基于Web的單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　摘 要：傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般采用C/S 模型的方式，針對(duì)大型設(shè)備，成本高。文章采用SOC 芯片C8051F020 和10M 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS 接口的方案，在單片機(jī)中嵌入了精簡的TCP/IP 協(xié)議棧，構(gòu)建了基于Web 的單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控，所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有成本低廉、操作方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

　　1. 引言

　　單片機(jī)系統(tǒng)以其簡單、高效的特點(diǎn)，在工業(yè)控制和日常生活中應(yīng)用越來越廣泛。目前大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)是以51 單片機(jī)為核心，與檢測、伺服、顯示設(shè)備配合起來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

　　然而，這些監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸多采用RS-232、RS-485 以及各種現(xiàn)場總線，這些方式有些通信速度不夠快，有些距離不夠遠(yuǎn)，且各種總線之間難于實(shí)現(xiàn)互連和互操作。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。同時(shí)，隨著Internet 的普及，現(xiàn)代通信技術(shù)的進(jìn)步，基于TCP/IP 和Client/Server 架構(gòu)的分布式監(jiān)控技術(shù)也日趨成熟。把嵌入式系統(tǒng)連接到Internet 上，就可以方便、低廉地把信息傳送到世界的任何一個(gè)地方。

　　傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般采用C/S 模型的方式，主要針對(duì)大型的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于如攝像頭圖象監(jiān)控﹑家用儀表﹑門禁控制系統(tǒng)等小型的設(shè)備的監(jiān)控就需要采用低成本的方案。

　　鑒于此，在低成本的單片機(jī)系統(tǒng)上移植精簡的TCP/IP 協(xié)議簇，實(shí)現(xiàn)對(duì)于小型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控是最佳選擇。該系統(tǒng)以Web 方式實(shí)現(xiàn)，用戶可以在任何一臺(tái)裝有瀏覽器的PC 機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，具有價(jià)格低廉、操作方便、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)模型與本系統(tǒng)采用的模型如圖1 和圖2 所示。

　　圖1 傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)模型

　　圖2 單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)模型

　　2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)以 Cygnal 公司的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）C8051F020 單片機(jī)為核心，采用Realtek 公司的10M 自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器RTL8019AS 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口部分。

　　SRAM 部分用于存放大量的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集部分用于采集系統(tǒng)需要監(jiān)控的設(shè)備的運(yùn)行情況，由于C8051F020 內(nèi)部帶有真正12 位100 ksps 的8 通道ADC 帶PGA 和模擬多路開關(guān)，還有兩個(gè)12 位DAC 可編程更新時(shí)序，可以方便的進(jìn)行模擬信號(hào)采集和對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制。

　　C8051F020 單片機(jī)內(nèi)置64K FLASH 程序存儲(chǔ)器、4K 內(nèi)部SRAM，可以嵌入TCP /IP 協(xié)議， 從而實(shí)現(xiàn)嵌入式Web Sever 的功能。RTL8019AS 集成了介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層的性能，與單片機(jī)的接口簡單，可以方便地用來設(shè)計(jì)基于ISA 總線的系統(tǒng)。另外，它還具有與NE2000 兼容、軟件移植性好以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以特別適合用于嵌入式系統(tǒng)。

　　圖3 系統(tǒng)框圖

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 軟件流圖設(shè)計(jì)

　　軟件的實(shí)現(xiàn)主要是根據(jù)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆较蚝蛿?shù)據(jù)的流向來實(shí)現(xiàn)的。在本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)的流向?yàn)椋赫埱笮畔木钟蚓W(wǎng)中來，通過RJ 45 送到RTL80l9AS，處理后的數(shù)據(jù)包送入單片機(jī)系統(tǒng)的協(xié)議棧，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到原始請求信息。請求信息再經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)的處理，產(chǎn)生回復(fù)信息。回復(fù)信息到局域網(wǎng)的過程與上面正好相反。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程如上圖4 所示。

　　圖4 軟件框圖

　　3.2 RTL8019 接收與發(fā)送數(shù)據(jù)

　　1.RTL8019 芯片初始化主要是將網(wǎng)卡設(shè)置成正常的模式，跟外部網(wǎng)絡(luò)連接。清除所有中斷標(biāo)志位，讓芯片開始工作。

　　2.對(duì)RTL8019 接收數(shù)據(jù)操作，有查詢和中斷兩種方式。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的速度和PC 機(jī)相差太遠(yuǎn)，而且還有一些采集任務(wù)，本系統(tǒng)不采用中斷方式，用查詢方式。在查詢方式下，通過查詢CURR 和BNRY 兩個(gè)寄存器的值來判斷是否收到一幀數(shù)據(jù)。當(dāng)BNRY+1 與CURR不相等，說明接收緩沖區(qū)接收到了新的數(shù)據(jù)幀。圖5 為RTL8019 報(bào)頭格式，接收部分子程序如下：

　　UCHAR xdata * rcve_frame（void） //如收到有效數(shù)據(jù)包，返回收到的數(shù)據(jù)，否則返回NULL

　　圖5 RTL8019 報(bào)頭格式

　　3.數(shù)據(jù)的發(fā)送包含三個(gè)步驟：封裝數(shù)據(jù)包；通過遠(yuǎn)程DMA 將數(shù)據(jù)包送入RTL8019AS的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；通過RTL8019 的本地DMA 將數(shù)據(jù)送入FIFO 進(jìn)行發(fā)送。具體過程如下：

　?。?）包在發(fā)送前應(yīng)該按規(guī)定的格式封裝好，格式如下圖6 所示：

　　圖6 MAC 幀首部

　?。?）把上面的數(shù)據(jù)包通過遠(yuǎn)程DMA 寫入RTL8019AS 的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；

　?。?）啟動(dòng)本地DMA，把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)包長度最小為60 字節(jié)，最大1514 字節(jié)。

　　發(fā)送子程序?yàn)椋簐oid send_frame（UCHAR xdata * outbuf，UINT len）//發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包3.3 TCP/IP 協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。

　　3.3.1 ARP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　ARP 地址解析協(xié)議的本質(zhì)是完成網(wǎng)絡(luò)地址到物理地址的映射。物理地址有以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)兩種基本類型，網(wǎng)絡(luò)地址特指IP 地址。具體到以太網(wǎng)，使用的是動(dòng)態(tài)綁定轉(zhuǎn)換的方法，但是會(huì)遇到許多細(xì)節(jié)問題，例如減少廣播，ARP 包丟失，物理地址變更（更換網(wǎng)卡）、移動(dòng)（移動(dòng)設(shè)備到另一子網(wǎng)）、消失（關(guān)機(jī)）等。一般是設(shè)置ARP 高速緩存，通過學(xué)習(xí)、老化、更新、溢出算法處理ARP 映射表來解決這些問題。整個(gè)ARP 處理過程，主要用5 個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序后，所有ARP 處理操作就是填寫ARP 包。主要程序代碼編制如下：

　?。?）void init_arp（void）//完成ARP 表初始化，概括說就是ARP 表state 字段清0

　　（2）void arp_send（UCHAR * hwaddr，ULONG ipaddr，UCHAR msg_type）//完成ARP 請求

　?。?）void arp_rcve（UCHAR xdata * inbuf）// 完成響應(yīng)操作

　　（4）UCHAR xdata * arp_resolve（ULONG dest_ipaddr） //完成從cache 里面查找對(duì)應(yīng)//IP 地址的物理地址，如果沒有，就發(fā)送ARP 請求

　　3.3.2 IP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　網(wǎng)際協(xié)議 IP 是TCP/IP 協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，它的主要功能是負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)交付給主機(jī)，當(dāng)目標(biāo)主機(jī)與原主機(jī)處于不同的物理網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，IP 負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)包路由到相應(yīng)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)上。Internet 上所有的數(shù)據(jù)都以IP 數(shù)據(jù)包格式傳輸。IP 協(xié)議最大的特點(diǎn)是提供不可靠的和無連接的數(shù)據(jù)包傳送服務(wù)。IP 協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)子程序：

　　（1） void ip_send（UCHAR xdata*outbuf，ULONG ipaddr， UCHAR proto_ id，DINT len）//發(fā)送IP 數(shù)據(jù)；該子程序用來創(chuàng)建一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。

　?。?） void ip_rcve（UCHAR xdata *inbuf） //接收IP 數(shù)據(jù)；該子程序檢測一個(gè)外來數(shù)據(jù)包，并對(duì)數(shù)據(jù)包作相應(yīng)的處理。

　　3.3.3 TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　1.使用TCP 狀態(tài)機(jī)：TCP 協(xié)議是整個(gè)TCP/IP 協(xié)議的核心，也是傳輸層中最復(fù)雜的協(xié)議。TCP 協(xié)議在兩個(gè)端點(diǎn)之間建立了等效于物理連接的邏輯連接。數(shù)據(jù)沿著這個(gè)連接雙向傳輸。連接的雙方必須對(duì)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)保持跟蹤，以便能夠檢測出數(shù)據(jù)流中的遺漏和重復(fù)。

　　2.使用簡單的確認(rèn)機(jī)制：序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)這兩個(gè)字段用于協(xié)同完成TCP 協(xié)議中的確認(rèn)工作。對(duì)于每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn)號(hào)的計(jì)算，需要從接收到的數(shù)據(jù)包中提取TCP 報(bào)文的數(shù)據(jù)部分長度，并進(jìn)行計(jì)算，這增加了處理器的運(yùn)算量。但如果每次只對(duì)單個(gè)TCP 報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)的話，并沒有太大的難度。TCP 協(xié)議主要包含的程序如下：

　?。?） init_tcp（void） //初始化TCP 協(xié)議

　?。?） Tcp_send（UINT flags， DINT hdr_len， UCHAR nr） //發(fā)送TCP

　　（2） Tcp_retransmit（void） //重發(fā)TCP 數(shù)據(jù)

　?。?） Tcp_inactivity（void） //停止TCP

　?。?） Tcp_rcve（UCHAR xdata * inbuf， UINT len） //接收TCP 數(shù)據(jù)

　　3.3.4 HTTP 協(xié)議簡介

　　HTTP 協(xié)議是TCP 協(xié)議的高層協(xié)議，HTTP 的請求和應(yīng)答都是一行或多行文本，它的結(jié)束標(biāo)志是一個(gè)換行符［5］。如果請求成功，數(shù)據(jù)就沿著該連接發(fā)送，直到發(fā)送完為止。HTTP的端口號(hào)為80.HTTP 中的命令稱呼為方法（method），其中GET 語句用來獲取文檔，POST語句用來粘貼文檔。通過判斷GET 和POST 語句后面的文件名來判斷所需要傳遞的文件的位置。

　　請求：

　　GET / HTTP/1.1

　　響應(yīng)：

　　HTTP/1.1 200 OK

　　Content-type： text/html

　　……

　　《html》

　　《body》

　　……

　　《/body》

　　《/html》

　　4.應(yīng)用部分

　　本 WEB 服務(wù)器系統(tǒng)幾乎可以應(yīng)用于所有對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高的場合，只要對(duì)本系統(tǒng)的相關(guān)部分做些修改或改進(jìn)，例如：客戶端的訪問權(quán)限、IP 地址的過濾等，就可應(yīng)用于諸如遠(yuǎn)程抄表、信息家電的遠(yuǎn)程控制等場合。下面圖7 為ping 命令測試網(wǎng)絡(luò)不通到通的連接狀態(tài)，圖8 實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)任意主機(jī)通過ip 地址形式訪問單片機(jī)內(nèi)部存諸的網(wǎng)頁，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　圖7 網(wǎng)絡(luò)連接測試

　　圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)控溫度

　　5.結(jié)束語

　　實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的 TCP/IP 協(xié)議棧，使單片機(jī)控制的系統(tǒng)具有了WebServer 的功能，這樣可以使用PC 機(jī)通過因特網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問單片機(jī)系統(tǒng)，也可以使用單片機(jī)系統(tǒng)將有用的信息通過因特網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)端的PC 或其它終端上。為嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程幫助、遠(yuǎn)程升級(jí)、遠(yuǎn)程重構(gòu)等功能提供了可能，這是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。