嵌入式WEB傳感器的網絡化接口設計

    關鍵詞

嵌入式ＷＥＢ傳感器是在智能傳感器的基礎上發展起來的具有Ｉｎｔｅｒｎｅｔ功能的新型傳感器。其實質是在傳統傳感器的基礎上實現ＴＣＰ／ＩＰ網絡通信協議接口，將傳感器作為網絡節點直接與計算機網絡通信。它的組成主要有：敏感單元、智能處理單元和ＴＣＰ／ＩＰ通信協議接口。

圖１為嵌入式ＷＥＢ傳感器的體系結構。傳統的傳感器在嵌入式ＷＥＢ傳感器中只占一部分。核心部分是完成信號處理、數據交換和控制的嵌入式智能單元以及完成數據傳輸的ＴＣＰ／ＩＰ網絡接口。整個傳感器的工作機理是：傳感器將被測物理量轉換為電信號，通過Ａ／Ｄ轉換為數字信號，經過微處理器的數據處理 （濾波、校準）后將結果傳送給網絡；與網絡的數據交換由基于ＴＣＰ／ＩＰ協議的網絡接口模塊完成。嵌入式ＷＥＢ傳感器的內部存儲器存儲傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準參數等；微處理器實現數據的處理和補償以及輸出校準；ＴＣＰ／ＩＰ協議實現傳感器的直接網絡連接。與傳統的傳感器相比，基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的嵌入式ＷＥＢ傳感器更加可靠、便宜，擴展性更好且可以在內部直接對原始數據加工、處理，并通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ與外界進行數據交換。因而它具有微型化、網絡化和智能化。傳感器的網絡化接口實現了對Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或以太網的互連以進行信息的發布和資源共享。其實現方式是嵌入式ＷＥＢ傳感器研究的重點。

網絡化接口實現的關鍵在于ＴＣＰ／ＩＰ通信協議的實現。ＴＣＰ／ＩＰ通信協議的實現方法主要有：采用協議棧移植，針對嵌入式系統，將ＴＣＰ／ＩＰ協議棧移植到系統中，然后調用相關的ＡＰＩ函數實現網絡通信；不采用移植方式，參照標準的ＴＣＰ／ＩＰ協議精簡相應的協議層，編寫相關的ＡＰＩ函數完成簡易的ＴＣＰ／ＩＰ通信；采用協議芯片，如Ｗ３１００Ａ芯片，該方法直接采用硬件方式實現ＴＣＰ／ＩＰ協議，直接對芯片的寄存器進行設置，實現數據對網絡的傳送。本文著重探討采用Ｗ３１００Ａ芯片實現嵌入式ＷＥＢ傳感器的網絡化接口的問題。

１ 網絡化接口的實現

１．１ Ｗ３１００Ａ芯片及處理器對其訪問的實現

Ｗ３１００Ａ是一ＴＣＰ／ＩＰ協議棧芯片，包含的各協議層有：ＴＣＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＩＣＭＰ和以太網協議的數據鏈路ＤＬＣ，以及ＭＡＣ協議。其工作方式類似于Ｗｉｎｄｏｗｓ的Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ。芯片的內部結構示意如圖２所示。

該芯片可選擇地支持Ｉｎｔｅｌ／Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＭＣＵ接口，另外還提供一個Ｉ２Ｃ接口給上層應用層，一個ＭＩＩ接口給底層物理層。芯片支持全雙工模式，內部帶有雙口的ＳＲＡＭ數據緩沖區。其封裝是６４腳的ＬＱＦＰ。

芯片提供寄存器供ＭＣＵ訪問，具體的寄存器分類如下：控制寄存器（命令、狀態及中斷）；系統寄存器（網關地址、子網掩碼、ＩＰ地址等）；用于數據收、發的指針寄存器；通道操作的通道寄存器。

比較重要的幾個寄存器如表１所示。

表1 寄存器功能和地址示意圖

控制寄存器Ｃ０＿ＣＲ（通道０的命令寄存器），用于通道０套接字（Ｓｏｃｋｅｔ）的初始化、連接、關閉和數據收發，其設置如下：

    其中，Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ用于設置網關、子網掩碼以及ＩＰ地址等，１～６位用于通道０套接字的初始化、連接、斷開、監聽以及數據收發，相應位在命令執行后自動清除。通過套接字協議選擇寄存器Ｃ０＿Ｓ０ＰＲ設置相應的協議值確定套接字中選用ＴＣＰ還是ＵＤＰ。

芯片正常工作必須對其完成相應的初始化。初始化主要是對必要的寄存器進行相應的設置，這些寄存器包括：網關地址寄存器ＧＡＲ、子網掩碼寄存器ＳＭＲ、硬件地址寄存器ＳＨＡＲ以及ＩＰ地址寄存器ＳＩＰＲ等。上述寄存器被設置后通過執行控制寄存器ＣＲ的０位Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ激活芯片。

１．２ 硬件接口及其數據傳輸

圖3 I2C接口示意圖

    該芯片提供了并口和串口兩種方式實現與ＭＣＵ的通信。圖３為基于Ｉ２Ｃ的串口連接方式。其中ＭＣＵ為傳感器中的處理器，以太網物理層設備選用ＲＴＬ８２０１芯片。Ｗ３１００Ａ提供ＭＩＩ接口與ＲＴＬ８２０１相連，其中引腳ＲＸ＿ＣＬＫ、ＲＸＤＶ、ＲＸＤ[0:３]以及ＣＯＬ用于數據的接收，而ＴＸ＿ＣＬＫ、ＴＸＥ、ＴＸＤ[０:３]用于數據的發送。ＭＣＵ中提供模擬的Ｉ２Ｃ接口與Ｗ３１００Ａ通信。Ｉ２Ｃ是串行通信總線方式，由數據線ＳＤＡ和時鐘線ＳＣＬ配合完成通信。

建立ＴＣＰ連接的具體過程如圖４所示。首先完成芯片的ＴＣＰ／ＩＰ初始化，設置相應通道如０通道的協議選擇寄存器Ｃ０＿ＳＯＰＲ為０Ｘ０１；選擇ＴＣＰ協議，執行通道０命令寄存器Ｃ０＿ＣＲ中的Ｓｏｃｋｅｔ＿Ｉｎｉｔ，同時將Ｃ０＿ＴＷ＿ＰＲ、Ｃ０＿ＴＲ＿ＰＲ及Ｃ０＿ＴＡ＿ＰＲ置成同一值；然后執行Ｃ０＿ＣＲ的Ｃｏｎｎｅｃｔ和Ｌｉｓｔｅｎ命令位，如此ＴＣＰ連接建立。

２ 嵌入式ＷＥＢ傳感器的ＷＥＢ功能的實現及其在測控系統中的應用

ＷＥＢ的工作基于客戶機／服務器模型，由ＷＥＢ瀏覽器和ＷＥＢ服務器即傳感器構成，兩者之間采用ＨＴＴＰ協議進行通信。因此在傳感器的上層協議應該采用ＨＴＴＰ協議。同時要實現瀏覽器與嵌入式ＷＥＢ傳感器交互，除了要解決上述ＴＣＰ／ＩＰ通信協議接口外，在傳感器中應提供一個ＥＥＰＲＯＭ存儲相應的網頁文件。交互時，ＨＴＴＰ通過統一資源定位器ＵＲＬ(Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｌｏｃａｔｏｒ)確定傳感器應該為瀏覽器提供哪些資源。為了節省空間，通過一種靈活的Ｈｕｓｈ算法實現。ＥＥＰＲＯＭ中的每一個文件都有一個不同的Ｈｕｓｈ值與之相對應，存取時很快可以計算出文件的地址。此外，它可以根據網頁中嵌入的特殊標志實現動態網頁。即顯示實時采集的數據并進行控制操作。

下面是存儲在溫度傳感器中的一個簡單的動態網頁程序，其中的“＠”字符用來在網頁中插入溫度的標志，網頁文件存放在傳感器的ＥＥＰＲＯＭ里。當用戶發出頁面請求時，處理器上的程序在ＴＣＰ打包時，把溫度值嵌入到網頁中的“＠”字符處，再將網頁文件添加相應的ＨＴＴＰ頭，返回給請求的用戶。如此用戶將在瀏覽器上看到實際的溫度顯示值。

＜ＨＴＭＬ＞

＜ＨＥＡＤ＞

＜ＴＩＴＬＥ＞實時溫度監視＜／ＴＩＴＬＥ＞

＜／ＨＥＡＤ＞

＜ＢＯＤＹ＞

＜ｃｅｎｔｅｒ＞現在的溫度是:＜ｆｏｎｔ ｓｉｚｅ＝＋２ ｃｏｌｏｒ＝＃ＦＦ９９ＦＦ＞ ＠ ＜／ｆｏｎｔ＞＜／ｃｅｎｔｅｒ＞

＜ＢＲ＞

＜／ＢＯＤＹ＞

＜／ＨＴＭＬ＞

如圖５所示，嵌入式ＷＥＢ傳感器和以太網測控網關將同時接到以太網上，實現上層網絡終端客戶端對其的訪問。上層監控級對嵌式ＷＥＢ傳感器訪問采用Ｂ／Ｓ模式，監控級通過其瀏覽器實現對嵌入式ＷＥＢ傳感器的訪問。

本文所提出的網絡化接口方案是利用硬件芯片實現ＴＣＰ／ＩＰ協議棧，可以解決當前應用中大量存在的８位ＭＣＵ實現ＴＣＰ／ＩＰ通信協議的問題。該網絡化接口應用到嵌入式ＷＥＢ傳感器上，很好地實現了現場級設備對外部網的接入，實現了信息的共享和發布，同時也擴大了控制的半徑。該網絡化接口實現方便，具有通用性，應用范圍廣。