基于以太網的Web遠程控制系統的設計

駱舒萍

(黎明職業大學 實驗實訓部， 福建 泉州 362000)

近年來，計算機技術、信息技術、通信技術和電子控制技術等高新技術迅速發展，控制系統已被廣泛的應用于人們的日常生活和工業生產.隨著網絡技術的不斷發展進步，網絡實時性、安全性和可靠性的進一步提高，Internet技術以其靈活、方便的連接方式，高效、低廉的性價比，在當前的局域網領域得到了廣泛的應用[1].與Internet技術相結合的遠程控制系統正在逐步替代傳統的控制系統，實現進行遠程控制和通信的需求.

本文主要針對AVR單片機，結合嵌入式網絡技術，提出了一種基于以太網的Web遠程控制系統設計.該方案成功地實現了系統設備控制的網絡化和溫度采集，改變了傳統的監控模式，達到操控的實時、快速和有效.

1 遠程控制系統的硬件設計

1.1 硬件系統的整體結構

硬件平臺主要包含四個部分：ATmega32單片機模塊、ENC28J60網絡模塊、Pt100傳感器測溫模塊和USB接口風扇.整體框圖如圖1所示.系統以單片機為主處理器，搭建Web可視化操作，可以實現通過以太網發送信號遠程控制USB風扇設備的運行，同時能檢測設備的實時溫度，經過AD采樣處理，最后同步顯示在Web服務器的界面上.

圖1 系統設計的整體框圖

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ATmega32，它是基于增強的AVRRISC結構的高性能、低功耗的8位CMOS微控制器.ATmega32功能強大，具有豐富先進的指令集，單時鐘周期指令執行時間，大存儲容量和強I/O功能等特點.它的數據吞吐率高達 1MIPS MHz，可以緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾[2-3]，并且與IEEE 1149.1 標準兼容，為許多嵌入式控制開發和應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，它測量范圍大，靈敏度、準確度高，同時具有較強的抗干擾性和較好的穩定性.主要設計原理是當Pt100在0攝氏度的時候，它的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長，但之間并非簡單的線性關系，而更應該趨近于一條拋物線[4].Pt100可以將溫度變量轉化為可傳輸的標準輸出電壓信號，但溫度傳感器的電壓很低，采集到的數據將無法傳送到主機，為了能使Pt100傳感器能夠在常溫下(0～100℃)有比較好的可測電壓，滿足可供ATmega32 A/D 轉換的輸入電壓，讓溫度值更加精確，必須對傳感器的原始輸出電壓進行放大.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，從系統的5V電源端通過分壓電阻R1連接，通過單片機軟件校正接法引起的非線性問題，接入簡單.芯片F1充當跟隨器起保護傳感器的作用，F2放大信號.

(3)網絡模塊.該模塊芯片選用MicroChip公司推出的ENC28J60，它是一款帶有行業標準SPI串行接口的高性能以太網控制器，可使用UDP、TCP協議進行通訊，數據傳輸速率高達10Mb/s，可為嵌入式應用提供低引腳、低成本、精簡的遠程通訊網絡接口.ENC28J60由七個主要功能模塊組成，包括充當通信通道的SPI接口、接收和發送數據包的雙端口RAM緩沖器、控制寄存器、判優器、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，系統采用Lm1117 3.3 線性電源穩壓芯片為整個網絡模塊供電.使用單芯片，硬件接口電路連接簡單，通過TCP/IP協議的應用，程序的編寫，即可實現主控單片機連接網絡傳輸數據的功能，大大簡化了相關的設計.

(4)USB風扇模塊.USB風扇模塊即為控制設備，根據實際需要系統可以添加多個設備進行遠程操控.USB風扇模塊通過場效應管放大電路改變輸入電壓來控制輸出電流的特性，利用單片機PWM信號作為放大電路的輸入端，控制場效應管的開關，從而控制風扇的轉停.

2 軟件的設計

2.1 以太網通信的實現

為了實現用戶和設備的遠程信息交互，需要構建Web服務器.系統采用在單片機和ENC28J60網絡模塊中直接模擬實現WebServer，而無需基于PC機.系統的軟件設計主要包含硬件設備的初始化配置、TCP/IP協議棧的構建、數據采集及處理等模塊，如圖3所示為單片機信息處理軟件流程圖.當數據信息包通過RJ45接口傳送到ENC28J60和單片機后，利用單片機對信息進行HTT、 TCP/IP等協議的處理，如數據包解析、數據包的解包或打包，以及流向判斷等，使之變成可以在互聯網上傳輸的IP數據包，同時配置網頁數據存儲信息.當用戶通過瀏覽器訪問指定地址時，Web服務器分析響應請求，由TCP/IP協議棧對數據包解析獲得原始請求信息，再經單片機處理并相應地向瀏覽器返回請求結果回復網頁的HTML代碼[6].

圖3 單片機信息處理軟件流程圖

2.2 遠程實時控制網頁的設計

HTTP協議最典型的應用是在Web服務器和Web瀏覽器之間傳遞數據，因此，控制網頁界面模塊是通過html語言編輯而成.在以太網的基礎上，系統設計通過Web瀏覽器訪問服務器IP地址,登陸遠程控制頁面，向外界實時提取實際測量物理量和對設備進行實際操控，同時實現對測量物理量的自動刷新.如圖4、圖5所示分別為遠程控制界面設計主程序流程圖和實時溫度監測流程圖.

圖4 遠程監控界面主程序流程圖

從流程圖可以看出，系統設計主要包括遠程控制和實時監測兩大功能模塊.遠程控制模塊是一個控制單一的模塊，命令一下達就會對設備進行啟動或關閉，沒有返回程序，而實時監測模塊則不同，實時監測模塊不用下達命令就自動采集溫度，啟動自動刷新功能則可以進行溫度反饋直到下達停止命令.

圖5 實時溫度監測流程圖

3 結束語

系統以ATmega32單片機為中心，結合ENC28J60網絡模塊、Pt100傳感器模塊及串口模塊構建網絡傳輸遠程控制系統.通過Internet網訪問嵌入式Web服務器，Web服務器通過以太網控制各個節點，以達到遠程實現溫度數據采集檢測和對系統設備操控的目的.用戶無需親臨工作現場，可以通過控制中心遠程同時管理多個系統設備，它提供一個高效全面安全快捷的服務模式，簡單可靠，可行性高.

本設計方案及實現技術應用廣泛，將傳統的監控系統與Web技術相結合的B/S模式下的計算機遠程監控系統可以廣泛地應用到智能樓宇、遠程安防監控系統、工業設備遠程監控等各種場合.

參考文獻：

[1]熊運塔.基于以太網的中央空調遠程控制系統設計[D].濟南：山東大學，2009.

[2]Atmel. ATMEGA32 DataSheet[EB/OL].http://www.doc88.com/p-24968075642.html

[3]徐振方，孟艷花，王艷.基于AVR單片機的LED顯示屏控制系統的研究[J].照明工程學報，2010，21(2)：78-80.

[4] 陳志文，王瑋. 基于Pt100鉑熱電阻的溫度變送器設計與實現[J].現代電子技術，2010(8):197-199.

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

[6]李國峰,王云.利用ENC28J60芯片搭建智能家居系統的Webserver環境[J].黑龍江科技信息，2009(6)：8.