基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程家居監(jiān)控系統(tǒng)

1、 周 軼(1973 ,男,工程師,研究方向?yàn)榻ㄖ姎?。基于嵌入式W eb 服務(wù)器的遠(yuǎn)程家居監(jiān)控系統(tǒng)周 軼(上海經(jīng)緯建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200092摘 要:設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式W eb 服務(wù)器的遠(yuǎn)程家居監(jiān)控系統(tǒng),并對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)及軟件實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)的介紹。服務(wù)器通過(guò)局域網(wǎng)接入I n terne ,t 允許用戶在I n t e rne t 上任何一點(diǎn)通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器,并實(shí)現(xiàn)對(duì)下層家居設(shè)備的監(jiān)控。關(guān)鍵詞:智能家居;嵌入式系統(tǒng);W eb 服務(wù)器;遠(yuǎn)程監(jiān)控中圖分類號(hào):TU 855 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1674 8417(201004 0011 040 引 言隨著信息技術(shù)與通信技術(shù)的迅

2、速發(fā)展,局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)等取得長(zhǎng)足發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用正由以PC 機(jī)為中心轉(zhuǎn)移到以嵌入式設(shè)備為中心,這使基于嵌入式設(shè)備的家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理成為可能。另外,隨著人們對(duì)居住條件和環(huán)境要求的提高,使家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化成為滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求的一種主要手段。據(jù)網(wǎng)絡(luò)專家預(yù)測(cè),將來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)男畔⒅杏?0%來(lái)自小型嵌入式系統(tǒng)。但利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)方案存在的技術(shù)難點(diǎn)是如何利用單片機(jī)本身有限的資源對(duì)信息進(jìn)行TCP /I P 協(xié)議處理,使之成為可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎 P 數(shù)據(jù)包。目前解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方案:一種是PC 網(wǎng)關(guān)+專用網(wǎng),缺點(diǎn)是需增加布線和第三方協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件;另一種是32b itMCU +RTO

3、S ,弊端是開(kāi)發(fā)難,成本極高。鑒于上述兩種方案存在的缺點(diǎn),該系統(tǒng)中采用了美國(guó)Ubico m 公司提出的MCU +虛擬軟件包方案。Ub ico m 公司的SX52BD 微控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)為速度快,在100MH z 頻率下能達(dá)到100M I PS ;現(xiàn)成的協(xié)議模塊供使用,即使對(duì)不熟悉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開(kāi)發(fā)人員也能簡(jiǎn)單套用。雖然其他8b it 單片機(jī)也能用軟件實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的TCP /I P 協(xié)議(如PI C16C76等,但上述兩大優(yōu)點(diǎn)是采用SX52BD MCU 的充分理由。套用成熟的現(xiàn)有程序是最具效率的開(kāi)發(fā)辦法,這也是避免目前國(guó)內(nèi)普遍存在的低水平開(kāi)發(fā)的有效途徑。雖然目前還沒(méi)有單獨(dú)的TC

4、P /I P 軟件虛擬模塊提供,但在演示板程序的基礎(chǔ)上,可以采用其成功的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊和一些適用于小型嵌入式系統(tǒng)的做法構(gòu)筑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控W eb 服務(wù)器。1 系統(tǒng)基本組成圖1為基于嵌入式W eb 服務(wù)器的智能家居系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。局域網(wǎng)與Inter net 都是系統(tǒng)中現(xiàn)成部分,用戶只需將嵌入式服務(wù)器配置適當(dāng)?shù)腎 P 地址,通過(guò)局域網(wǎng)接入Interne,t 即可通過(guò)嵌入式W eb 服務(wù)器對(duì)家中情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖1 基于嵌入式W eb 服務(wù)器的智能家居系統(tǒng)11 2 嵌入式W eb 服務(wù)器2.1 硬件結(jié)構(gòu)嵌入式W eb 服務(wù)器的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。SX52BD 為其核心芯片,通過(guò)它控制以太網(wǎng)控制芯片R

5、TL8019AS ,進(jìn)而完成接入網(wǎng)絡(luò)的工作。SX52B D 有5個(gè)I/O 口,共計(jì)40個(gè)引腳,是多功能可編程口。不但可通過(guò)軟件非常容易地修改配置執(zhí)行虛擬軟件模塊驅(qū)動(dòng)普通的I/O 口來(lái)模擬外設(shè)的功能(如UART 、SPI 、I 2C 和FSK 等,還可通過(guò)虛擬外設(shè)功能來(lái)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(如TCP 、I P 、HTTP 以及S MTP 等,另外也可以作為普通單片機(jī)控制使用。該芯片用簡(jiǎn)潔硬件構(gòu)架應(yīng)用平臺(tái),使原本硬件成本所需的支出可用于相對(duì)復(fù)雜的軟件開(kāi)發(fā),其I/O 接口可以自由擴(kuò)展和支配。 圖2 服務(wù)器基本硬件結(jié)構(gòu)圖 E 2PROM 用于存儲(chǔ)網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容,它通過(guò)I 2C 接口與SX52BD 通信。SX52B

6、D 上必須預(yù)留I /O 口作為網(wǎng)頁(yè)下載接口。2.2 軟件實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)中嵌入式W eb 服務(wù)器的軟件主要由芯片初始化設(shè)置、TCP /I P 協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)、家居監(jiān)控模塊組成。TCP /I P 協(xié)議棧是SX 虛擬外設(shè)的一個(gè)重要實(shí)現(xiàn),是基于SX 處理器的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與Inter net 互聯(lián)的基礎(chǔ)。I nternet 上的多個(gè)計(jì)算機(jī)和應(yīng)用程序的通信是通過(guò)不同的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。這些協(xié)議定義了解釋數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則,是由不同組織來(lái)定義開(kāi)發(fā)的。從根本上說(shuō),I nter net 是基于報(bào)文分組的網(wǎng)絡(luò),對(duì)于每一個(gè)事件,它最后都被分成大小不同的帶有數(shù)據(jù)和頭的報(bào)文。然而,程序員更愿意使用基于流的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。用戶數(shù)據(jù)包協(xié)

7、議(U ser Datagra m Protoco ,l UDP是基于報(bào)文分組的,而TCP 協(xié)議是基于流的傳輸機(jī)制的協(xié)議,在應(yīng)用中要根據(jù)不同的要求來(lái)選用相應(yīng)的、合適的協(xié)議。SX 系列芯片之所以稱為I n ter net 通信控制器,就是因?yàn)閼{借它高速的處理功能,從軟件上實(shí)現(xiàn)了Internet 協(xié)議 TCP /I P 協(xié)議棧。通過(guò)這些協(xié)議棧,程序員可以更加方便地開(kāi)發(fā)基于I nternet 的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。Internet 協(xié)議棧包括TCP 、UDP 、PPP 等虛擬外設(shè),這些協(xié)議通過(guò)應(yīng)用程序接口(App lication Prog ra m Interface ,API,可以方便地與應(yīng)用程序連

8、接。圖3為Ub ico m 公司用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)協(xié)議棧,即TCP /I P 軟件的4層抽象分層 物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層,每一層負(fù)責(zé)不同的功能。在該系統(tǒng)中,物理層功能由網(wǎng)絡(luò)接口卡(RTL8019A 芯片完成,程序的初始化部分包含其驅(qū)動(dòng)程序;網(wǎng)絡(luò)層部分加入了地址解析協(xié)議(ARP,實(shí)現(xiàn)I P 地址到物理地址的映射;考慮到實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸量并不大,而可靠性要求較高,傳輸層采用TCP 協(xié)議,不采用UDP 協(xié)議;HT TP 是W eb 服務(wù)器用來(lái)與瀏覽器通信的協(xié)議,是應(yīng)用層的主要構(gòu)成協(xié)議。圖3 W eb 服務(wù)器軟件TCP /I P 協(xié)議棧由于在Internet 中都使用約定俗成的TCP /

9、I P 協(xié)議,因此,基于I P 的TCP 協(xié)議起著非常重要的作用。SX52BD 是一種嵌入式微控制器,內(nèi)存較小,不能用傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)TCP,因?yàn)樗鼈冃枰艽蟮木彌_區(qū)來(lái)構(gòu)造套接字(Socke t。在傳輸層上,TCP 協(xié)議是面向流的機(jī)制;而SX 控制器具有很高的處理速度。它采用下推式的工作方式,即當(dāng)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),并不是將一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理;而是收取數(shù)據(jù)時(shí),一邊收取,一邊進(jìn)行應(yīng)用層的處理。發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)也是如此,應(yīng)用層一邊發(fā)數(shù)據(jù),SX 的虛擬外設(shè)就同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)出,直至沒(méi)有數(shù)據(jù)為止。這種方式極大地節(jié)約了內(nèi)存資源,有效地提高了應(yīng)用程序的處理速度。12 系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,真正傳送的數(shù)據(jù)量

10、很小,不需要巨大的緩沖空間。因此,該處理方法是非常有效的。協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)主要分為接收數(shù)據(jù)包的解釋和發(fā)送數(shù)據(jù)包的打包。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以幀格式進(jìn)行傳輸,其格式如圖4所示。 圖4 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式8Byte 的前導(dǎo)用于幀同步,CRC 域用于幀校驗(yàn)。這些用戶不必關(guān)心,其由網(wǎng)卡芯片自動(dòng)添加。目的地址和源地址是指網(wǎng)卡的物理地址(即MAC 地址,具有唯一性。幀類型或協(xié)議類型是指數(shù)據(jù)包的高級(jí)協(xié)議,如果幀類型字段值為0x0806,則為ARP 包;如果為0x0800,則為I P 數(shù)據(jù)包。接收幀時(shí),根據(jù)不同的幀類型由不同的軟件模塊進(jìn)行處理。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí),也根據(jù)不同的幀類型由不同的程序進(jìn)行打包處理,基本方法和處理接收幀相同

11、,只是把讀操作改為寫(xiě)操作。幀的接收和發(fā)送都是基于物理層對(duì)網(wǎng)卡的操作,包括讀接收緩沖區(qū)和寫(xiě)發(fā)送緩沖區(qū)。網(wǎng)卡采用8bit 工作方式,對(duì)其緩沖區(qū)的操作需要逐一讀寫(xiě)每個(gè)8b it 組。讀接收緩沖區(qū)時(shí)對(duì)不同的字段進(jìn)行判斷、記錄處理。 2.3 工作流程控制器工作流程如圖5所示。當(dāng)數(shù)據(jù)包通過(guò)RJ 45接口傳送到RTL8019AS 和M C U 后,系統(tǒng)內(nèi)部的TCP /I P 堆棧進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析和流向判斷,然后進(jìn)行解包或打包,以繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)工作。顯然,最終的處理結(jié)果都要通過(guò)W eb 服務(wù)器進(jìn)行。3 瀏覽器與服務(wù)器的連接瀏覽器與服務(wù)器的連接采用B /S (即Bro w ser/Server模式。當(dāng)瀏覽器與服務(wù)器

12、(即控制器交互時(shí),都遵循超文本傳輸協(xié)議(HTTP 。為了確保瀏覽器與服務(wù)器能夠正確地相互操作,HTTP 定義了瀏覽器發(fā)送到服務(wù)器的請(qǐng)求格式與服務(wù)器返回的應(yīng)答格式。圖5 控制器工作流程由于W eb 瀏覽器不能理解嵌入式微處理器的內(nèi)部操作,故采用程序接口CGI(Co mm on G ate w ay I nterface技術(shù)實(shí)現(xiàn)處理器與瀏覽器之間的通信。CG I 是一種接口規(guī)范,可以處理客戶端(一般是瀏覽器輸入的數(shù)據(jù),完成客戶端與服務(wù)器的交互操作。當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器向W eb 服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求時(shí),服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)相應(yīng)的CG I 程序,將請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為服務(wù)器能夠識(shí)別的格式,進(jìn)行處理后,再由CG I 將結(jié)果

13、轉(zhuǎn)化為W eb 瀏覽器能夠識(shí)別的格式,作為HTTP 應(yīng)答消息回送到客戶端。客戶端、服務(wù)器、C G I 程序間的關(guān)系如圖6所示。圖6 瀏覽器與控制器連接圖CG I 程序其實(shí)就是一些應(yīng)用程序,如控制燈的亮滅、處理串口數(shù)據(jù)等,只是它能由遠(yuǎn)程瀏覽器通過(guò)點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)而激活,從而實(shí)現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器的交互功能。4 家庭應(yīng)用智能家居的構(gòu)成如圖7所示。其內(nèi)容包括:(1家用設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。采集室內(nèi)溫度、燈具家電、防盜門等家用設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。經(jīng)控制器處理后反饋給用戶。(2本地控制。用戶通過(guò)控制器上的鍵盤(pán)和顯示屏,對(duì)家用設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。(3遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程用戶可以通過(guò)發(fā)送手機(jī)短信或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)家庭系統(tǒng)進(jìn)行控制和查13 圖7

14、智能家居系統(tǒng)構(gòu)成詢。(4自動(dòng)報(bào)警。當(dāng)控制器檢測(cè)到非法闖入或溫度超高等報(bào)警信號(hào)時(shí),及時(shí)觸發(fā)室內(nèi)報(bào)警裝置,并通過(guò)發(fā)送報(bào)警短信等方式及時(shí)通知用戶。(5溫度查詢。用戶可以通過(guò)控制器查詢室內(nèi)溫度。(6防盜門密碼設(shè)置。用戶可以通過(guò)本地或遠(yuǎn)程方式修改防盜門的密碼,在門外輸入正確的密碼后才可開(kāi)門。(7紅外家電控制。接收用戶命令,通過(guò)紅外發(fā)射電路控制電視、空調(diào)等紅外可控的家電設(shè)備。(8其他燈具等開(kāi)關(guān)量控制。接收用戶命令,控制燈具等開(kāi)關(guān)量設(shè)備。5 結(jié) 語(yǔ)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家電(如空調(diào)、熱水器等控制(包括遙控或繼電器控制、照明控制、煙霧報(bào)警、防盜報(bào)警、可編程定時(shí)控制等多種功能和手段,使人們的生活更加舒適、 便利和安

15、全。1 吳成東.I n trane t技術(shù)及在住宅智能化中的應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,2001.2 盧虎,李勇,李志芳.嵌入式W ebS erver技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)J.單片機(jī),2003(5:9 10,13.3 許洪華,劉科.基于嵌入式W ebSe rve r的控制器的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用J.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2004,17(4:15 16.4 仲崇權(quán),李丹,楊素英,等.工業(yè)以太網(wǎng)控制模塊的研究與研制J.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2002,15(11:34 36.5 呂先正,張寧,宋曉紅.SX微控制器的虛擬外設(shè)及Interne t應(yīng)用J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(4:14 16.收稿日期:2009-10-09

16、R e mote Ho m e M onitoring Syste m Based on EmbeddedW eb ServerZ HOU Yi(Shanghai Ji n gw ei Constr uction Plann i n g and Design Acade m y Co.,Ltd.,Shanghai200092,Ch i n a Abstrac t:A re m ote hom e mon itoring syste m based on e m beddedW eb server w as des i gned,and its hardware struc t ure and so ft ware rea lization we re i ntroduced i n de tai.l The server w as connec ted w ith Interne t through LAN.It all o