利用Xport 將設(shè)備層的測控單元連網(wǎng)技術(shù)
| 1 引言 隨著Internet 技術(shù)發(fā)展的日益成熟,使得基于分組交換技術(shù)的通信性能、通信質(zhì)量和可靠性得到了穩(wěn)步提高,借助Internet傳送各種測量和控制信息,具有快速、方便、可靠的特點,嵌入式系統(tǒng)與Internet 技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)遠程控制,已成為目前嵌入式系統(tǒng)研究的新熱點。嵌入式系統(tǒng)與internet 相結(jié)合,要求嵌入式設(shè)備要能夠接入internet ,同時還要能夠提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù),實現(xiàn)這些服務(wù)的關(guān)鍵是滿足TCP/ IP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。對TCP/ IP 協(xié)議的處理通常有兩種方法,一種是采用實時操作系統(tǒng)ROTS ,用軟件的方式直接處理TCP/ IP協(xié)議;另一種方法是采用固化了的TCP/ IP 協(xié)議的硬件芯片通過外部硬件電路處理TCP/ IP 協(xié)議。這兩種方法要求開發(fā)人員對實[/align]時操作系統(tǒng)(RTOS) 和TCP/ IP 協(xié)議都要十分熟悉,并且軟件的實現(xiàn)往往需要高檔的微控制器提供更快的速度,更大的存儲量,還要配備專門的接口,因此常常使簡潔的嵌入式系統(tǒng)變得非常臃 腫,同時帶來的是開發(fā)成本和復(fù)雜程度的增加,開發(fā)周期的延長。此外,當(dāng)前大量存在的是用8 和16 位的微控制器開發(fā)成的嵌入式系統(tǒng),若在它們有限的系統(tǒng)資源下加入實時操作系統(tǒng)或固化TCP/ IP 等Internet 協(xié)議是比較困難的[5 ] 。如果使用Xport進行系統(tǒng)開發(fā),便可以使這些低檔的MCU 系統(tǒng)通過串口快速方便地具有聯(lián)網(wǎng)功能了。 2 嵌入式設(shè)備服務(wù)器Xport [1 ] 美國Lantronix 公司的Xport 嵌入式設(shè)備服務(wù)器是一種單芯片、專為面向嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。它是一種從串口到以太口(RJ45) 的轉(zhuǎn)換設(shè)備,開發(fā)人員可以不必考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,也不用對自己已經(jīng)開發(fā)好的系統(tǒng)進行全面改動,只需在原應(yīng)用系統(tǒng)上增加小段接口程序即可實現(xiàn)上網(wǎng)功能,降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜程度,并能大大縮短了開發(fā)周期。 2. 1 嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Xport 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Xport 為嵌入式系統(tǒng)提供了完整的集成方案,其一端是輸出 為3. 3 伏COMS 電平的高速串口,另一端是傳輸率為10/ 100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)口(RJ45) ;內(nèi)部集成了可靠成熟的操作系統(tǒng)、嵌入式WEB 服務(wù)器、完整的TCP/ IP 協(xié)議棧,還具有email 報警功能。 Xport 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。Xport 利用其一端的串口與底層MCU 的( I/ O 節(jié)點相連) ,上層用另一端的以太網(wǎng)接口RJ45 可直接接入Internet ,可以使串行設(shè)備具有聯(lián)網(wǎng)能力,并允許授權(quán)用戶在internet 上用瀏覽器對現(xiàn)場進行遠程監(jiān)控。 圖1 Xport 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 Xport 總體上是基于Lantronix 公司自主設(shè)計的16 位DSTni -Lx186 CPU ,該CPU 具有2K字節(jié)的ROM大于5K字節(jié)的SRAM、Watchdaog 以及UART、SPI、Ethernet 網(wǎng)等外圍設(shè)備接口。Xport 內(nèi)部還有512K字節(jié)的Flash ROM,用戶可以存放按自己用途開發(fā)的網(wǎng)頁和Java 小程序,也可以用來給系統(tǒng)進行軟件升級。為了防止電磁干擾,Xport 內(nèi)部增加了隔離濾波模塊,保證數(shù)據(jù)安全正確的傳輸,此外Xport 還具有外部重啟動功能。 2. 2 嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Xport 協(xié)議架構(gòu) Xport 所采用的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)SuperTask 以及其所支持的Internet 協(xié)議都存放在DSTni - Lx186 CPU 的256K 字節(jié)SRAM中。SuperTask 是由Lantronix 公司自主開發(fā)的實行操作系 統(tǒng),它以MultiTask 為內(nèi)核開放型的操作系統(tǒng),易于操作修改和維護,同時SuperTask 具有穩(wěn)定性好,具有遠程維護和遠程監(jiān)視的能力和優(yōu)越的處理性能等特點,加強了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信、協(xié)議和管理等方面的功能。Xport 具有比較完備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,其結(jié)構(gòu)如圖2 所示:圖2 Xport 的TCP/ IP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 這些協(xié)議按照分層協(xié)議棧的方式精心組織,應(yīng)用層有SN2MP、SMTP、Telnet 、HTTP 協(xié)議。HTTP 協(xié)議用以實現(xiàn)和瀏覽器通訊提供各種類型資源,如HTML、圖片等;SMTP 協(xié)議實現(xiàn)簡單郵件傳輸,用來發(fā)送E - mail 告警信息。傳輸層有TCP、UDP 兩種協(xié)議可選擇,其中TCP 是面向連接的傳輸協(xié)議,它支持出錯重傳機 制,為用戶提供可靠的數(shù)據(jù)流,但實時性較差,可以用于對可靠性要求較嚴(yán)格的文件傳輸,而UDP 是面向無連接的傳輸協(xié)議,它不保證數(shù)據(jù)傳輸100 %可靠,但提供了很高的實時性,用戶可根據(jù)自己的需要選擇其一。還有網(wǎng)絡(luò)層的IP、ICMP 協(xié)議通過數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的Ethernet 進行Internet 數(shù)據(jù)交互[2 ] 。 2. 3 Xport 參數(shù)設(shè)置及地址分配 每個Xport 都有一個唯一的MAC 地址,接入網(wǎng)絡(luò)之前必須根據(jù)MAC 地址給它分配有效的IP 地址,并且對高速串口所使用的協(xié)議、握手信號、E - mail 觸發(fā)方式等參數(shù)進行設(shè)置。所有這些參數(shù)都可以通過Xport Installer 軟件調(diào)用內(nèi)嵌參數(shù)網(wǎng)頁進行簡單直觀設(shè)置, 其中高速串口支持RS232 協(xié)議, 波特率有4800bps、9600bps、19200bps 等11 種可選,其他參數(shù)如數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位,都可以在此設(shè)置。Xport 還有一個很實用的功能,就是Email 告警,當(dāng)監(jiān)控對象發(fā)生異常時Xport 就會發(fā)E2mail 給主機監(jiān)控頁面,以便管理人員能及時采取措施。Email 觸發(fā)條件有兩種選擇,可根據(jù)應(yīng)用任選其一:第一種是當(dāng)串口收到特定的字符時觸發(fā);第二種是當(dāng)Xport 的三個可編程的引腳電平滿足所設(shè)定的條件時即可觸發(fā)。 3 遠程室溫監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成 遠程監(jiān)測的實質(zhì)是將前端傳感設(shè)備信號轉(zhuǎn)化符合TCP/ IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)信號,使用戶通過局域網(wǎng)或Internet 端就能訪問到監(jiān)測數(shù)據(jù),并把終端的調(diào)節(jié)控制命令轉(zhuǎn)化程MCU 所能接受的串口數(shù)據(jù),再由MCU 控制執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)動作從而達到調(diào)節(jié)控制的目的。在整個系統(tǒng)的構(gòu)建中按照監(jiān)測功能和監(jiān)測參數(shù)頁面均“分散化”的設(shè)計思想,監(jiān)測系統(tǒng)采用基于嵌入式設(shè)備服務(wù)器的B/ S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6 ] ,系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3 所示。整個系統(tǒng)分為三層:管理層、中間層和設(shè)備層。其中管理層負責(zé)整個系統(tǒng)溫度歷史數(shù)據(jù)的收集、顯示,調(diào)節(jié)系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù),發(fā)送調(diào)節(jié)控制命令,這些功能由管理層中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web 服務(wù)器來實現(xiàn)。Web 服務(wù)器用來生成整個監(jiān)控系統(tǒng)頁面,并通過與Xport 交互來顯示監(jiān)測到的數(shù)據(jù),同時向各監(jiān)測點發(fā)送各種調(diào)節(jié)控制命令,它相當(dāng)于一 個門戶站點,遠程授權(quán)用戶可以通過internet 對其進行訪問。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB 服務(wù)器在邏輯上是相互獨立的,它們可以存在于同一臺機器上,也可以存在于不同機器上。由于它們之間的這種相互獨立,一些高級的應(yīng)用就可以運行而不會影響系統(tǒng)的性能。 中間層實際上成為管理層與設(shè)備層之間的一個連接,它主要作用是協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞,設(shè)備層是由溫度傳感器、執(zhí)行器以及微控制器(MCU) 組成的底層數(shù)據(jù)采集控制模塊。采樣獲得的數(shù)據(jù)由MCU 判斷,一旦所測的數(shù)據(jù)超出安全范圍,MCU 立刻觸發(fā)Xport 的Email 告警功能,通知管理層采取措施。如果在安全范圍內(nèi),數(shù)據(jù)則經(jīng)串口傳給Xport ,由嵌入到Xport 中的Java 小程序來訪問,通過Socket 連接傳到管理層并在監(jiān)測頁面上顯示。由管理層通過監(jiān)測頁面發(fā)出的調(diào)節(jié)控制命令也通過Socket 連接傳給Xport ,MCU 接到串口發(fā)來的數(shù)據(jù)后控制執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)的動作,對室溫進行調(diào)控。 圖3 遠程室溫監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點: 第一, 采用監(jiān)測功能與監(jiān)測參數(shù)頁面均“分散化”的設(shè)計思想構(gòu)建系統(tǒng),使整個系統(tǒng)對管理層的依賴性大大降低,提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。 第二, 在已有的應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)上只需增加一段與Xport 通訊的接口程序,其他無需作大的改動便可以使原系統(tǒng)接入Inter2net ,實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測,大大提高了系統(tǒng)的擴展性。 第三, 這種結(jié)構(gòu)對MCU 的要求較低,無論是運行速度、硬件配置和存儲容量等方面均無非常特殊的要求,降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。 第四, 系統(tǒng)在統(tǒng)一了各層接口的情況下,管理層、中間層和 設(shè)備層三層可以同時進行開發(fā),可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。 4 管理層、中間層通訊軟件實現(xiàn) 整個系統(tǒng)基于嵌入式設(shè)備服務(wù)器的B/ S 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并且要求監(jiān)測主頁面要實時動態(tài)地顯示不同監(jiān)測點的數(shù)據(jù)并要和Xport 進行動態(tài)交互。在軟件開發(fā)方面,Java 語言具有面向?qū)ο笈c操作平臺無關(guān)、多線程執(zhí)行的特點,此外它還具有擴展HTML語言(超文本標(biāo)記語言) 的功能,這些特點能很好的滿足遠程室溫監(jiān)測系統(tǒng)的要求[3 ] 。遠程室溫監(jiān)測系統(tǒng)管理層與中間層通信的軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。本系統(tǒng)中間層的Xport 與管理層的通信軟件主要由Xport 初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)接受、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)處理等模塊組成。在程序中加入基于TCP/ IP 協(xié)議的用戶自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議,這樣使終端客戶機能與Xport 服務(wù)器進行自定義的通信,如發(fā)送升溫、降溫命令、采集參數(shù)初始命令等。 圖4 中間層與管理層通信的軟件結(jié)構(gòu)圖 Xport 初始化完成后,授權(quán)用戶通過瀏覽器向WEB 服務(wù)器發(fā)出HTTP 請求,然后Java 小程序隨同HTML 文件下載到客戶端,并由客戶端的Java 虛擬機來執(zhí)行,同時Java 小程序和Xport建立Socket 連接,該連接把采集到的數(shù)據(jù)傳給WEB 服務(wù)器,同時還傳給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[4 ] 。在整體數(shù)據(jù)流動的過程中Xport 起到了從以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流到SPI 數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換作用,MCU 從串口發(fā)來的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū),“接受數(shù)據(jù)”程序一旦查詢到緩沖區(qū) 有新的數(shù)據(jù)傳來,便將數(shù)據(jù)交給“數(shù)據(jù)處理”程序處理?！皵?shù)據(jù)處理”程序主要是對此數(shù)據(jù)根據(jù)所選的協(xié)議幀格式進行打包處理,數(shù)據(jù)打包后上傳到管理層顯示。如果室溫需要調(diào)節(jié)時,管理員可通過監(jiān)測頁面下達的調(diào)節(jié)控制命令,這些命令包經(jīng)“數(shù)據(jù)處理”程序?qū)ζ溥M行解析,最終由“發(fā)送數(shù)據(jù)”程序傳遞給MCU 來執(zhí)行。 5 結(jié)束語 通過瀏覽器對現(xiàn)場的環(huán)境進行監(jiān)測是將Internet 引入監(jiān)測領(lǐng)域的一種新技術(shù)。本文所介紹的基于Xport 的網(wǎng)絡(luò)化遠程室溫監(jiān)測方案正是應(yīng)用這一嵌入式Internet 新技術(shù)來構(gòu)建的,該系統(tǒng)硬軟件設(shè)計簡單、靈活性好、使用方便,可根據(jù)需要應(yīng)用到其他的監(jiān)測領(lǐng)域,具有一定的推廣價值。 |
