(jì)是一個(gè)信息時(shí)代，一方面，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地在工業(yè)控制中應(yīng)用，并且越來(lái)越成熟；另一方面，web技術(shù)的快速發(fā)展為internet的發(fā)展創(chuàng)造了良好的發(fā)展航向?，F(xiàn)今的很多工業(yè)應(yīng)用已逐漸在向嵌入式web服務(wù)器方面機(jī)遇。

將嵌入式web技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，則可以更方便的在嵌入式控制系統(tǒng)中采用internet技術(shù)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控都通過(guò)internet來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這里介紹了基于dspic33f單片機(jī)和enc28j60以太網(wǎng)控制器的小型嵌入式web系統(tǒng)，將tcp/ip等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議嵌入到單片機(jī)系統(tǒng)，在應(yīng)用層使用http協(xié)議使嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)web服務(wù)器的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的控制器是dspic33f單片機(jī)，系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)接口模塊、電源模塊、復(fù)位電路、RS232通訊電路、模擬和開(kāi)關(guān)量電路等。dspic33f單片機(jī)的ADC模塊可以根據(jù)需要配置成10位/12位ADC模式。當(dāng)配置成10位工作模式時(shí)可同時(shí)采用4個(gè)模擬輸入引腳。同時(shí)，dspic33f系列單片機(jī)包含有RS232串口模塊，以及SPI接口，I2C接口等各種常用的接口，極大地滿足了不同接口的控制器接入的需求。系統(tǒng)硬件電路如圖1所示。

ENC28J60是美國(guó)微芯科技公司(Microchip Technology)推出的帶SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。該控制器引腳較少，只有28個(gè)。符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置lO Mb/s以太網(wǎng)物理層器件(PHY)及媒介接人控制器(MAC)，支持10-BASE-T，可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地接收、發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。并且它含有8 KB的可編程雙端口SRAM緩沖器，在減少主控單元負(fù)荷的同時(shí)進(jìn)行信息包的存儲(chǔ)、檢索等。

圖1 系統(tǒng)硬件電路

ENC28j60的工作電壓是3.3 V因此可通過(guò) SPI接口與dspic33f單片機(jī)直接相連而無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，它對(duì)SPI模式有特定的要求，要求SPI端口的SCK在空閑狀態(tài)時(shí)為低電平，在SCK的每個(gè)上升沿移入命令和數(shù)據(jù)。ENC28j60提供了7個(gè)SPI指令（RCR、RBM、WCR、WBM、BFS、BFC、SC），因此，enc所執(zhí)行的操作完全依據(jù)于主控制器通過(guò)SPI接口發(fā)出的命令。命令和數(shù)據(jù)通過(guò) SI引腳送入器件，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)[1]。以太網(wǎng)接口電路如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)接口電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用C編程包括系統(tǒng)的初始化、tcp/ip協(xié)議棧、tcp/ip協(xié)議棧的管理[2]、客戶端上位機(jī)的撰寫以及系統(tǒng)功能模塊的處理程序。其中，系統(tǒng)初始化程序主要用來(lái)初始化dspic33f單片機(jī)端口等,協(xié)議棧初始化是對(duì)tcp/ip協(xié)議的初始化，協(xié)議棧管理是對(duì)協(xié)議類型的判斷及管理。系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程

2.1 tcp/ip協(xié)議簡(jiǎn)介

為了使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程web監(jiān)控，必須在軟件中實(shí)現(xiàn)tcp/ip協(xié)議。tcp/ip是internet的核心協(xié)議，由于其體系結(jié)構(gòu)較OSI參考模型而言，由OSI的7層模型簡(jiǎn)化成了4層，正是由于該體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單實(shí)用，它被廣泛的應(yīng)用在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中，已經(jīng)成為事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。tcp/ip采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，從低到高分別是數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

2.2 tcp/ip協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

由于嵌入式系統(tǒng)的資源相對(duì)是非常有限的。所以必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的tcp/ip協(xié)議進(jìn)行剪裁[3]，以減小控制器的負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)web控制，故采用HTTP協(xié)議作為應(yīng)用層協(xié)議，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性以TCP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議。同時(shí)，還要使用IP、ICMP等協(xié)議以及用ARP實(shí)現(xiàn)IP地址與MAC地址的映射。通信流程如圖4所示。

圖4 TCP/IP通信流程

2.3 tcp/ip協(xié)議棧管理程序

由于tcp/ip協(xié)議有4層構(gòu)成，并且分層實(shí)現(xiàn)其功能，每一層都有自己特定的功能。因此，這里使用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行 tcp/ip協(xié)議棧程序的設(shè)計(jì)，構(gòu)造協(xié)議棧管理程序[2]來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包類型的處理。只有當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包以后才會(huì)做進(jìn)一步的處理工作。

2.4 web服務(wù)器端設(shè)計(jì)

嵌入式服務(wù)器知名http端口（80）監(jiān)聽(tīng)來(lái)自遠(yuǎn)程監(jiān)控端的請(qǐng)求（在這里調(diào)用函數(shù)TCPOpen(0, TCP_OPEN_SERVER,HTTP_PORT, TCP_PURPOSE_HTTP_SERVER)），建立TCP連接（由于在這里使用http協(xié)議，因此，要在傳輸層必須使用tcp協(xié)議，它是一種面向連接的可靠的服務(wù)，tcp連接的建立要經(jīng)過(guò)3次握手）[4]。查詢相關(guān)套接字[5]鎖定連接，根據(jù)HTTP請(qǐng)求作出正確的響應(yīng)(調(diào)用HTTPExecuteGet()和HTTPExecute Post()函數(shù)進(jìn)行處理.)并將響應(yīng)后回復(fù)的內(nèi)容發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端(在瀏覽器中打開(kāi)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)頁(yè)可以看到回復(fù)的內(nèi)容)。通訊完成后斷開(kāi)本次TCP連接（由于tcp的半關(guān)閉，它需要經(jīng)過(guò)4次握手才能斷開(kāi)本次tcp連接）。

2.5 web客戶端的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在應(yīng)用層使用http協(xié)議來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息的交互，以達(dá)到實(shí)時(shí)信息的監(jiān)控。要采用動(dòng)態(tài)更改網(wǎng)頁(yè)的形式來(lái)發(fā)布實(shí)時(shí)信息，使用html、css以及javascript來(lái)編寫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)客戶端網(wǎng)頁(yè)[6]。采用http/1.1版本，它主要有GET、HEAD、POST 3種請(qǐng)求方式[7-8]。服務(wù)器端通過(guò)客戶端的請(qǐng)求方式對(duì)客戶端的請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)的處理。在客戶端與服務(wù)器交互的每1個(gè)模塊都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的callbackID以便準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的處理模塊?？蛻舳伺c服務(wù)器端交互信息的流程如圖5所示。

圖5 客戶端與服務(wù)器端信息交互流程

3 監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

本系統(tǒng)應(yīng)用于多電機(jī)PID補(bǔ)償集中控制，只使用一臺(tái)電腦對(duì)多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。以達(dá)到對(duì)各個(gè)電機(jī)實(shí)際速度、給定速度以及溫度等一些參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)如下所示：

該系統(tǒng)上位監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 上位web監(jiān)控界面

運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)后，通過(guò)協(xié)議分析儀抓到的數(shù)據(jù)包如圖 7所示。

圖7 運(yùn)行后抓取到的數(shù)據(jù)包

從抓取到的數(shù)據(jù)包中可以清楚地看到一次http應(yīng)用交互數(shù)據(jù)的過(guò)程（3次握手建立連接、數(shù)據(jù)交互、4次握手關(guān)閉本次連接）。同時(shí)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)包的源地址、目標(biāo)地址及傳輸?shù)臓顟B(tài)位可以確定該數(shù)據(jù)包的類型（請(qǐng)求包、響應(yīng)包）。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用web技術(shù)必將是未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化以及安防領(lǐng)域的主導(dǎo)發(fā)展方向，尤其是在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方面。在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中采用html和嵌入式web服務(wù)，完成數(shù)據(jù)的整合、處理以及系統(tǒng)中各種應(yīng)用服務(wù)的集成，大大節(jié)約了遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的成本；同時(shí)，也大幅度地提升了監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的智能化水平，具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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