嵌入式Web服務(wù)器在高頻電源上的應(yīng)用

廖佳榮

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引 言

新一代的工業(yè)革命正在興起，物聯(lián)網(wǎng)作為其中主要的組成部分，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。在人們的生活中，小到手表、鑰匙，大到汽車、別墅，只要嵌入一個(gè)小型芯片就可以實(shí)現(xiàn)智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多的物體均已實(shí)現(xiàn)了智能化，讓人們享受到更加安全輕松的生活。

嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)只針對(duì)一項(xiàng)特殊的任務(wù)，其功能單一、兼容性要求不高、可以進(jìn)行優(yōu)化且成本低廉[1]。

嵌入式Internet是近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，該技術(shù)可以使嵌入式系統(tǒng)連接Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，通常被稱為非PC Internet接入。TCP/IP協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議，采用TCP/IP協(xié)議有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可以利用現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行多點(diǎn)通信；二是TCP/IP已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各種設(shè)備上，嵌入式系統(tǒng)采用此協(xié)議可以直接跟其他設(shè)備進(jìn)行通信；三是現(xiàn)在的手機(jī)等智能終端設(shè)備都含有最基本的上網(wǎng)瀏覽功能，采用手機(jī)自帶的Internet瀏覽器即可跟嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行通信，無(wú)需特別安裝App。

本方案在設(shè)備中嵌入TCP/IP協(xié)議棧組成Web服務(wù)器，使用HTTP協(xié)議來(lái)與客戶端進(jìn)行通信，用戶可以在客戶端利用Internet瀏覽器直接訪問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器。由于嵌入式設(shè)備已經(jīng)接入Internet，因此用戶只要可以連接Internet便可查看設(shè)備的運(yùn)行情況，并做出相應(yīng)的設(shè)置修改。

1 實(shí)現(xiàn)方案

基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成方式可以分為兩大類：C/S結(jié)構(gòu)模式和B/S結(jié)構(gòu)模式[2]。C/S結(jié)構(gòu)，即Client/Server（客戶端/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)；B/S結(jié)構(gòu)，即Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)。在C/S結(jié)構(gòu)下，客戶端需要采用專門的App，比較典型的有現(xiàn)在國(guó)內(nèi)用戶使用廣泛的微信、QQ等，還有一些購(gòu)物的網(wǎng)站（如淘寶、京東等）。采用這種結(jié)構(gòu)不僅需要開(kāi)發(fā)服務(wù)器端程序，而且還需要進(jìn)行客戶端的程序開(kāi)發(fā)[3]。在B/S結(jié)構(gòu)下，服務(wù)器會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)布到Web服務(wù)器上，用戶只需要利用瀏覽器訪問(wèn)該服務(wù)器即可與設(shè)備進(jìn)行交互。

C/S結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)難點(diǎn)主要在于客戶端的開(kāi)發(fā)，移動(dòng)終端的操作系統(tǒng)五花八門，針對(duì)不同的系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)不同的客戶端App。例如，蘋果的手機(jī)需要專門開(kāi)發(fā)一款A(yù)pp，安卓的又要另一種。此外，還有版本的要求，如安卓4.0、5.0等，不同版本的兼容性都要考慮，開(kāi)發(fā)的成本很高[4-6]。

B/S結(jié)構(gòu)無(wú)需開(kāi)發(fā)客戶端程序，只要有Internet瀏覽器即可作為客戶端，任何安裝有瀏覽器的移動(dòng)終端均可以使用瀏覽器直接訪問(wèn)服務(wù)器，只需要進(jìn)行服務(wù)器端的程序開(kāi)發(fā)即可，開(kāi)發(fā)難度較低。B/S結(jié)構(gòu)模式開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是要使服務(wù)器端包含HTTP協(xié)議模塊，本方案便是基于該結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

本系統(tǒng)嵌入TCP/IP協(xié)議棧，程序增加HTTP模塊來(lái)支持HTTP協(xié)議，共同組成一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器。用戶通過(guò)瀏覽器發(fā)送請(qǐng)求信息，TCP/IP協(xié)議棧根據(jù)請(qǐng)求信息進(jìn)行解析，解析的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紿TTP模塊，HTTP模塊中的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理并將相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)文件傳遞回TCP/IP協(xié)議棧，再發(fā)送到用戶的瀏覽器上[7]。

服務(wù)器提供兩種連接方式供移動(dòng)終端進(jìn)行訪問(wèn)：方式一是系統(tǒng)內(nèi)建WiFi熱點(diǎn)，移動(dòng)終端連接WiFi熱點(diǎn)，使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器直接訪問(wèn)Web服務(wù)器；方式二是服務(wù)器通過(guò)撥號(hào)上網(wǎng)連接上Internet，移動(dòng)終端必須連接Internet網(wǎng)絡(luò)，使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪問(wèn)Web服務(wù)器。

系統(tǒng)通過(guò)通信電纜連接到高頻電源，定期發(fā)送查詢指令獲取高頻電源的運(yùn)行參數(shù)，并將當(dāng)前高頻電源的運(yùn)行參數(shù)等信息嵌入到Web頁(yè)面發(fā)布到網(wǎng)上，這樣高頻電源的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)就呈現(xiàn)在瀏覽器上[8-11]。用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)上的參數(shù)輸入框修改設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)收到參數(shù)修改后發(fā)送修改指令到高頻電源，高頻電源返回新的運(yùn)行參數(shù)，在網(wǎng)頁(yè)上可以及時(shí)查看操作結(jié)果。

2 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式Web服務(wù)器需要嵌入TCP/IP協(xié)議棧，對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度要求比較高，如果采用8位或16位的MCU，由于TCP/IP等Internet協(xié)議需要很多系統(tǒng)資源，因此系統(tǒng)運(yùn)行緩慢或完全無(wú)法運(yùn)行。基于此，本系統(tǒng)采用32位MCU。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件框圖

（1）控制芯片MCU。STM32控制芯片是ST公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位MCU。本系統(tǒng)采用STM32F103RC增強(qiáng)型MCU，它可以提供48kB的SRAM、256kB的片內(nèi)FLASH以及豐富的外設(shè)接口，性價(jià)比極高。

（2）串口通信。高頻電源的通信連接采用RS485串口。STM32系列處理器均集成有USART串行通信接口，要與RS485串口進(jìn)行通信必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAX3485。MAX3485采用半雙工通信方式，具有將TTL轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。同時(shí)其與MCU的連接也非常簡(jiǎn)單，只要分別連接MCU的RXD、TXD，再增加EN信號(hào)控制MAX3485的接收和發(fā)送即可。

（3）以太網(wǎng)通信。ENC28J60是一種帶有SPI接口的網(wǎng)絡(luò)適配器模塊，單片機(jī)只要具有SPI控制器便可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)適配器模塊擴(kuò)展出以太網(wǎng)接口。ENC28J60內(nèi)置MAC+PHY芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的以太網(wǎng)物理層連接，內(nèi)部集成有一塊10M BASE-T芯片，SPI接口的通信速率每秒最高可達(dá)10 MB，通過(guò)SPI接口連接MCU，嵌入式系統(tǒng)無(wú)需安裝操作系統(tǒng)即可單芯片接入以太網(wǎng)。

（4）無(wú)線路由。無(wú)線路由器可以將RJ45接口傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換成WiFi信號(hào)通過(guò)天線轉(zhuǎn)發(fā)給附近的移動(dòng)終端，移動(dòng)終端通過(guò)連接無(wú)線路由器的熱點(diǎn)，在瀏覽器輸入網(wǎng)址即可與高頻電源進(jìn)行信息交互。無(wú)線路由器的覆蓋半徑一般為50 m，超出范圍的移動(dòng)終端可以通過(guò)方式二進(jìn)行訪問(wèn)。本系統(tǒng)采用無(wú)線路由嵌入無(wú)線3G模塊，使用資費(fèi)卡通過(guò)運(yùn)營(yíng)商3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)，移動(dòng)終端可以通過(guò)GPRS撥號(hào)或連接已經(jīng)接入了Internet的WiFi熱點(diǎn)等方式連接Internet，在瀏覽器中輸入網(wǎng)址便可實(shí)現(xiàn)與高頻電源的信息交互。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件平臺(tái)

采用微控制器開(kāi)發(fā)工具M(jìn)DK對(duì)基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

3.2 主程序

系統(tǒng)送電，程序開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)首先初始化硬件，包括STM32、ENC28J60以及串口等；其次初始化Web服務(wù)器，載入HTTP模塊；最后初始化完成后，開(kāi)始進(jìn)入主程序運(yùn)行階段。主程序運(yùn)行主要包括以下4個(gè)階段：

（1）發(fā)送讀取命令至高頻電源；

（2）將讀取到的高頻電源運(yùn)行參數(shù)等更新網(wǎng)頁(yè)；

（3）判斷是否接收到客戶端瀏覽器的讀取請(qǐng)求，接收到請(qǐng)求則HTTP模塊處理請(qǐng)求后返回Web網(wǎng)頁(yè)，未接收到請(qǐng)求則直接進(jìn)入下一階段；

（4）判斷是否接收到客戶端瀏覽器的修改請(qǐng)求，未接收到修改請(qǐng)求則直接返回第一階段，收到修改請(qǐng)求則HTTP模塊處理請(qǐng)求后將新數(shù)據(jù)發(fā)送到高頻電源，然后返回第一階段。

3.3 服務(wù)器端程序開(kāi)發(fā)

瀏覽器與服務(wù)器連接后的信息交互過(guò)程如下：

（1）瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求消息；

（2）服務(wù)器接到瀏覽器的請(qǐng)求后，HTTP模塊進(jìn)行CGI處理，返回相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)程序；

（3）瀏覽器根據(jù)返回的網(wǎng)頁(yè)程序進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)解析；

（4）以上過(guò)程結(jié)束后，瀏覽器與服務(wù)器之間連接會(huì)斷開(kāi)，服務(wù)器進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一個(gè)瀏覽器連接請(qǐng)求。

3.4 CGI通用網(wǎng)關(guān)接口開(kāi)發(fā)

CGI是一種通用的網(wǎng)關(guān)接口程序，運(yùn)行在Web服務(wù)器端，可以對(duì)瀏覽器發(fā)來(lái)的請(qǐng)求信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與客戶端之間的信息交互。

CGI程序的處理過(guò)程如下：

（1）用戶的請(qǐng)求信息通過(guò)瀏覽器發(fā)送到Web服務(wù)器；

（2）CGI程序根據(jù)請(qǐng)求信息作出響應(yīng)，將結(jié)果傳送到Web服務(wù)器；

（3）Web服務(wù)器將處理結(jié)果反饋到用戶的瀏覽器頁(yè)面。

3.5 網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)

網(wǎng)頁(yè)文檔使用HTML語(yǔ)言直接在文本文件中添加標(biāo)記符號(hào)即可將文字、圖形、表格以及鏈接等資源組成一個(gè)完整的網(wǎng)頁(yè)文件，方便Internet瀏覽器解析。文本文件所占空間小，可以直接存儲(chǔ)在嵌入式Web服務(wù)器的Flash中，根據(jù)用戶的瀏覽請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)CGI程序的處理，返回相應(yīng)頁(yè)面至用戶的瀏覽器上。

4 結(jié) 論

本文介紹了嵌入式Web服務(wù)器在高頻電源上的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)B/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，采用TCP/IP協(xié)議棧，重點(diǎn)使用了HTTP協(xié)議。首先，系統(tǒng)硬件組成簡(jiǎn)單，可以方便地嵌入高頻電源或其他設(shè)備中；其次，系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)站，用戶與系統(tǒng)的交互過(guò)程其實(shí)是訪問(wèn)一個(gè)網(wǎng)站，無(wú)需特別的客戶端軟件；最后，系統(tǒng)可直接接入Internet，方便遠(yuǎn)程操控。