隨著互聯網技術近年來的不斷發展,機電設備融入互連網,並對其進行遠程監控得到了廣泛應用。基於嵌入式WEB的遠程監控是在傳統遠程監控的基礎上又融合了Web和嵌入式技術,可提供比傳統遠程監控更為強大的功能,將成為今後遠程監控技術發展的主流方向。Web技術彌補了傳統監控係統的不足,致使運用Web技術實現設備的遠程監控,已經越來越多地成為設備監控係統不可或缺的一部分。嵌入式設備的Web服務為現場設備的數據采集、監控、診斷和維護開辟了一個新的領域。 基於嵌入式Web的工業洗衣機遠程監控模型 基於嵌入式Web的遠程監控思想是在機電設備中實現HTTP 服務,將其轉化成Web Server嵌入到被控設備中,為Internet或局域網用戶提供基於Web 的(de)圖(tu)形(xing)化(hua)管(guan)理(li)接(jie)口(kou),從(cong)而(er)省(sheng)去(qu)了(le)專(zhuan)用(yong)客(ke)戶(hu)端(duan)管(guan)理(li)軟(ruan)件(jian),實(shi)現(xian)對(dui)接(jie)入(ru)到(dao)網(wang)絡(luo)中(zhong)各(ge)種(zhong)設(she)備(bei)的(de)統(tong)一(yi)管(guan)理(li)。用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)現(xian)有(you)的(de)公(gong)共(gong)通(tong)信(xin)網(wang)絡(luo),不(bu)受(shou)地(di)域(yu)限(xian)製(zhi),使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)Web瀏覽器作為接口直接訪問機電設備上的Web服務器,實現對網絡中各個節點現場設備的遠程監控、診斷與維護。
 圖1:基於嵌入式WEB 的工業洗衣機遠程監控的總體結構圖 一般工業洗衣機的基本功能有:人機接口、電機控製、閥控製、洗衣機狀態檢測、溫(wen)度(du)檢(jian)測(ce)和(he)水(shui)位(wei)檢(jian)測(ce)。要(yao)實(shi)現(xian)遠(yuan)程(cheng)監(jian)控(kong)和(he)遠(yuan)程(cheng)故(gu)障(zhang)診(zhen)斷(duan),洗(xi)衣(yi)機(ji)還(hai)應(ying)具(ju)有(you)網(wang)絡(luo)功(gong)能(neng)。要(yao)實(shi)現(xian)智(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi),即(ji)在(zai)洗(xi)滌(di)過(guo)程(cheng)中(zhong)控(kong)製(zhi)器(qi)能(neng)根(gen)據(ju)洗(xi)滌(di)物(wu)的(de)多(duo)少(shao)、髒(zang)汙(wu)程(cheng)度(du)和(he)髒(zang)汙(wu)性(xing)質(zhi)自(zi)動(dong)給(gei)出(chu)最(zui)佳(jia)洗(xi)滌(di)方(fang)案(an),這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)洗(xi)衣(yi)機(ji)具(ju)有(you)渾(hun)濁(zhuo)度(du)檢(jian)測(ce)和(he)布(bu)質(zhi)布(bu)量(liang)檢(jian)測(ce)功(gong)能(neng)。通(tong)過(guo)上(shang)述(shu)分(fen)析(xi),要(yao)實(shi)現(xian)工(gong)業(ye)洗(xi)衣(yi)機(ji)的(de)基(ji)本(ben)功(gong)能(neng)以(yi)及(ji)智(zhi)能(neng)化(hua)和(he)網(wang)絡(luo)化(hua),嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)至(zhi)少(shao)要(yao)有(you)以(yi)下(xia)接(jie)口(kou):LCD接口、觸摸屏接口(矩陣鍵盤接口、LED指示燈接口)、RS-232或RS485接口、UART接口、3路AD輸入、21路數字量輸出、8路數字量輸入(兩個可作為中斷源)及Ethernet接口,基於嵌入式WEB的工業洗衣機遠程監控的總體結構圖如圖1。 硬件設計 隨著嵌入式微處理器的發展,出現了Power PC、68K、MIPS、ARM等一係列低功耗、高性能的嵌入式CPU。因此選擇低成本的32位ARM係列嵌入式處理器,不但價格低廉,而且功耗低、處理速度快,應用前景廣泛,比較適合遠程監控需求。在工業洗衣機的遠程監控的係統中選用韓國現代公司的HMS30C7202(32位RISC 微處理器),這是一款具有高性價比的芯片。該芯片內集成了ARM7TDMI CPU核,存儲器管理單元(MMU),8KB的高速緩衝存儲器以及寫緩衝器。並具有豐富的接口:支持STN和TFT的LCD、觸摸屏、矩陣鍵盤、鼠標、LED指示燈、LAN、CAN、USB、RS-232、RS-485、紅外、24路繼電器輸出、10路數字量輸入、3路模擬量輸入和2路PWM輸出。為實現遠程網絡監控,係統底層網絡接口芯片采用CS8900A及外圍電路實現,本係統中網絡接口芯片CS8900A工作於16位模式。工業洗衣機遠程監控智能控製係統硬件框圖如圖2。
 圖2:工業洗衣機遠程監控智能控製係統硬件框圖 軟件設計 軟件設計的核心工作是在上述硬件平台上建立嵌入式WEB服務器,實(shi)時(shi)響(xiang)應(ying)用(yong)戶(hu)的(de)請(qing)求(qiu)。除(chu)此(ci)之(zhi)外(wai)還(hai)要(yao)實(shi)現(xian)工(gong)業(ye)洗(xi)衣(yi)機(ji)的(de)智(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi)。工(gong)業(ye)洗(xi)衣(yi)機(ji)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)多(duo)個(ge)參(can)數(shu)的(de)檢(jian)測(ce),需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi),每(mei)一(yi)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)參(can)數(shu)檢(jian)測(ce)和(he)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)方(fang)式(shi)也(ye)各(ge)不(bu)相(xiang)同(tong)。並(bing)且(qie)在(zai)洗(xi)滌(di)過(guo)程(cheng)中(zhong)有(you)很(hen)多(duo)需(xu)要(yao)控(kong)製(zhi)的(de)部(bu)件(jian),如(ru)變(bian)頻(pin)器(qi)、各種閥等;zaixitongzhonggegongnengmokuaiguanxifuza,renwuduo,erqiegezhongxuqiujianyoubingfaguanxi。lingwai,haiyouwangluogongneng。yinciyoubiyaoyinruqianrushicaozuoxitong。benxitongxuanyongμC/OS-II嵌入式操作係統,它是一個多任務強實時的開源操作係統,經裁減、移植與補充後形成工業洗衣機的專用實時操作係統。網絡通信協議TCP/IP采用源碼公開的1wIP協議棧,並針對具體需求進行優化設計。為了得到人性化的本地操作用戶界麵,采用了一種開源的圖形用戶界麵μC/GUI,它與μC/OS-II有很好的接口配合,功能完善。因此,工業洗衣機智能控製器軟件由四部分組成:實時操作係統μC/OS-II、硬件驅動程序、API函數和應用程序。具體結構如圖3:
 嵌入式操作係統 mC/OS-II是一個源代碼公開的占先式多任務微內核RTOS,每個任務具有不同的優先級,能夠很好的滿足實時性需求。與其它實時操作係統相比,mC/OS-II結構簡單、容易移植,廣泛運用於工業控製的各領域。在將mC/OS-II(V2.51)移植到HMS30C7202上的主要工作是修改三個和ARM體係結構相關的文件,OS_CPU. H,OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S。OS_CPU.H主要包含編譯器相關的數據類型的定義、堆棧類型的定義以及幾個宏定義和函數說明。而OS_CPU_C.C中則包含與移植有關的C函數,包括堆棧的初始化函數和一些鉤子(hook)函數的實現。OS_CPU_A.S中則包含與移植有關的彙編語言函數,包括開/關中斷、上下文切換、時鍾中斷服務程序等等。 TCP/IP協議棧 係統采用開源TCP/IP協議棧LWIP(Light Weight IP),LWIP是Swedish Institute of Computer Science開發的一套用於嵌入式係統的開放源代碼TCP/IP協議棧。LWIP 實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM 的占用,一般它隻需要數10kB RAM 和40kB左右的ROM 就可以運行,這使LWIP協議棧適合在低端嵌入式係統中使用。LWIP協議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題,把所有與硬件、OS、編譯器相關的部分獨立出來,放在/src/arch目錄下。因此LWIP在uC/OS-Ⅱ上的實現就是修改這個目錄下的文件,其他的文件一般不用修改。本係統移植的是LWIP是1.1.0版本。LwIP的移植工作主要有: 修改與CPU 或編譯器相關的include文件:cc.h、cpu.h、perf.h,正確設置數據長度,字的高低位順序等。 修改sys__arch.h和sys__arch.c中與操作係統相關部分。 LWlP協議棧中用到了6個外部函數(1ibarch.c),這些函數與用戶使用的係統或編譯器有關,因此需要自己實現。 /src/netif/ethernetif.c文件即為網絡驅動的模板,我們可以參照此模板實現選用的網絡設備驅動。做完上麵的移植修改工作以後,就可以在uC/0S一Ⅱ中創建一個任務初始化LWlP,並創建TCP任務、UDP任務和HTTP任務。偽代碼如下: 創建LWIP任務 ■係統初始化; ■內存初始化; ■包內存初始化; ■包緩衝初始化;; ■網絡初始化; ■創建一個係統信號量; ■Tcpip初始化; ■等待係統信號量; 釋放係統信號量; ■設置網關; ■設置IP地址; ■設置子網掩碼; TCP初始化任務; HTTP初始化任務; UDP初始化任務; while(1) {延時;} 嵌入式WEB服務器 隨著Web技術的迅速發展,Brower/Server(B/S)模式已成為流行的開發模式,這種方式基本上不用開發客戶端程序,隻需對服務器端程序進行開發程序,在客戶端采用諸如IE這樣的瀏覽器對服務器上的數據進行瀏覽。從功能上來講,WEB服務器監聽用戶端的服務請求,根據用戶請求的類型提供相應的服務。用戶端使用WEB瀏覽器和WEB服務器進行通信。WEB服務器在接收到用戶端的請求後,處理用戶請求並返回需要的數據。這些數據通常以格式固定、含有文本或圖片的頁麵出現在用戶端瀏覽器。HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)是WWW(World Wide Web)的核心協議,即超文本傳輸協議。WWW使用HTTP協議、超媒體技術將遍布全球的各種信息通過URL(Uniform Resource locator-統一資源定位)連接起來,以便於用戶瀏覽。HTTP是一個屬於應用層的麵向對象的協議。HTTP協議有兩項功能,即傳輸文件和實現動態交互應用。LWIP在該源程序軟件包含HTTP1.0。LWIP運行一個簡單的HTTP/1.0服務器至少能夠同時響應10個以上頁麵請求,而且占用RAM不超過4k字節。為了減少“上下文切換”對整體性能造成的消極影響,LWIP的所有協議都在一個進程當中和操作係統內核分開實現。而HTTP程序既可以是單獨的進程也可以駐留在TCP/IP進程中。如果HTTP是單獨的進程,可以通過操作係統的郵箱,消息隊列等和TCP/IP進程進行通訊;如果HTTP駐留在TCP/IP進程中,那應用層程序就利用內部回調函數口(Raw API)和TCP/IP協議棧通訊。 由於嵌入式係統的資源有限,基於嵌入式Web的工業洗衣機的遠程監控係統需要數據高效傳輸、圖形化監控的人機交互界麵以及自主刷新。同時,對測量數據進行分析、處理都需要實現采集數據的本地保存。因此,采用瀏覽器/服務器(B/S )和客戶端與服務器端(C/S)相結合的模式。在服務器端采用CGI (Common Gateway Interface)技術,以實現瀏覽器和服務器之間的交互。CGI規定了Web服務器調用其他可執行程序的接口協議標準,提供了Web 服務器執行外部程序的通道,這種技術使得瀏覽器和服務器之間具有交互性。 采用Java Applet技術增強瀏覽器的功能,實現動態數據的實時瀏覽,通過B/S 方式訪問Web 服務器上的網頁數據,客戶端的IE瀏覽器瀏覽這個網頁時,會把網頁中標識的Java applet源程序下載到客戶端執行。在Java applet 源程序中,創建了一個套接字來完成與服務器的通信(前提是Web服務器上同時運行一個相應的服務器監聽程序),獲取實時數據,用於在瀏覽器中顯示。事實上,在Java applet 中的socket通信是一個典型的C/S訪問方式。係統通過Java applet平衡了服務器端與瀏覽器端的負載狀況,將一部分從前在服務器上工作分給了瀏覽器,降低了服務器的運行負荷。 控製係統軟件設計 用戶通過網絡傳送命令,控製洗衣機工作。根據用戶設定的水位、溫度等參數完成洗滌和脫水;洗衣機需要自動檢測洗滌物質量、含棉率、髒汙程度和髒汙性質,通過智能推理得出最佳洗滌方案,自動完成洗滌過程。因此控製係統軟件設計如下任務:moniliangcaijirenwu,shuziliangjiancerenwu,baojingrenwu,fakongzhirenwu,hunzhuodujiancerenwu,xidikongzhirenwu,dianjikongzhirenwu,wangluorenwu。genjumeigerenwudezhongyaochengdushezhibutongdeyouxianji,gegerenwuzhijiantongguoxinhaolianghuoyouxiangjinxingtongxin。 結束語 嵌入式WEB技術是一種新興的技術,它采用瘦服務器模式,大大降低了構建的費用。本文采取ARM+RTOS+LWIP+HTTP的de架jia構gou實shi現xian工gong業ye洗xi衣yi機ji的de遠yuan程cheng監jian控kong,為wei洗xi衣yi機ji廠chang商shang的de售shou後hou服fu務wu以yi及ji洗xi衣yi房fang和he洗xi衣yi廠chang的de管guan理li帶dai來lai極ji大da的de方fang便bian。通tong過guo網wang絡luo可ke以yi實shi現xian洗xi衣yi機ji係xi統tong軟ruan件jian的de遠yuan程cheng升sheng級ji, 進一 步改善和提高係統的性能。 |