基于以太網(wǎng)的Web遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

駱舒萍

(黎明職業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)部， 福建 泉州 362000)

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)和電子控制技術(shù)等高新技術(shù)迅速發(fā)展，控制系統(tǒng)已被廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn).隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性的進(jìn)一步提高，Internet技術(shù)以其靈活、方便的連接方式，高效、低廉的性價(jià)比，在當(dāng)前的局域網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1].與Internet技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)正在逐步替代傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和通信的需求.

本文主要針對(duì)AVR單片機(jī)，結(jié)合嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種基于以太網(wǎng)的Web遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).該方案成功地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)備控制的網(wǎng)絡(luò)化和溫度采集，改變了傳統(tǒng)的監(jiān)控模式，達(dá)到操控的實(shí)時(shí)、快速和有效.

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

硬件平臺(tái)主要包含四個(gè)部分：ATmega32單片機(jī)模塊、ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊、Pt100傳感器測(cè)溫模塊和USB接口風(fēng)扇.整體框圖如圖1所示.系統(tǒng)以單片機(jī)為主處理器，搭建Web可視化操作，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送信號(hào)遠(yuǎn)程控制USB風(fēng)扇設(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)能檢測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度，經(jīng)過(guò)AD采樣處理，最后同步顯示在Web服務(wù)器的界面上.

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框圖

1.2 各模塊的選擇

(1)主控制器.核心模塊選用高檔的AVR 單片機(jī)ATmega32，它是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗的8位CMOS微控制器.ATmega32功能強(qiáng)大，具有豐富先進(jìn)的指令集，單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)I/O功能等特點(diǎn).它的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS MHz，可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾[2-3]，并且與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容，為許多嵌入式控制開發(fā)和應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案.

(2)Pt100傳感器.溫度采集模塊選用高精度的鉑熱電阻Pt100.Pt100是集溫度、濕度采集于一體的智能傳感器，它測(cè)量范圍大，靈敏度、準(zhǔn)確度高，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾性和較好的穩(wěn)定性.主要設(shè)計(jì)原理是當(dāng)Pt100在0攝氏度的時(shí)候，它的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)，但之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線[4].Pt100可以將溫度變量轉(zhuǎn)化為可傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)輸出電壓信號(hào)，但溫度傳感器的電壓很低，采集到的數(shù)據(jù)將無(wú)法傳送到主機(jī)，為了能使Pt100傳感器能夠在常溫下(0～100℃)有比較好的可測(cè)電壓，滿足可供ATmega32 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入電壓，讓溫度值更加精確，必須對(duì)傳感器的原始輸出電壓進(jìn)行放大.放大電路如圖2所示.

圖2 Pt100傳感器放大電路

圖中J1為Pt100溫度傳感器，從系統(tǒng)的5V電源端通過(guò)分壓電阻R1連接，通過(guò)單片機(jī)軟件校正接法引起的非線性問(wèn)題，接入簡(jiǎn)單.芯片F(xiàn)1充當(dāng)跟隨器起保護(hù)傳感器的作用，F(xiàn)2放大信號(hào).

(3)網(wǎng)絡(luò)模塊.該模塊芯片選用MicroChip公司推出的ENC28J60，它是一款帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI串行接口的高性能以太網(wǎng)控制器，可使用UDP、TCP協(xié)議進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mb/s，可為嵌入式應(yīng)用提供低引腳、低成本、精簡(jiǎn)的遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)接口.ENC28J60由七個(gè)主要功能模塊組成，包括充當(dāng)通信通道的SPI接口、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的雙端口RAM緩沖器、控制寄存器、判優(yōu)器、總線接口、MAC模塊和PHY模塊[5].它的工作頻率為25MHz，工作電壓為3.3V，系統(tǒng)采用Lm1117 3.3 線性電源穩(wěn)壓芯片為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊供電.使用單芯片，硬件接口電路連接簡(jiǎn)單，通過(guò)TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用，程序的編寫，即可實(shí)現(xiàn)主控單片機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的功能，大大簡(jiǎn)化了相關(guān)的設(shè)計(jì).

(4)USB風(fēng)扇模塊.USB風(fēng)扇模塊即為控制設(shè)備，根據(jù)實(shí)際需要系統(tǒng)可以添加多個(gè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控.USB風(fēng)扇模塊通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路改變輸入電壓來(lái)控制輸出電流的特性，利用單片機(jī)PWM信號(hào)作為放大電路的輸入端，控制場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)停.

2 軟件的設(shè)計(jì)

2.1 以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)用戶和設(shè)備的遠(yuǎn)程信息交互，需要構(gòu)建Web服務(wù)器.系統(tǒng)采用在單片機(jī)和ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊中直接模擬實(shí)現(xiàn)WebServer，而無(wú)需基于PC機(jī).系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含硬件設(shè)備的初始化配置、TCP/IP協(xié)議棧的構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集及處理等模塊，如圖3所示為單片機(jī)信息處理軟件流程圖.當(dāng)數(shù)據(jù)信息包通過(guò)RJ45接口傳送到ENC28J60和單片機(jī)后，利用單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行HTT、 TCP/IP等協(xié)議的處理，如數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)包的解包或打包，以及流向判斷等，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，同時(shí)配置網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)信息.當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)指定地址時(shí)，Web服務(wù)器分析響應(yīng)請(qǐng)求，由TCP/IP協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包解析獲得原始請(qǐng)求信息，再經(jīng)單片機(jī)處理并相應(yīng)地向?yàn)g覽器返回請(qǐng)求結(jié)果回復(fù)網(wǎng)頁(yè)的HTML代碼[6].

圖3 單片機(jī)信息處理軟件流程圖

2.2 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)

HTTP協(xié)議最典型的應(yīng)用是在Web服務(wù)器和Web瀏覽器之間傳遞數(shù)據(jù)，因此，控制網(wǎng)頁(yè)界面模塊是通過(guò)html語(yǔ)言編輯而成.在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器IP地址,登陸遠(yuǎn)程控制頁(yè)面，向外界實(shí)時(shí)提取實(shí)際測(cè)量物理量和對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量物理量的自動(dòng)刷新.如圖4、圖5所示分別為遠(yuǎn)程控制界面設(shè)計(jì)主程序流程圖和實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)流程圖.

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面主程序流程圖

從流程圖可以看出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩大功能模塊.遠(yuǎn)程控制模塊是一個(gè)控制單一的模塊，命令一下達(dá)就會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)或關(guān)閉，沒(méi)有返回程序，而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊則不同，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊不用下達(dá)命令就自動(dòng)采集溫度，啟動(dòng)自動(dòng)刷新功能則可以進(jìn)行溫度反饋直到下達(dá)停止命令.

圖5 實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)以ATmega32單片機(jī)為中心，結(jié)合ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊、Pt100傳感器模塊及串口模塊構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)程控制系統(tǒng).通過(guò)Internet網(wǎng)訪問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器，Web服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集檢測(cè)和對(duì)系統(tǒng)設(shè)備操控的目的.用戶無(wú)需親臨工作現(xiàn)場(chǎng)，可以通過(guò)控制中心遠(yuǎn)程同時(shí)管理多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備，它提供一個(gè)高效全面安全快捷的服務(wù)模式，簡(jiǎn)單可靠，可行性高.

本設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用廣泛，將傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)與Web技術(shù)相結(jié)合的B/S模式下的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用到智能樓宇、遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等各種場(chǎng)合.

參考文獻(xiàn)：

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[5]Microchip Technology．ENC28J60 Data Sheet[EB/OL].2006. http://wenku.baidu.com/view/48653bd5b14e852458fb57bd.html

[6]李國(guó)峰,王云.利用ENC28J60芯片搭建智能家居系統(tǒng)的Webserver環(huán)境[J].黑龍江科技信息，2009(6)：8.