基于Nut/OS的城市路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘要】借助嵌入式web技術(shù)，通過(guò)B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制路燈等設(shè)備已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)。然而這樣的實(shí)現(xiàn)往往需要將路燈的每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)web服務(wù)器，至少運(yùn)行有簡(jiǎn)單的web服務(wù)功能。通常這樣的系統(tǒng)不僅架構(gòu)復(fù)雜，而且造價(jià)成本高。本文在此基礎(chǔ)上提出一種基于Nut/OS的城市路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將路燈控制節(jié)點(diǎn)和嵌入式web服務(wù)器進(jìn)行分離。路燈控制節(jié)點(diǎn)只運(yùn)行TCP/IP基本通信功能而沒(méi)有web服務(wù)功能，嵌入式web服務(wù)器通過(guò)UDP通信來(lái)管理和控制各個(gè)路燈控制節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)通過(guò)嵌入式web服務(wù)器管理路燈系統(tǒng)。該方案不僅實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制路燈，同時(shí)降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和硬件成本。

【關(guān)鍵詞】嵌入式web；Nut/OS；B/S架構(gòu)；路燈管理

1.引言

目前城市路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)流行C/S架構(gòu)和B/S架構(gòu)模式。C/S架構(gòu)可靠，造價(jià)高，系統(tǒng)不方便維護(hù)。而B(niǎo)/S架構(gòu)不需要監(jiān)控計(jì)算機(jī)安裝有特定的服務(wù)器軟件和客戶端軟件，不需要專機(jī)專用，而且配置監(jiān)控計(jì)算機(jī)位置不需要固定，只需要能與監(jiān)控的路燈遠(yuǎn)端的web服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)相通，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此B/S架構(gòu)越來(lái)越流行。

然而，當(dāng)前的B/S架構(gòu)，往往都是監(jiān)控區(qū)域里，一個(gè)路燈控制節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)嵌入式web服務(wù)器處理，控制節(jié)點(diǎn)硬件不僅需要運(yùn)行基本的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP/IP，還要在此基礎(chǔ)上運(yùn)行web服務(wù)，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)訪問(wèn)嵌入式網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控。這樣的設(shè)計(jì)架構(gòu)方便每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的編程和控制，但是推高了系統(tǒng)的硬件成本，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)復(fù)雜。

本文在現(xiàn)有架構(gòu)基礎(chǔ)上，將路燈控制節(jié)點(diǎn)的控制功能和嵌入式web服務(wù)功能進(jìn)行分離，控制節(jié)點(diǎn)主要運(yùn)行基本的TCP/IP通信協(xié)議和路燈控制和信號(hào)采樣，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化控制節(jié)點(diǎn)的電路。嵌入式web服務(wù)器主要運(yùn)行web服務(wù)功能，對(duì)遠(yuǎn)端的PC機(jī)提供相應(yīng)的web服務(wù)。嵌入式web服務(wù)器的路燈管理和控制室數(shù)據(jù)，是通過(guò)UDP協(xié)議與控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)UDP對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制操作。該方案降低了硬件資源需求，從設(shè)計(jì)可靠上，采用內(nèi)核小巧的Nut/OS作為操作系統(tǒng)。

2.Nut/OS介紹

Nut/OS是一款開(kāi)源的優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)，適合在硬件資源不是很充裕的控制系統(tǒng)里應(yīng)用。Nut/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括Nut/OS實(shí)時(shí)內(nèi)核和Nut/Net協(xié)議棧，除了非常少量與硬件相關(guān)的源代碼使用匯編語(yǔ)言編寫外，剩下的都是使用C語(yǔ)言編寫的，具有很高的可移植性。Nut/OS實(shí)時(shí)內(nèi)核是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的組件，可以單獨(dú)分拆出來(lái)當(dāng)作一個(gè)小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用，也可以很容易地移植到其他MCU上。

Nut/OS提供了I/O管理功能，不僅包含了大多數(shù)應(yīng)用所需的I/O接口API函數(shù)，如文件管理系統(tǒng)、串行通信驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、聲卡和顯示驅(qū)動(dòng)等。更重要的是它和免費(fèi)的TCP/IP協(xié)議棧，NUT/NET無(wú)縫集成，NUT/NET除了支持ARP、IP、ICMP、UDP和TCP等協(xié)議外，還支持DHCP、PPP、DNS和HTTP用戶協(xié)議，是8位MCU中支持協(xié)議最多的免費(fèi)TCP/IP協(xié)議棧。

3.遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，很多的B/S路燈控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1（a）中所示，即控制節(jié)點(diǎn)是通過(guò)嵌入式web實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的監(jiān)控，然后通過(guò)交換機(jī)連接到監(jiān)控中心。該架構(gòu)增加了控制節(jié)點(diǎn)的硬件成本。本文的架構(gòu)體系在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)，如圖1（b）所示。

改進(jìn)的架構(gòu)體系中如圖1（b）所示，將嵌入式web服務(wù)器從原來(lái)的各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)抽出來(lái)單獨(dú)作為一個(gè)模塊，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)機(jī)進(jìn)行交互。

在硬件設(shè)計(jì)上，嵌入式web服務(wù)器資源相對(duì)充裕些，它一方面與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行web服務(wù)交互，一方面它與路燈控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行UDP通信，對(duì)路燈控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的操作和控制。由于控制節(jié)點(diǎn)只要運(yùn)行基本的TCP/IP通信協(xié)議，不需要運(yùn)行web服務(wù)功能，大大降低的控制節(jié)點(diǎn)對(duì)硬件的要求，可以用低成本的芯片組來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，由于路燈的采樣和控制的內(nèi)容不多，采用低速的網(wǎng)絡(luò)的芯片組足以滿足系統(tǒng)性能的要求，而且可靠，降低了系統(tǒng)的軟件、硬件復(fù)雜度。

4.遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式web服務(wù)器設(shè)計(jì)

嵌入式web服務(wù)器的硬件設(shè)計(jì)CPU采用LM3S8962，該芯片是德州儀器（TI）公司提供基于ARM CortexTM-M3的控制器，它們?yōu)閷?duì)成本尤其敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來(lái)了高性能的32位運(yùn)算能力。芯片內(nèi)部集成了256kB的單周期flash，64kB單周期訪問(wèn)的SRAM，芯片的內(nèi)存和flash足夠運(yùn)行Nut/OS系統(tǒng)。而芯片的價(jià)格和中端的8/16位芯片差不多。內(nèi)部集成的資源也很豐富，包括10M/100M以太網(wǎng)控制器等。

由于該芯片已經(jīng)集成了以太網(wǎng)控制器MAC層和物流層PHY，所以不需要外接其他以太網(wǎng)控制器比如CS9000、RTL8019等。只需要芯片引腳TXOP/TXON、RXIP/RXIN引腳外接網(wǎng)絡(luò)變壓器然后通過(guò)RJ45網(wǎng)口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外的網(wǎng)絡(luò)連接。

4.2 控制節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)由于不需要運(yùn)行web服務(wù)功能，所以只需要能運(yùn)行基本UDP通信功能即可。因此采用mega16芯片作為控制幾點(diǎn)的CPU，通過(guò)外接ENC28J60實(shí)現(xiàn)與web服務(wù)器的通信。ENC28J60與CPU通信接口SPI，而Mega16自身就集成了SPI接口，從而大大簡(jiǎn)化控制節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)。

5.遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)

嵌入式web服務(wù)器，其主要功能是對(duì)遠(yuǎn)端監(jiān)控PC提供web服務(wù)功能，對(duì)控制節(jié)點(diǎn)，要進(jìn)行相應(yīng)的控制。所以嵌入式web服務(wù)器運(yùn)行了相應(yīng)的遠(yuǎn)程管理網(wǎng)頁(yè)，遠(yuǎn)端通過(guò)訪問(wèn)頁(yè)面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的管理。應(yīng)用層運(yùn)行兩個(gè)服務(wù)任務(wù)，一個(gè)任務(wù)是web服務(wù)，對(duì)外提供網(wǎng)頁(yè)輸出和獲取相應(yīng)的web輸入內(nèi)容，并根據(jù)http協(xié)議獲取相應(yīng)的輸入后，執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)遠(yuǎn)端請(qǐng)求操作控制節(jié)點(diǎn)時(shí)，web服務(wù)通過(guò)CGI執(zhí)行與節(jié)點(diǎn)UDP通信程序，對(duì)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送相關(guān)的消息實(shí)現(xiàn)對(duì)控制節(jié)點(diǎn)相關(guān)的硬件控制，比如路燈的打開(kāi)和關(guān)閉，路燈狀態(tài)的檢測(cè)等等。

控制節(jié)點(diǎn)主要執(zhí)行web服務(wù)器發(fā)送來(lái)的命令，并根據(jù)相應(yīng)的命令執(zhí)行后，把結(jié)果返回給web服務(wù)器。由于控制節(jié)點(diǎn)只運(yùn)行基本的UDP通信，而且通信數(shù)據(jù)量不大，所以對(duì)Nut/OS進(jìn)行裁剪，只保留基本的任務(wù)管理和TCP/IP協(xié)議棧，在這基礎(chǔ)上，增加一個(gè)UDP應(yīng)用任務(wù)。該任務(wù)接收來(lái)自web服務(wù)器的命令，并將相關(guān)的命令翻譯成相關(guān)的動(dòng)作并執(zhí)行。主要執(zhí)行的web服務(wù)器發(fā)來(lái)的開(kāi)燈、關(guān)燈、電流/電壓采樣。并將執(zhí)行的結(jié)果通過(guò)UDP方式傳給web服務(wù)器。

整個(gè)路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件模塊架構(gòu)如圖2所示。

遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)（或PC機(jī)）通過(guò)http協(xié)議訪問(wèn)嵌入式web服務(wù)器，執(zhí)行相應(yīng)的web操作后，web服務(wù)器將操作轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的命令，并通過(guò)調(diào)用CGI接口來(lái)啟動(dòng)UDP服務(wù)器程序，UDP服務(wù)器程序?qū)⑾嚓P(guān)的操作命令通過(guò)UDP的方式發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)?？刂乒?jié)點(diǎn)的UDP應(yīng)用程序接收到相關(guān)的UDP報(bào)文后，將其翻譯為具體的操作命令，操作命令通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的I/O控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的開(kāi)、關(guān)控制以及相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并將執(zhí)行的結(jié)果通過(guò)UDP方式發(fā)回web服務(wù)器。Web服務(wù)器收到相關(guān)的反饋結(jié)果后，對(duì)web頁(yè)面的相關(guān)控制條目進(jìn)行響應(yīng)和修改，然后把修改的結(jié)果傳回給遠(yuǎn)端的監(jiān)控PC機(jī)。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于Nut/OS的遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)B/S軟件架構(gòu)和硬件實(shí)現(xiàn)方法，該方案在原有的B/S控制系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，將嵌入式web服務(wù)器和控制節(jié)點(diǎn)控制電路分離，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)，尤其是簡(jiǎn)化了控制節(jié)點(diǎn)終端的軟件體系，同時(shí)降低了設(shè)備的硬件成本。

當(dāng)然，該方案降低了硬件性能和實(shí)現(xiàn)成本，但增加了一定的軟件設(shè)計(jì)難度，主要的難點(diǎn)在Nut/OS的裁剪后運(yùn)行于控制節(jié)點(diǎn)的處理上。總體上，該方案同時(shí)降低了整個(gè)系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度和硬件復(fù)雜度，仍然利大于弊。

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作者簡(jiǎn)介：潘承毅（1981—），男，貴州劍河人，助教，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)。