穆莉莉，薛程光

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

網(wǎng)絡(luò)化控制己成為遠(yuǎn)程控制的主要研究方向，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)局域乃至全球范圍內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控是工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。嵌入式Internet 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)化控制的代表，它解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題，提高了傳統(tǒng)裝備的智能化水平，促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整［1］。

目前，一些工業(yè)設(shè)備安裝在距離遠(yuǎn)，維修人員不易到達(dá)的場所，這些設(shè)備大多為工控機(jī)系統(tǒng)，由于溫度和濕度的變化，或軟件的原因易出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象。為確保生產(chǎn)，降低設(shè)備故障時(shí)間，電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研制迫在眉睫。

基于此，提出了一種基于嵌入式Internet 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的電源控制系統(tǒng)，嵌入式終端將現(xiàn)場溫度、濕度、電源工作狀態(tài)等信息發(fā)布到網(wǎng)上，監(jiān)控人員通過網(wǎng)絡(luò)頁面，就可實(shí)時(shí)了解監(jiān)控工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)的變化，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1 網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

系統(tǒng)以STM32 為控制核心，主要分為五大模塊，分別是中央控制器模塊，電源轉(zhuǎn)化模塊，繼電器控制模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊，LED 顯示模塊(見圖1)。

中央控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的大腦和靈魂，它控制整個(gè)系統(tǒng)程序的執(zhí)行，數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送、接收等等。電源轉(zhuǎn)化模塊是將220 V 交流電轉(zhuǎn)化成5 V直流電給中央控制器模塊以及繼電器模塊供電，它是整個(gè)系統(tǒng)的供電端。繼電器模塊是通過STM32輸出的高低電平來控制繼電器，從而實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)的通斷。網(wǎng)絡(luò)模塊是用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

計(jì)算機(jī)安裝有配套的網(wǎng)絡(luò)電源控制軟件，其相應(yīng)的電源開關(guān)控制界面上的虛擬按鍵，一經(jīng)觸發(fā)便通過網(wǎng)絡(luò)模塊下發(fā)對(duì)應(yīng)的指令(例如關(guān)閉某個(gè)電源)，主控芯片收到指令后對(duì)其進(jìn)行解析處理，向繼電器模塊輸出對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)，通過繼電器控制開關(guān)電源的通斷。同時(shí)單片機(jī)采集的相關(guān)環(huán)境參數(shù)(比如溫度)可以通過以太網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)顯示在網(wǎng)絡(luò)電源控制軟件上，便于用戶進(jìn)行直觀的判斷。

1.2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)的所涉及到的硬件部分主要包括帶有主控芯片STM32F103 的中央控制模塊，電源轉(zhuǎn)化模塊，繼電器控制模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊等。

1)中央控制模塊。中央控制模塊外設(shè)系統(tǒng)如圖2所示，外設(shè)有:用于程序調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)的20 針JTAG 接口;采用SP232EEN 電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換RS232 串口;選擇24C02 的EEPROM 芯片;用于環(huán)境數(shù)據(jù)的采集溫、濕度傳感器DHT11;用于接入局域網(wǎng)的以太網(wǎng)接口;保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行看門狗SP706RE。

主控芯片STM32F103RBT6 選擇的是由ST 公司生產(chǎn)的基于Cortex－M3 內(nèi)核的ARM 處理器，最高主頻達(dá)到72 MHz，擁有128 K 的FLASH，20KSRAM，兩個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)，三個(gè)串口，一個(gè)USB，一個(gè)CAN，兩個(gè)十二位的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，兩個(gè)通用同步異步收發(fā)器(USART)，51 個(gè)可用的IO 引腳等等，總之是外設(shè)種類齊全，功能十分強(qiáng)大，性價(jià)比很高的主控芯片［2］。

2)網(wǎng)絡(luò)模塊。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊采用的網(wǎng)絡(luò)芯片是ENC28J60 以太網(wǎng)控制器，單芯片即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入。它是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有SPI 的控制器的以太網(wǎng)接口。ENC28J60 符合IEEE 802.3 的全部規(guī)范，采用了一系列包過濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行嚴(yán)格限制。它還提供了一個(gè)內(nèi)部DMA 模塊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速吞吐和硬件支持的IP 校驗(yàn)和計(jì)算。與主控器的通信通過兩個(gè)中斷引腳和SPI 實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s。兩個(gè)專用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊原理如圖3所示，該模塊通過八個(gè)引腳和外部電路相連接，這八個(gè)引腳分別是:GND、RST、MISO、SCK、MOSI、INT、CS、VCC3.3。MISO/SCK/MOSI 用于SPI 通信，其中MISO 是主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，MOSI 是主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，SCK 是時(shí)鐘信號(hào)由主設(shè)備產(chǎn)生。GND 和V3.3 用于給模塊供電，CS 是片選信號(hào)，INT 是中斷輸出引腳，RST 為模塊復(fù)位信號(hào)。

其中RST、MISO、SCK、MOSI、CS 分別與STM32 的PA12、PA6、PA5、PA7、PA11 連接。

3)電源轉(zhuǎn)化模塊。該模塊要求220 V 交流電轉(zhuǎn)化成5 V 直流電，目的是給主控模塊和繼電器控制模塊供電(見圖4)。將220 V 交流電通過整流橋HD06，將電平在零點(diǎn)上下浮動(dòng)的交流電轉(zhuǎn)化成單向的直流電，再通過開關(guān)管TNY264，利用開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，將該電壓截成矩形波，這樣做的意義就是把高能量切割成無數(shù)個(gè)低能量，傳遞到輸出端去，輸出端會(huì)通過輸出電壓高低，對(duì)輸入端進(jìn)行反饋，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，然后經(jīng)過變壓器得到7V 的電壓。變壓器右端為整流濾波電路，它們分別由二極管，濾波電容，濾波電感等構(gòu)成。7 V電壓經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成轉(zhuǎn)化成5 V 電壓給單片機(jī)供電。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇

網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)重點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，通俗的說就是通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)命令和文件。在網(wǎng)絡(luò)中要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有條不紊地交換，就必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題。這些為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

該系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是μIP 協(xié)議棧。μIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供于系統(tǒng)使用。uip_input()和uip_periodic()兩個(gè)函數(shù)供系統(tǒng)底層使用。其中uip_input()函數(shù)根據(jù)輸入包首部的協(xié)議處理這個(gè)輸入包和需要時(shí)調(diào)用應(yīng)用程序，當(dāng)uip_input()返回時(shí)，一個(gè)輸出包放在全局緩沖區(qū)uip_buf中，大小賦給uip_len，如果uip_len 為0，則說明沒有包要發(fā)送，否則調(diào)用底層系統(tǒng)的發(fā)包函數(shù)將包發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上。uip_periodic()在周期運(yùn)行時(shí)調(diào)用，每秒一次，返回時(shí)，輸出的IP 包要放到uip_buf 中，供底層系統(tǒng)查詢uip_len 的大小發(fā)送。UIP_APPCALL()函數(shù)將用戶的應(yīng)用層入口程序作為接口提供給μIP 協(xié)議棧，μIP 在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，在需要送到上層應(yīng)用程序處理的地方調(diào)用UIP_APPCALL()。

使用μIP 遵循如下步驟:第一步實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)UIP_APPCALL();第二步初始化網(wǎng)卡ENC28J60;第三步初始化μIP 協(xié)議棧;第四步設(shè)置IP 地址，網(wǎng)關(guān)及掩碼:第五步設(shè)置監(jiān)聽端口;第六步處理μIP事件。其中μIP 是通過uip_polling 函數(shù)輪詢處理μIP 事件，在主循環(huán)里面隔一段時(shí)間調(diào)用一次［3］。

2.2 信號(hào)控制流程和實(shí)現(xiàn)

μIP 將網(wǎng)頁數(shù)據(jù)存放在data－index－h(huán)tml 里，瀏覽器提取出URL 中的主機(jī)后，向DNS 發(fā)出請(qǐng)求，解析主機(jī)名的IP 地址，DNS 將解析地址返回給瀏覽器，瀏覽器根據(jù)該地址請(qǐng)求建立TCP 連接，瀏覽器發(fā)出請(qǐng)求報(bào)文，服務(wù)器向?yàn)g覽器發(fā)送響應(yīng)報(bào)文，并將指定數(shù)據(jù)發(fā)送給瀏覽器。

當(dāng)連接開始時(shí)，客戶端發(fā)送GET 方法請(qǐng)求給服務(wù)器，以訪問服務(wù)器網(wǎng)頁，GET 方法用來向服務(wù)器傳輸少量數(shù)據(jù)并且為透明數(shù)據(jù)，相比于大數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜OST 方法對(duì)于該系統(tǒng)已足夠使用。若信息有誤，服務(wù)器返回以狀態(tài)碼401 為起始行的響應(yīng)消息。

由于數(shù)據(jù)處在不停的變化之中，為使網(wǎng)頁的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)地更新，網(wǎng)頁程序初始化時(shí)，要顯示的數(shù)據(jù)如溫度時(shí)間數(shù)據(jù)都使用字符串標(biāo)記暫時(shí)表示，在每次發(fā)送響應(yīng)消息到端口前，再將網(wǎng)頁中定義字符串標(biāo)記用當(dāng)前設(shè)備的實(shí)際值替換。

對(duì)于繼電器的控制是根據(jù)不同的頁面請(qǐng)求來實(shí)現(xiàn)的，采用的是GET 的方法，將請(qǐng)求參數(shù)放到URL里，繼電器1 的控制參數(shù)設(shè)為1，繼電器2 控制參數(shù)設(shè)為2，以此類推。STM32 從URL 獲得控制參數(shù)來控制繼電器的吸合，例如點(diǎn)擊網(wǎng)頁上控制繼電器1的按鈕，μIP 從URL 獲得GET 控制參數(shù)1，控制繼電器1 的吸合，然后修改網(wǎng)頁數(shù)據(jù)的部分內(nèi)容即繼電器1 的狀態(tài)，發(fā)送瀏覽器，顯示新網(wǎng)頁界面。

溫度和RTC 時(shí)間的更新通過刷新來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楦鶕?jù)HTTP 協(xié)議規(guī)定，如果客戶端沒有發(fā)出請(qǐng)求，則服務(wù)器是不會(huì)自動(dòng)發(fā)送頁面的，所以通過瀏覽器的刷新請(qǐng)求可以更新溫度和時(shí)間。頁面刷新采用自動(dòng)刷新即在網(wǎng)頁程序中加入標(biāo)記，使瀏覽器自動(dòng)進(jìn)行周期性地刷新頁面，從而保證用戶及時(shí)地獲得工控現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，每隔十秒刷新一次，自動(dòng)刷新控制代碼寫在網(wǎng)頁源碼中。

該系統(tǒng)主控制流程如圖5所示，先初始化STM32、網(wǎng)卡和μIP 等，然后設(shè)置IP 地址(192，168，1，160)及監(jiān)聽端口(1 200 端口用于TCP Server，80 端口，用于Web Server)，判斷是否與網(wǎng)絡(luò)端口聯(lián)絡(luò)成功，如果聯(lián)絡(luò)成功，則向網(wǎng)頁服務(wù)器發(fā)送初始頁面消息，如果沒有連接成功，則IP 指示燈閃爍，提示沒有鏈接上。然后控制LED 模塊顯示時(shí)間以及各燈的狀態(tài)。開始uip 輪詢函數(shù)，判斷有沒有事件產(chǎn)生，接受網(wǎng)口信息，判斷數(shù)據(jù)包類型，針對(duì)不同的包進(jìn)行不同的處理方式，這里主要處理IP包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。如果數(shù)據(jù)包內(nèi)容為繼電器復(fù)位，則下位機(jī)控制繼電器斷開，延時(shí)0.1s，然后繼電器閉合，事件處理結(jié)束后繼續(xù)接受網(wǎng)口信息，實(shí)現(xiàn)循環(huán)［4］。

3 測試結(jié)果

利用硬件實(shí)現(xiàn)了 μIP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)芯片ENC28J60 及具有Cotex－M3 內(nèi)核的STM32 處理器構(gòu)成嵌入式客戶端的方案，進(jìn)行了設(shè)備電源網(wǎng)絡(luò)控制測試。通過網(wǎng)絡(luò)，用戶在瀏覽器端可及時(shí)收到遠(yuǎn)程現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程現(xiàn)場的電源狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。瀏覽器網(wǎng)頁界面如圖6所示。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)采用STM32 為核心芯片，通過網(wǎng)絡(luò)模塊(ENC28J60)與計(jì)算機(jī)連接并通信，實(shí)時(shí)地監(jiān)控開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場與網(wǎng)絡(luò)的混合控制。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn):

1)可以通過以太網(wǎng)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程化，異地化;

2)可以采用大容量的存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的采集并處理;

3)該系統(tǒng)體積小，成本低，便于安裝和使用;

4)通過部分電路的改裝，和上位機(jī)軟件預(yù)留的監(jiān)控電源，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控電源的添加。

［1］王鐵流，高嵩，袁海英，等.基Cortex－M3 內(nèi)核處理器的嵌入式Web 服務(wù)器設(shè)計(jì)［J］.電子產(chǎn)品世界，2009，16(3):41－43.

［2］廖義奎.Cortex－ M3 之STM32 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國電力出版社，2012:14.

［3］汪三清.基于STM32 的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議UIP 的移植與分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2011:34－47.

［4］崔小玲，侯思祖，張旋.基于STM32 智能終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)通信，2012，33(235):76－79.