基于Cortex－M3遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁 英，于艷艷，王 磊，梁 川，楊 軍

(云南大學(xué) 信息學(xué)院，昆明 650091)

遠(yuǎn)程控制是在網(wǎng)絡(luò)上由一臺電腦(主控端Remote/客戶端)遠(yuǎn)距離去控制另一臺電腦(被控端Host/服務(wù)器端)的技術(shù)［1］。電腦中的遠(yuǎn)程控制技術(shù)始于DOS時代，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，遠(yuǎn)程操作及控制技術(shù)越來越引起人們的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于人們的日常工作和生活中，如遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程協(xié)助等［2－3］。遠(yuǎn)程控制將不僅極大地方便人們的日常生活，而且對整個社會生產(chǎn)活動將產(chǎn)生巨大的影響。

在傳統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，由于遠(yuǎn)程用戶與智能控制中心間的通信方式多采用電話線或網(wǎng)線，因而網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)延時較大、可靠性較差，給用戶帶來極大的不便。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)是基于實(shí)時操作系統(tǒng)并采用無線通信技術(shù)組建控制終端網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)實(shí)時性較好;用戶可通過瀏覽器登錄服務(wù)器來監(jiān)測控制遠(yuǎn)程終端，方便用戶使用。該系統(tǒng)便于應(yīng)用在智能家居、工業(yè)控制等相關(guān)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等的智能化控制，對改善人們的日常生活方式，提高人們的工作效率具有一定的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能是通過PC機(jī)或移動設(shè)備登錄服務(wù)器系統(tǒng)，訪問和控制多個遠(yuǎn)程控制終端。根據(jù)其功能特點(diǎn)，該系統(tǒng)由無線控制終端和主控系統(tǒng)兩個部分組成。

1)無線控制終端由微控制器、傳感器模塊、無線收發(fā)模塊和控制電路模塊構(gòu)成。微控制器通過無線收發(fā)模塊與主控系統(tǒng)平臺進(jìn)行信息交互，傳感器模塊將采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息傳給微控制器進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果發(fā)送給主控系統(tǒng)進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

2)主控系統(tǒng)由主控模塊、Web服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、無線收發(fā)模塊與現(xiàn)場控制模塊構(gòu)成。

主控模塊以Cortex－M3為核心處理器，搭載uCOSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)對各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行管理和維護(hù)。Web服務(wù)器存儲網(wǎng)頁數(shù)據(jù)和無線控制終端的數(shù)據(jù)信息。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用ENC28J60網(wǎng)絡(luò)接口芯片設(shè)計(jì)，通過移植TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)與Internet的連接。無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)與控制終端的信息交互?，F(xiàn)場控制模塊以TFT_LCD觸屏液晶建立良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備信息的控制和查看，并對控制終端進(jìn)行參數(shù)配置、初始化以及設(shè)置服務(wù)器遠(yuǎn)程功能的權(quán)限，防止非法訪問和操作，確保系統(tǒng)安全。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊以Cortex－M3為核心處理器。Cortex－M3是基于ARM公司ARMv7－Mz體系結(jié)構(gòu)的32位微處理器芯片，其處理器在結(jié)構(gòu)上包括處理器內(nèi)核、嵌套向量中斷控制器、存儲器保護(hù)單元、總線接口單元和跟蹤調(diào)試單元等，有以下特點(diǎn)［4－5］:

1)采用了基于哈佛(Harvard)架構(gòu)的3級流水線內(nèi)核，集成了分支預(yù)測、單周期乘法、硬件除法等功能，可達(dá)到1.25 DMIPS/MHz的運(yùn)算速度，而功耗僅為0.19 mW/MHz。

2)采用的Thumb－2指令集結(jié)合了16位指令代碼密度和32位指令的性能，具有更高的指令效率和更強(qiáng)的性能。

3)Cortex－M3處理器總線矩陣將處理器核、調(diào)試接口與外部總線相連接，采用非對齊數(shù)據(jù)訪問和位段技術(shù)，使得處理器的片上外圍設(shè)備訪問速度大大提高。

因此，Cortex－M3與ARM7、ARM9等其他系類相比，在相同時鐘頻率下的運(yùn)行速度可提高35，代碼可節(jié)省45，具有高性能、低功耗等特點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用ENC28J60網(wǎng)絡(luò)接口芯片設(shè)計(jì)。ENC28J60是全球目前最小封裝的以太網(wǎng)控制器，符合IEEE 802.3協(xié)議，且只有28引腳，體積小、設(shè)計(jì)簡單、容易使用［6］。它采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需4條連線即可與MCU連接，速度可達(dá)10 Mb/s。

2.3 控制終端硬件電路設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制終端采用STC11L02E單片機(jī)作為微控制器，通過無線收發(fā)模塊NRF2401收發(fā)數(shù)據(jù)信息，繼電器控制設(shè)備的工作狀態(tài)，并將傳感器檢測的設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給主控模塊。本系統(tǒng)的控制終端實(shí)驗(yàn)測控對象為電熱水器，采用DS18B20傳感器對水溫進(jìn)行測量。其中，STC11L02是一款高性能、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，既兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，且運(yùn)行速度快8～12倍，被廣泛應(yīng)用于高速通信、智能控制與強(qiáng)干擾場合［7］。DS18B20是美國新一代“一線總線”的溫度傳感器，體積小、價格低、使用靈活，測溫范圍為－55℃ ～125℃，精度為±0.5℃。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

uCOSII是一種源代碼公開、結(jié)構(gòu)小巧的實(shí)時操作系統(tǒng)，包含了任務(wù)調(diào)度、時間管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間的通信和同步等基本功能。CPU硬件相關(guān)部分用匯編語言編寫，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2 KB［8］。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需移植uCOSII操作系統(tǒng)來管理維護(hù)各項(xiàng)任務(wù)。

3.1 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是基于uCOSII實(shí)時操作系統(tǒng)創(chuàng)建信號集和各項(xiàng)任務(wù)，通過信號集完成任務(wù)間的通信和同步功能。在系統(tǒng)初始化后創(chuàng)建MyTask()任務(wù)，然后，在其任務(wù)內(nèi)創(chuàng)建3個子任務(wù)，分別是MyTask1、MyTask2、MyTask3。MyTask1任務(wù)完成和控制終端的信息交互，并將數(shù)據(jù)信息存儲于Web服務(wù)器;MyTask2任務(wù)負(fù)責(zé)以太網(wǎng)信息的交互，發(fā)送Web服務(wù)器的網(wǎng)頁數(shù)據(jù);MyTask3任務(wù)完成現(xiàn)場控制系統(tǒng)的功能，顯示終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對控制終端直接操作以及遠(yuǎn)程用戶的權(quán)限設(shè)置。

3.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序由TCP/IP協(xié)議棧和ENC28J60硬件驅(qū)動程序兩部分組成。TCP/IP協(xié)議負(fù)責(zé)與應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換，ENC28J60驅(qū)動程序負(fù)責(zé)TCP/IP與Internet網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。TCP/IP協(xié)議采用開源、非常小巧的uIP協(xié)議棧。uIP協(xié)議去掉了TCP/IP中不常用的功能，簡化了通信流程;其硬件處理層、協(xié)議棧層和應(yīng)用層共用一個全局緩存區(qū)，節(jié)省了空間和時間，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 uIP協(xié)議棧

由上圖知，uIP協(xié)議通過API函數(shù)實(shí)現(xiàn)底層硬件和高層應(yīng)用程序的通信，即uip_init()，uip_input()和uip_periodic()，其與應(yīng)用程序的主要接口是UIP_APPCALL()函數(shù)。

3.3 嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)

嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)需移植Boa服務(wù)器。Boa服務(wù)器是一款單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，具有處理速度快和效率高等特點(diǎn)［9］。

Boa服務(wù)器的移植主要修改和配置mime.type和boa.conf文件，配置CGI腳本的存放路徑，創(chuàng)建CGI腳本目錄和HTML文檔目錄。當(dāng)Web服務(wù)器收到請求時，CGI程序處理瀏覽器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的HTML頁面發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶。

Web服務(wù)器共設(shè)計(jì)兩個頁面，分別是用戶登錄認(rèn)證頁面和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制頁面，通過Web瀏覽器輸入服務(wù)器IP地址，顯示登錄頁面，輸入用戶名和密碼進(jìn)入遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)頁面。Boa服務(wù)器的執(zhí)行流程如圖3所示。

3.4 控制終端程序設(shè)計(jì)

控制終端程序設(shè)計(jì)采用PID控制算法設(shè)計(jì)的PID控制器結(jié)合了比例、積分、微分三種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，使閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)盡可能地穩(wěn)、準(zhǔn)、快。

圖3 Boa服務(wù)器執(zhí)行流程圖

PID控制算式為:其傳遞函數(shù)可表示為:

式中:KP、Ti、Td分別是控制器的比例增益、積分時間和微分時間系數(shù);u0是控制器初始時輸出值，一般情況下為0;u(t)是控制器在t時刻的輸出值;e(t)是t時刻設(shè)定值與測量值之間的偏差值。其控制原理框圖如圖4所示。

圖4 控制原理框圖

控制終端通過無線收發(fā)模塊接收上位機(jī)的指令信息來執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。其控制程序采用PID控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過傳感器將運(yùn)行狀態(tài)反饋給PID控制器，控制器輸出控制信號執(zhí)行操作。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

本系統(tǒng)基于Cortex－M3處理器和Keil_MDK軟件平臺設(shè)計(jì)開發(fā)完成，無線控制終端基于STC11XX系列微控制器設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展，可對多種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。為了測試遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的性能參數(shù)，本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試對象為電熱水器，實(shí)現(xiàn)對電熱水器的遠(yuǎn)程控制和水溫監(jiān)測。用戶通過Web瀏覽器發(fā)出指令信息，終端熱水器接收到指令信息后，其水溫和加熱狀態(tài)情況如表1所示。

表1 熱水器的指示燈及水溫情況

分析上表得出該系統(tǒng)的控制延遲Ts=0.18 s，系統(tǒng)誤差Er=0，穩(wěn)定系數(shù) λ=79.5/80=0.993 7。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合上述參數(shù)指標(biāo)可看出本系統(tǒng)實(shí)時性好、誤差低、可靠性高且性能穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)在高性能、低功耗的Cortex－M3處理器和uCOSII操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合PID算法的穩(wěn)、準(zhǔn)、快特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可通過PC機(jī)或移動終端的Web瀏覽器登錄服務(wù)器來控制及監(jiān)測遠(yuǎn)程控制終端的、簡單實(shí)用的遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實(shí)時性好、設(shè)計(jì)成本低，在智能家居與工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，對改善人們的生活方式，提高工作效率具有一定的意義。

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