基于以太網(wǎng)的設(shè)備電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計

穆莉莉++薛程光

摘 要：為使工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備電源實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，設(shè)計了一款基于STM32的網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方案。系統(tǒng)采用主控制器STM32F103及以太網(wǎng)控制器ENC28J60進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，采用μIP協(xié)議棧進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)電源控制測試實驗，結(jié)果表明可通過以太網(wǎng)對設(shè)備電源進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并可接收工業(yè)現(xiàn)場實時信息數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)電源控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有智能化、集成化、遠(yuǎn)程化的特點。

關(guān)鍵詞：STM32F103；ENC28J60；以太網(wǎng)；μIP

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1098（2015）02-0048-05

Equipment Power Remote Control System Design Based on the Ethernet

MU Li-li， XUE Cheng-guang

（School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：For the implementation of industrial site equipment power network control， a network power control system was designed based on MCU STM32. Software and hardware design scheme of the system was given. The system used the main controller of STM32F103 and the Ethernet controller of ENC28J60 to connect network， which was used for network data communication by μIP protocol stack. Network power control test experiment was carried out， and the result showed that it can control the equipment power remotely， and can receive real-time information data of the industrial field through Ethernet. Compared with the traditional power control system， the system has the characteristics of intelligence， integration and remote control.

Key words：STM32F103； ENC28J60； Ethernet； μIP

網(wǎng)絡(luò)化控制己成為遠(yuǎn)程控制的主要研究方向，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對局域乃至全球范圍內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控是工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。嵌入式Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)化控制的代表，它解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題，提高了傳統(tǒng)裝備的智能化水平，促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整[1]。

目前，一些工業(yè)設(shè)備安裝在距離遠(yuǎn)，維修人員不易到達(dá)的場所，這些設(shè)備大多為工控機系統(tǒng)，由于溫度和濕度的變化，或軟件的原因易出現(xiàn)死機的現(xiàn)象。為確保生產(chǎn)，降低設(shè)備故障時間，電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研制迫在眉睫。

基于此，提出了一種基于嵌入式Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的電源控制系統(tǒng)，嵌入式終端將現(xiàn)場溫度、濕度、電源工作狀態(tài)等信息發(fā)布到網(wǎng)上，監(jiān)控人員通過網(wǎng)絡(luò)頁面，就可實時了解監(jiān)控工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)的變化，并對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。1 網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計

11 工作原理

系統(tǒng)以STM32為控制核心，主要分為五大模塊，分別是中央控制器模塊，電源轉(zhuǎn)化模塊，繼電器控制模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊，LED顯示模塊（見圖1）。

圖1 網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中央控制器模塊是整個系統(tǒng)的大腦和靈魂，它控制整個系統(tǒng)程序的執(zhí)行，數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送、接收等等。電源轉(zhuǎn)化模塊是將220 V交流電轉(zhuǎn)化成5 V直流電給中央控制器模塊以及繼電器模塊供電，它是整個系統(tǒng)的供電端。繼電器模塊是通過STM32輸出的高低電平來控制繼電器，從而實現(xiàn)電源開關(guān)的通斷。網(wǎng)絡(luò)模塊是用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

計算機安裝有配套的網(wǎng)絡(luò)電源控制軟件，其相應(yīng)的電源開關(guān)控制界面上的虛擬按鍵，一經(jīng)觸發(fā)便通過網(wǎng)絡(luò)模塊下發(fā)對應(yīng)的指令（例如關(guān)閉某個電源），主控芯片收到指令后對其進(jìn)行解析處理，向繼電器模塊輸出對應(yīng)的電平信號，通過繼電器控制開關(guān)電源的通斷。同時單片機采集的相關(guān)環(huán)境參數(shù)（比如溫度）可以通過以太網(wǎng)傳輸實時顯示在網(wǎng)絡(luò)電源控制軟件上，便于用戶進(jìn)行直觀的判斷。

12 硬件平臺設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)的所涉及到的硬件部分主要包括帶有主控芯片STM32F103的中央控制模塊，電源轉(zhuǎn)化模塊，繼電器控制模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊等。

1） 中央控制模塊。中央控制模塊外設(shè)系統(tǒng)如圖2所示，外設(shè)有：用于程序調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)的20針JTAG接口；采用SP232EEN電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換RS232串口；選擇24C02的EEPROM芯片；用于環(huán)境數(shù)據(jù)的采集溫、濕度傳感器DHT11；用于接入局域網(wǎng)的以太網(wǎng)接口；保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行看門狗SP706RE。

圖2 中央控制模塊外設(shè)系統(tǒng)框圖

主控芯片STM32F103RBT6選擇的是由ST公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器，最高主頻達(dá)到72 MHz，擁有128 K的FLASH，20KSRAM，兩個串行外設(shè)接口（SPI），三個串口，一個USB，一個CAN，兩個十二位的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），兩個通用同步異步收發(fā)器（USART），51個可用的IO引腳等等，總之是外設(shè)種類齊全，功能十分強大，性價比很高的主控芯片[2]。endprint

2） 網(wǎng)絡(luò)模塊。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊采用的網(wǎng)絡(luò)芯片是ENC28J60以太網(wǎng)控制器，單芯片即可實現(xiàn)以太網(wǎng)接入。它是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）的獨立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有SPI的控制器的以太網(wǎng)接口。ENC28J60符合IEEE 8023的全部規(guī)范，采用了一系列包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行嚴(yán)格限制。它還提供了一個內(nèi)部DMA模塊，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速吞吐和硬件支持的IP校驗和計算。與主控器的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)指示。

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊原理如圖3所示，該模塊通過八個引腳和外部電路相連接，這八個引腳分別是：GND、RST、MISO、SCK、MOSI、INT、CS、VCC33。MISO/SCK/MOSI用于SPI通信，其中MISO是主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，MOSI 是主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，SCK是時鐘信號由主設(shè)備產(chǎn)生。GND和 V33用于給模塊供電，CS是片選信號，INT是中斷輸出引腳，RST為模塊復(fù)位信號。

圖3 ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊原理圖

其中RST、MISO、SCK、MOSI、CS分別與STM32的PA12、PA6、PA5、PA7、PA11連接。

3） 電源轉(zhuǎn)化模塊。該模塊要求220 V交流電轉(zhuǎn)化成5 V直流電，目的是給主控模塊和繼電器控制模塊供電（見圖4）。將220 V交流電通過整流橋HD06，將電平在零點上下浮動的交流電轉(zhuǎn)化成單向的直流電，再通過開關(guān)管TNY264，利用開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，將該電壓截成矩形波，這樣做的意義就是把高能量切割成無數(shù)個低能量，傳遞到輸出端去，輸出端會通過輸出電壓高低，對輸入端進(jìn)行反饋，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，然后經(jīng)過變壓器得到7V的電壓。變壓器右端為整流濾波電路，它們分別由二極管，濾波電容，濾波電感等構(gòu)成。7 V電壓經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成轉(zhuǎn)化成5 V電壓給單片機供電。

圖4 7V電壓轉(zhuǎn)化原理圖2 軟件設(shè)計

21 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇

網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)重點是要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，通俗的說就是通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)命令和文件。在網(wǎng)絡(luò)中要實現(xiàn)數(shù)據(jù)有條不紊地交換，就必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題。這些為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

該系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是μIP協(xié)議棧。μIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供于系統(tǒng)使用。uip_input（ ）和uip_periodic（ ）兩個函數(shù)供系統(tǒng)底層使用。其中uip_input（ ）函數(shù)根據(jù)輸入包首部的協(xié)議處理這個輸入包和需要時調(diào)用應(yīng)用程序，當(dāng)uip_input（ ）返回時，一個輸出包放在全局緩沖區(qū)uip_buf中，大小賦給uip_len，如果uip_len為0，則說明沒有包要發(fā)送，否則調(diào)用底層系統(tǒng)的發(fā)包函數(shù)將包發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上。uip_periodic（ ）在周期運行時調(diào)用，每秒一次，返回時，輸出的IP包要放到uip_buf中，供底層系統(tǒng)查詢uip_len的大小發(fā)送。UIP_APPCALL（）函數(shù)將用戶的應(yīng)用層入口程序作為接口提供給μIP協(xié)議棧，μIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，在需要送到上層應(yīng)用程序處理的地方調(diào)用UIP_APPCALL（）。

使用μIP遵循如下步驟：第一步實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)UIP_APPCALL（）；第二步初始化網(wǎng)卡ENC28J60；第三步初始化μIP協(xié)議棧；第四步設(shè)置IP地址，網(wǎng)關(guān)及掩碼：第五步設(shè)置監(jiān)聽端口；第六步處理μIP事件。其中μIP是通過uip_polling函數(shù)輪詢處理μIP事件，在主循環(huán)里面隔一段時間調(diào)用一次[3]。

22 信號控制流程和實現(xiàn)

μIP將網(wǎng)頁數(shù)據(jù)存放在data-index-html里，瀏覽器提取出URL中的主機后，向DNS發(fā)出請求，解析主機名的IP地址，DNS將解析地址返回給瀏覽器，瀏覽器根據(jù)該地址請求建立TCP連接，瀏覽器發(fā)出請求報文，服務(wù)器向瀏覽器發(fā)送響應(yīng)報文，并將指定數(shù)據(jù)發(fā)送給瀏覽器。

當(dāng)連接開始時，客戶端發(fā)送GET方法請求給服務(wù)器，以訪問服務(wù)器網(wǎng)頁，GET方法用來向服務(wù)器傳輸少量數(shù)據(jù)并且為透明數(shù)據(jù)，相比于大數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜OST方法對于該系統(tǒng)已足夠使用。若信息有誤，服務(wù)器返回以狀態(tài)碼401為起始行的響應(yīng)消息。

由于數(shù)據(jù)處在不停的變化之中，為使網(wǎng)頁的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠及時地更新，網(wǎng)頁程序初始化時，要顯示的數(shù)據(jù)如溫度時間數(shù)據(jù)都使用字符串標(biāo)記暫時表示，在每次發(fā)送響應(yīng)消息到端口前，再將網(wǎng)頁中定義字符串標(biāo)記用當(dāng)前設(shè)備的實際值替換。

對于繼電器的控制是根據(jù)不同的頁面請求來實現(xiàn)的，采用的是GET的方法，將請求參數(shù)放到URL里，繼電器1的控制參數(shù)設(shè)為1，繼電器2控制參數(shù)設(shè)為2，以此類推。STM32從URL獲得控制參數(shù)來控制繼電器的吸合，例如點擊網(wǎng)頁上控制繼電器1的按鈕，μIP從URL獲得GET控制參數(shù)1，控制繼電器1的吸合，然后修改網(wǎng)頁數(shù)據(jù)的部分內(nèi)容即繼電器1的狀態(tài)，發(fā)送瀏覽器，顯示新網(wǎng)頁界面。

溫度和RTC時間的更新通過刷新來實現(xiàn)的，因為根據(jù)HTTP協(xié)議規(guī)定，如果客戶端沒有發(fā)出請求，則服務(wù)器是不會自動發(fā)送頁面的，所以通過瀏覽器的刷新請求可以更新溫度和時間。頁面刷新采用自動刷新即在網(wǎng)頁程序中加入標(biāo)記，使瀏覽器自動進(jìn)行周期性地刷新頁面，從而保證用戶及時地獲得工控現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，每隔十秒刷新一次，自動刷新控制代碼寫在網(wǎng)頁源碼中。

該系統(tǒng)主控制流程如圖5所示，先初始化STM32、網(wǎng)卡和μIP等，然后設(shè)置IP地址（192，168，1，160）及監(jiān)聽端口（1 200端口用于TCP Server，80端口，用于Web Server），判斷是否與網(wǎng)絡(luò)端口聯(lián)絡(luò)成功，如果聯(lián)絡(luò)成功，則向網(wǎng)頁服務(wù)器發(fā)送初始頁面消息，如果沒有連接成功，則IP指示燈閃爍，提示沒有鏈接上。然后控制LED模塊顯示時間以及各燈的狀態(tài)。開始uip輪詢函數(shù)，判斷有沒有事件產(chǎn)生，接受網(wǎng)口信息，判斷數(shù)據(jù)包類型，針對不同的包進(jìn)行不同的處理方式，這里主要處理IP包，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。如果數(shù)據(jù)包內(nèi)容為繼電器復(fù)位，則下位機控制繼電器斷開，延時01s，然后繼電器閉合，事件處理結(jié)束后繼續(xù)接受網(wǎng)口信息，實現(xiàn)循環(huán)[4]。

3 測試結(jié)果

利用硬件實現(xiàn)了μIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)芯片ENC28J60及具有Cotex-M3內(nèi)核的STM32處理器構(gòu)成嵌入式客戶端的方案，進(jìn)行了設(shè)備電源網(wǎng)絡(luò)控制測試。通過網(wǎng)絡(luò)，用戶在瀏覽器端可及時收到遠(yuǎn)程現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程現(xiàn)場的電源狀態(tài)可實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制。瀏覽器網(wǎng)頁界面如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 網(wǎng)頁界面4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)采用STM32為核心芯片，通過網(wǎng)絡(luò)模塊（ENC28J60）與計算機連接并通信，實時地監(jiān)控開關(guān)電源，實現(xiàn)了現(xiàn)場與網(wǎng)絡(luò)的混合控制。該系統(tǒng)的優(yōu)點主要包括以下幾點：

1） 可以通過以太網(wǎng)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程化，異地化；

2） 可以采用大容量的存儲器實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的采集并處理；

3） 該系統(tǒng)體積小，成本低，便于安裝和使用；

4） 通過部分電路的改裝，和上位機軟件預(yù)留的監(jiān)控電源，可以實現(xiàn)監(jiān)控電源的添加。

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