基于Nut/OS的城市路燈遠程控制系統(tǒng)的設計

【摘要】借助嵌入式web技術(shù)，通過B/S架構(gòu)實現(xiàn)計算機遠程控制路燈等設備已經(jīng)變成現(xiàn)實。然而這樣的實現(xiàn)往往需要將路燈的每一個控制節(jié)點作為一個web服務器，至少運行有簡單的web服務功能。通常這樣的系統(tǒng)不僅架構(gòu)復雜，而且造價成本高。本文在此基礎上提出一種基于Nut/OS的城市路燈遠程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將路燈控制節(jié)點和嵌入式web服務器進行分離。路燈控制節(jié)點只運行TCP/IP基本通信功能而沒有web服務功能，嵌入式web服務器通過UDP通信來管理和控制各個路燈控制節(jié)點，遠端計算機通過嵌入式web服務器管理路燈系統(tǒng)。該方案不僅實現(xiàn)遠程管理和控制路燈，同時降低了系統(tǒng)的復雜度和硬件成本。

【關鍵詞】嵌入式web；Nut/OS；B/S架構(gòu)；路燈管理

1.引言

目前城市路燈遠程控制系統(tǒng)流行C/S架構(gòu)和B/S架構(gòu)模式。C/S架構(gòu)可靠，造價高，系統(tǒng)不方便維護。而B/S架構(gòu)不需要監(jiān)控計算機安裝有特定的服務器軟件和客戶端軟件，不需要專機專用，而且配置監(jiān)控計算機位置不需要固定，只需要能與監(jiān)控的路燈遠端的web服務器網(wǎng)絡相通，即可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。因此B/S架構(gòu)越來越流行。

然而，當前的B/S架構(gòu)，往往都是監(jiān)控區(qū)域里，一個路燈控制節(jié)點作為一個嵌入式web服務器處理，控制節(jié)點硬件不僅需要運行基本的網(wǎng)絡通信協(xié)議TCP/IP，還要在此基礎上運行web服務，以便遠程監(jiān)控PC機訪問嵌入式網(wǎng)頁進行相應的監(jiān)控。這樣的設計架構(gòu)方便每一個節(jié)點的編程和控制，但是推高了系統(tǒng)的硬件成本，同時整個系統(tǒng)的軟件架構(gòu)復雜。

本文在現(xiàn)有架構(gòu)基礎上，將路燈控制節(jié)點的控制功能和嵌入式web服務功能進行分離，控制節(jié)點主要運行基本的TCP/IP通信協(xié)議和路燈控制和信號采樣，從而實現(xiàn)簡化控制節(jié)點的電路。嵌入式web服務器主要運行web服務功能，對遠端的PC機提供相應的web服務。嵌入式web服務器的路燈管理和控制室數(shù)據(jù)，是通過UDP協(xié)議與控制節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，通過UDP對控制節(jié)點進行控制操作。該方案降低了硬件資源需求，從設計可靠上，采用內(nèi)核小巧的Nut/OS作為操作系統(tǒng)。

2.Nut/OS介紹

Nut/OS是一款開源的優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)，適合在硬件資源不是很充裕的控制系統(tǒng)里應用。Nut/OS實時操作系統(tǒng)包括Nut/OS實時內(nèi)核和Nut/Net協(xié)議棧，除了非常少量與硬件相關的源代碼使用匯編語言編寫外，剩下的都是使用C語言編寫的，具有很高的可移植性。Nut/OS實時內(nèi)核是一個相對獨立的組件，可以單獨分拆出來當作一個小型實時操作系統(tǒng)使用，也可以很容易地移植到其他MCU上。

Nut/OS提供了I/O管理功能，不僅包含了大多數(shù)應用所需的I/O接口API函數(shù)，如文件管理系統(tǒng)、串行通信驅(qū)動、網(wǎng)絡驅(qū)動、聲卡和顯示驅(qū)動等。更重要的是它和免費的TCP/IP協(xié)議棧，NUT/NET無縫集成，NUT/NET除了支持ARP、IP、ICMP、UDP和TCP等協(xié)議外，還支持DHCP、PPP、DNS和HTTP用戶協(xié)議，是8位MCU中支持協(xié)議最多的免費TCP/IP協(xié)議棧。

3.遠程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設計

當前，很多的B/S路燈控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1（a）中所示，即控制節(jié)點是通過嵌入式web實現(xiàn)對路燈的監(jiān)控，然后通過交換機連接到監(jiān)控中心。該架構(gòu)增加了控制節(jié)點的硬件成本。本文的架構(gòu)體系在此基礎上，進行改進，如圖1（b）所示。

改進的架構(gòu)體系中如圖1（b）所示，將嵌入式web服務器從原來的各個控制節(jié)點抽出來單獨作為一個模塊，與遠程監(jiān)控中心的計算機機進行交互。

在硬件設計上，嵌入式web服務器資源相對充裕些，它一方面與遠程監(jiān)控中心進行web服務交互，一方面它與路燈控制節(jié)點進行UDP通信，對路燈控制節(jié)點進行相關的操作和控制。由于控制節(jié)點只要運行基本的TCP/IP通信協(xié)議，不需要運行web服務功能，大大降低的控制節(jié)點對硬件的要求，可以用低成本的芯片組來實現(xiàn)。

同時，由于路燈的采樣和控制的內(nèi)容不多，采用低速的網(wǎng)絡的芯片組足以滿足系統(tǒng)性能的要求，而且可靠，降低了系統(tǒng)的軟件、硬件復雜度。

4.遠程控制系統(tǒng)的硬件模塊設計

4.1 嵌入式web服務器設計

嵌入式web服務器的硬件設計CPU采用LM3S8962，該芯片是德州儀器（TI）公司提供基于ARM CortexTM-M3的控制器，它們?yōu)閷Τ杀居绕涿舾械那度胧轿⒖刂破鲬梅桨笌砹烁咝阅艿?2位運算能力。芯片內(nèi)部集成了256kB的單周期flash，64kB單周期訪問的SRAM，芯片的內(nèi)存和flash足夠運行Nut/OS系統(tǒng)。而芯片的價格和中端的8/16位芯片差不多。內(nèi)部集成的資源也很豐富，包括10M/100M以太網(wǎng)控制器等。

由于該芯片已經(jīng)集成了以太網(wǎng)控制器MAC層和物流層PHY，所以不需要外接其他以太網(wǎng)控制器比如CS9000、RTL8019等。只需要芯片引腳TXOP/TXON、RXIP/RXIN引腳外接網(wǎng)絡變壓器然后通過RJ45網(wǎng)口即可實現(xiàn)對外的網(wǎng)絡連接。

4.2 控制節(jié)點電路設計

控制節(jié)點由于不需要運行web服務功能，所以只需要能運行基本UDP通信功能即可。因此采用mega16芯片作為控制幾點的CPU，通過外接ENC28J60實現(xiàn)與web服務器的通信。ENC28J60與CPU通信接口SPI，而Mega16自身就集成了SPI接口，從而大大簡化控制節(jié)點網(wǎng)絡接口的設計。

5.遠程控制系統(tǒng)的軟件模塊設計

嵌入式web服務器，其主要功能是對遠端監(jiān)控PC提供web服務功能，對控制節(jié)點，要進行相應的控制。所以嵌入式web服務器運行了相應的遠程管理網(wǎng)頁，遠端通過訪問頁面實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理。應用層運行兩個服務任務，一個任務是web服務，對外提供網(wǎng)頁輸出和獲取相應的web輸入內(nèi)容，并根據(jù)http協(xié)議獲取相應的輸入后，執(zhí)行相應的操作。當遠端請求操作控制節(jié)點時，web服務通過CGI執(zhí)行與節(jié)點UDP通信程序，對控制節(jié)點發(fā)送相關的消息實現(xiàn)對控制節(jié)點相關的硬件控制，比如路燈的打開和關閉，路燈狀態(tài)的檢測等等。

控制節(jié)點主要執(zhí)行web服務器發(fā)送來的命令，并根據(jù)相應的命令執(zhí)行后，把結(jié)果返回給web服務器。由于控制節(jié)點只運行基本的UDP通信，而且通信數(shù)據(jù)量不大，所以對Nut/OS進行裁剪，只保留基本的任務管理和TCP/IP協(xié)議棧，在這基礎上，增加一個UDP應用任務。該任務接收來自web服務器的命令，并將相關的命令翻譯成相關的動作并執(zhí)行。主要執(zhí)行的web服務器發(fā)來的開燈、關燈、電流/電壓采樣。并將執(zhí)行的結(jié)果通過UDP方式傳給web服務器。

整個路燈遠程控制系統(tǒng)軟件模塊架構(gòu)如圖2所示。

遠端計算機（或PC機）通過http協(xié)議訪問嵌入式web服務器，執(zhí)行相應的web操作后，web服務器將操作轉(zhuǎn)換為相應的命令，并通過調(diào)用CGI接口來啟動UDP服務器程序，UDP服務器程序?qū)⑾嚓P的操作命令通過UDP的方式發(fā)送給控制節(jié)點。控制節(jié)點的UDP應用程序接收到相關的UDP報文后，將其翻譯為具體的操作命令，操作命令通過調(diào)用相應的I/O控制函數(shù)，實現(xiàn)對路燈的開、關控制以及相關的環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并將執(zhí)行的結(jié)果通過UDP方式發(fā)回web服務器。Web服務器收到相關的反饋結(jié)果后，對web頁面的相關控制條目進行響應和修改，然后把修改的結(jié)果傳回給遠端的監(jiān)控PC機。

6.結(jié)束語

本文介紹了基于Nut/OS的遠程路燈控制系統(tǒng)B/S軟件架構(gòu)和硬件實現(xiàn)方法，該方案在原有的B/S控制系統(tǒng)架構(gòu)上進行改進，將嵌入式web服務器和控制節(jié)點控制電路分離，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，尤其是簡化了控制節(jié)點終端的軟件體系，同時降低了設備的硬件成本。

當然，該方案降低了硬件性能和實現(xiàn)成本，但增加了一定的軟件設計難度，主要的難點在Nut/OS的裁剪后運行于控制節(jié)點的處理上。總體上，該方案同時降低了整個系統(tǒng)的軟件復雜度和硬件復雜度，仍然利大于弊。

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作者簡介：潘承毅（1981—），男，貴州劍河人，助教，主要研究方向：計算機應用和嵌入式系統(tǒng)。