基于嵌入式Web的遠(yuǎn)程可控電源插座設(shè)計

沈勇，王亮

（江蘇科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，實現(xiàn)了信息的高速傳輸和資源共享，極大地方便了人們的生活。嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種電器產(chǎn)品、智能儀表和控制設(shè)備中，它與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合是一種必然的趨勢[1]。

嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，為網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的發(fā)展和完善提供了技術(shù)基礎(chǔ)[2]。

筆者綜合運用嵌入式系統(tǒng)和Web技術(shù)，設(shè)計了一種可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的電源插座系統(tǒng)，實現(xiàn)對家用或工業(yè)電器的遠(yuǎn)程實時控制。用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問該系統(tǒng)，對各插座進(jìn)行打開或關(guān)閉的操作，實現(xiàn)對與其相連接的電器的遠(yuǎn)程控制。

圖1 嵌入式Web的體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of embedded Web

1 嵌入式Web工作原理

嵌入式Web的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]?？蛻舳撕颓度胧较到y(tǒng)中Web服務(wù)器之間的通信協(xié)議采用HTTP（超文本傳輸協(xié)議）。嵌入式操作系統(tǒng)提供TCP/IP協(xié)議支持。嵌入式Web服務(wù)器提供靜態(tài)網(wǎng)頁，也可以通過CGI（Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關(guān)接口）與后臺程序或嵌入式數(shù)據(jù)庫交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問或處理。

嵌入式Web的工作流程如圖2所示。嵌入式Web服務(wù)器的主要任務(wù)是接收客戶端請求、解析客戶端請求、響應(yīng)客戶端請求、向客戶端回送請求的結(jié)果。客戶端與Web服務(wù)器交換數(shù)據(jù)之前，首先用TCP/IP建立連接，服務(wù)器端程序建立TCP類型的Socket套接字；服務(wù)器在接收到用戶端的請求后，解析客戶請求的HTTP協(xié)議頭，分析客戶的請求，根據(jù)客戶的請求做相應(yīng)的處理并返回結(jié)果。

圖2 嵌入式Web的工作流程Fig.2 Workflow of embedded Web

2 遠(yuǎn)程可控電源插座設(shè)計

文中設(shè)計采用ARM-Linux架構(gòu)[4]。ARM處理器具有小體積、低功耗、低成本、高性能等特點。嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核精悍，運行所需資源少，十分適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

遠(yuǎn)程可控電源插座系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the hardware system

嵌入式Web服務(wù)器實現(xiàn)對用戶的身份驗證、頁面解析與交互，根據(jù)用戶請求產(chǎn)生對電源插座的控制信號。存儲器存放系統(tǒng)的程序和頁面文件。

以太網(wǎng)接口模塊可選用RTL8019AS等以太網(wǎng)接口芯片，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[5]。

控制模塊實現(xiàn)對連接在市電AC220 V的插座各開關(guān)的“打開、關(guān)閉”操作，進(jìn)而控制相連接的電器的工作。由于嵌入式系統(tǒng)使用的DC3.3V電源，且電流較小，控制模塊須實現(xiàn)弱電對強(qiáng)電的控制。考慮到響應(yīng)速度、電路功耗、使用壽命等因素，控制模塊設(shè)計選用光電耦合器和可控硅?？刂颇K可控制電源插座的4路開關(guān)，其中一路的電路原理如圖4所示。

圖4 控制模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of the control module

光電耦合器選用MOC3062，它集光電隔離、過零檢測和過零觸發(fā)為一體，可以自動檢測交流電壓的過零信息?？煽毓柽x用Q4010NH5，是大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，具有耐壓高、容量大、體積小、無噪音等優(yōu)點。

ARM處理器的GPIO端口輸出電平不足以使光耦元件U1（MOC3062）正常工作，需要信號放大。電阻R2和下拉電阻R3組成三極管保護(hù)電路。當(dāng)GPIO端口輸出為高電平時，三極管T1（9013）導(dǎo)通，使電阻R1和光耦U1形成通路，U1正常工作，GPIO輸入信號得到放大，雙向可控硅K1（Q4010NH5）的G控制端得到高電壓，K1導(dǎo)通，插座220 V供電打開；當(dāng)GPIO端口輸出為低電平時，三極管T1截止，使電阻R1和光耦U1形成斷路，此時U1不工作，K1斷路，插座供電被關(guān)閉。

2.2 控制模塊驅(qū)動設(shè)計

在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作[6]。

文中使用GPIO口作為控制端口，每一位信息控制一個電源插座開關(guān)。以連接1號插座開關(guān)的GP10為例，說明其驅(qū)動程序的編寫。

將GP10定義為輸出狀態(tài)，并預(yù)設(shè)插座開關(guān)斷開時輸出0，此時GP10將輸出0，輸出低電平，并使圖4中的三極管T1截止，光耦U1不工作，K1不導(dǎo)通，220 V供電斷開；打開供電時，將GP10置1，即輸出高電平，T1導(dǎo)通，220 V供電打開。

驅(qū)動程序中ioctl函數(shù)代碼如下：

#define GP10_OUT_MOD （GPDR0|=0x0400）//設(shè)置 GP10為輸出

#define GP10_OUT_0（GPCR0|=0x0400）//設(shè)置 GP10 輸出為0

#define GP10_OUT_1（GPSR0|=0x0400）//設(shè)置 GP10 輸出為1

#define K1_ON 1

#define K1_OFF 0

static ssize_t rcs_ioctl（struct inode*inode ，struct

file*file， unsigned int cmd， long data）

{

switch （cmd）{

case K1_ON:{ //插座開關(guān)1打開

GPHCON=GP10_OUT_MOD；

GPHDAT=GP10_OUT_1；

break；

}

case K1_OFF:{ //插座開關(guān)1關(guān)閉

GPHCON=GP10_OUT_MOD；

GPHDAT=GP10_OUT_0；

break；

}

}

}

2.3 嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計

遠(yuǎn)程可控電源插座系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)嵌的嵌入式Web服務(wù)器可向合法用戶提供基于瀏覽器的操作界面，瀏覽器便成了與插座相連設(shè)備的遠(yuǎn)端控制板。

由于嵌入式系統(tǒng)擁有的資源有限，構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器須選擇一個合適的Web服務(wù)器，在不影響整體性能的前提下，既利用自身有限的資源，又必須滿足支持CGI的Web應(yīng)用需求。

文中采用Boa Server[7]作為嵌入式Web服務(wù)器。Boa是一個非常小巧的Web服務(wù)器，可執(zhí)行代碼只有約60 kB。它是一個單任務(wù)Web服務(wù)器，只能依次完成用戶的請求，而不會創(chuàng)建出新的進(jìn)程來處理并發(fā)連接請求。但Boa支持CGI，能夠為CGI程序創(chuàng)建進(jìn)程來執(zhí)行。

移植Boa的大致步驟如下：

1）從官方網(wǎng)站（http://www.boa.org）上下載 Boa源代碼，解壓；

2）根據(jù)硬件對Boa進(jìn)行相應(yīng)的配置，并交叉編譯，編譯器選用arm-linux-gcc；

3）編譯生成可在ARM上運行的Boa程序，將其和內(nèi)核一起下載到ARM平臺上運行；

4）將系統(tǒng)所需靜態(tài)頁面文件和CGI程序拷貝至相應(yīng)的路徑下。

當(dāng)Web服務(wù)器程序收到用戶以HTTP協(xié)議的GET方式發(fā)來的遠(yuǎn)程控制指令后，調(diào)用CGI程序，在CGI程序中用open（“/dev/rcpo”， O_RDWR）語句打開設(shè)備文件，若成功，則將控制參數(shù)傳遞給ioctl函數(shù)的cmd，控制對應(yīng)的插座開關(guān)做相應(yīng)動作。

3 系統(tǒng)測試

文中在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺上實現(xiàn)，并制作了控制模塊硬件，對電源插座進(jìn)行了內(nèi)部連線改裝，使之遠(yuǎn)程可控。搭建測試環(huán)境，對一臺220 V供電工作的普通電扇進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試環(huán)境Fig.5 System test environment

用戶用瀏覽器軟件訪問本系統(tǒng)，經(jīng)登錄認(rèn)證后進(jìn)入控制頁面，如圖6所示。點擊“開啟”按鈕后，電扇轉(zhuǎn)動；點擊“關(guān)閉”按鈕后，電扇關(guān)閉。系統(tǒng)運行正常，響應(yīng)及時。測試表明，本文設(shè)計是可行的、有效的。

4 結(jié) 論

文中設(shè)計了一種遠(yuǎn)程可控電源插座，在ARM嵌入式系統(tǒng)上構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器，用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問Web服務(wù)器，實現(xiàn)對電源插座的操作，進(jìn)而遠(yuǎn)程控制與其相連的電器。本文設(shè)計采用模塊化設(shè)計，功能實用，操作簡便，易于擴(kuò)展，可廣泛應(yīng)用于家用或工業(yè)電器的遠(yuǎn)程控制。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)的結(jié)合日益緊密，具備網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用正在成為未來電器的發(fā)展趨勢。

圖6 系統(tǒng)操作界面Fig.6 System operation interface

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[7]Doolittle L，Nelson J.Boa Webserver[EB/OL].（2000-02-03）http://www.boa.org/documentation/.