基于嵌入式Web的遠程可控電源插座設計

沈勇，王亮

（江蘇科技大學 計算機科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，實現(xiàn)了信息的高速傳輸和資源共享，極大地方便了人們的生活。嵌入式系統(tǒng)廣泛應用于各種電器產(chǎn)品、智能儀表和控制設備中，它與互聯(lián)網(wǎng)的結合是一種必然的趨勢[1]。

嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，為網(wǎng)絡遠程控制的發(fā)展和完善提供了技術基礎[2]。

筆者綜合運用嵌入式系統(tǒng)和Web技術，設計了一種可通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程控制的電源插座系統(tǒng)，實現(xiàn)對家用或工業(yè)電器的遠程實時控制。用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問該系統(tǒng)，對各插座進行打開或關閉的操作，實現(xiàn)對與其相連接的電器的遠程控制。

圖1 嵌入式Web的體系結構Fig.1 Architecture of embedded Web

1 嵌入式Web工作原理

嵌入式Web的體系結構如圖1所示[3]?？蛻舳撕颓度胧较到y(tǒng)中Web服務器之間的通信協(xié)議采用HTTP（超文本傳輸協(xié)議）。嵌入式操作系統(tǒng)提供TCP/IP協(xié)議支持。嵌入式Web服務器提供靜態(tài)網(wǎng)頁，也可以通過CGI（Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關接口）與后臺程序或嵌入式數(shù)據(jù)庫交互，進行數(shù)據(jù)訪問或處理。

嵌入式Web的工作流程如圖2所示。嵌入式Web服務器的主要任務是接收客戶端請求、解析客戶端請求、響應客戶端請求、向客戶端回送請求的結果?？蛻舳伺cWeb服務器交換數(shù)據(jù)之前，首先用TCP/IP建立連接，服務器端程序建立TCP類型的Socket套接字；服務器在接收到用戶端的請求后，解析客戶請求的HTTP協(xié)議頭，分析客戶的請求，根據(jù)客戶的請求做相應的處理并返回結果。

圖2 嵌入式Web的工作流程Fig.2 Workflow of embedded Web

2 遠程可控電源插座設計

文中設計采用ARM-Linux架構[4]。ARM處理器具有小體積、低功耗、低成本、高性能等特點。嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核精悍，運行所需資源少，十分適合嵌入式系統(tǒng)應用。

2.1 系統(tǒng)硬件設計

遠程可控電源插座系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結構圖Fig.3 Structure diagram of the hardware system

嵌入式Web服務器實現(xiàn)對用戶的身份驗證、頁面解析與交互，根據(jù)用戶請求產(chǎn)生對電源插座的控制信號。存儲器存放系統(tǒng)的程序和頁面文件。

以太網(wǎng)接口模塊可選用RTL8019AS等以太網(wǎng)接口芯片，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信[5]。

控制模塊實現(xiàn)對連接在市電AC220 V的插座各開關的“打開、關閉”操作，進而控制相連接的電器的工作。由于嵌入式系統(tǒng)使用的DC3.3V電源，且電流較小，控制模塊須實現(xiàn)弱電對強電的控制?？紤]到響應速度、電路功耗、使用壽命等因素，控制模塊設計選用光電耦合器和可控硅?？刂颇K可控制電源插座的4路開關，其中一路的電路原理如圖4所示。

圖4 控制模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of the control module

光電耦合器選用MOC3062，它集光電隔離、過零檢測和過零觸發(fā)為一體，可以自動檢測交流電壓的過零信息。可控硅選用Q4010NH5，是大功率開關型半導體器件，具有耐壓高、容量大、體積小、無噪音等優(yōu)點。

ARM處理器的GPIO端口輸出電平不足以使光耦元件U1（MOC3062）正常工作，需要信號放大。電阻R2和下拉電阻R3組成三極管保護電路。當GPIO端口輸出為高電平時，三極管T1（9013）導通，使電阻R1和光耦U1形成通路，U1正常工作，GPIO輸入信號得到放大，雙向可控硅K1（Q4010NH5）的G控制端得到高電壓，K1導通，插座220 V供電打開；當GPIO端口輸出為低電平時，三極管T1截止，使電阻R1和光耦U1形成斷路，此時U1不工作，K1斷路，插座供電被關閉。

2.2 控制模塊驅(qū)動設計

在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)。在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作[6]。

文中使用GPIO口作為控制端口，每一位信息控制一個電源插座開關。以連接1號插座開關的GP10為例，說明其驅(qū)動程序的編寫。

將GP10定義為輸出狀態(tài)，并預設插座開關斷開時輸出0，此時GP10將輸出0，輸出低電平，并使圖4中的三極管T1截止，光耦U1不工作，K1不導通，220 V供電斷開；打開供電時，將GP10置1，即輸出高電平，T1導通，220 V供電打開。

驅(qū)動程序中ioctl函數(shù)代碼如下：

#define GP10_OUT_MOD （GPDR0|=0x0400）//設置 GP10為輸出

#define GP10_OUT_0（GPCR0|=0x0400）//設置 GP10 輸出為0

#define GP10_OUT_1（GPSR0|=0x0400）//設置 GP10 輸出為1

#define K1_ON 1

#define K1_OFF 0

static ssize_t rcs_ioctl（struct inode*inode ，struct

file*file， unsigned int cmd， long data）

{

switch （cmd）{

case K1_ON:{ //插座開關1打開

GPHCON=GP10_OUT_MOD；

GPHDAT=GP10_OUT_1；

break；

}

case K1_OFF:{ //插座開關1關閉

GPHCON=GP10_OUT_MOD；

GPHDAT=GP10_OUT_0；

break；

}

}

}

2.3 嵌入式Web服務器設計

遠程可控電源插座系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）結構，系統(tǒng)內(nèi)嵌的嵌入式Web服務器可向合法用戶提供基于瀏覽器的操作界面，瀏覽器便成了與插座相連設備的遠端控制板。

由于嵌入式系統(tǒng)擁有的資源有限，構建嵌入式Web服務器須選擇一個合適的Web服務器，在不影響整體性能的前提下，既利用自身有限的資源，又必須滿足支持CGI的Web應用需求。

文中采用Boa Server[7]作為嵌入式Web服務器。Boa是一個非常小巧的Web服務器，可執(zhí)行代碼只有約60 kB。它是一個單任務Web服務器，只能依次完成用戶的請求，而不會創(chuàng)建出新的進程來處理并發(fā)連接請求。但Boa支持CGI，能夠為CGI程序創(chuàng)建進程來執(zhí)行。

移植Boa的大致步驟如下：

1）從官方網(wǎng)站（http://www.boa.org）上下載 Boa源代碼，解壓；

2）根據(jù)硬件對Boa進行相應的配置，并交叉編譯，編譯器選用arm-linux-gcc；

3）編譯生成可在ARM上運行的Boa程序，將其和內(nèi)核一起下載到ARM平臺上運行；

4）將系統(tǒng)所需靜態(tài)頁面文件和CGI程序拷貝至相應的路徑下。

當Web服務器程序收到用戶以HTTP協(xié)議的GET方式發(fā)來的遠程控制指令后，調(diào)用CGI程序，在CGI程序中用open（“/dev/rcpo”， O_RDWR）語句打開設備文件，若成功，則將控制參數(shù)傳遞給ioctl函數(shù)的cmd，控制對應的插座開關做相應動作。

3 系統(tǒng)測試

文中在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺上實現(xiàn)，并制作了控制模塊硬件，對電源插座進行了內(nèi)部連線改裝，使之遠程可控。搭建測試環(huán)境，對一臺220 V供電工作的普通電扇進行遠程控制，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試環(huán)境Fig.5 System test environment

用戶用瀏覽器軟件訪問本系統(tǒng)，經(jīng)登錄認證后進入控制頁面，如圖6所示。點擊“開啟”按鈕后，電扇轉動；點擊“關閉”按鈕后，電扇關閉。系統(tǒng)運行正常，響應及時。測試表明，本文設計是可行的、有效的。

4 結 論

文中設計了一種遠程可控電源插座，在ARM嵌入式系統(tǒng)上構建嵌入式Web服務器，用戶通過網(wǎng)絡訪問Web服務器，實現(xiàn)對電源插座的操作，進而遠程控制與其相連的電器。本文設計采用模塊化設計，功能實用，操作簡便，易于擴展，可廣泛應用于家用或工業(yè)電器的遠程控制。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展以及與信息家電、工業(yè)控制技術的結合日益緊密，具備網(wǎng)絡功能的嵌入式系統(tǒng)應用正在成為未來電器的發(fā)展趨勢。

圖6 系統(tǒng)操作界面Fig.6 System operation interface

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[4]孫天澤，袁文菊.嵌入式設計及Linux驅(qū)動開發(fā)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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[6]周維虎，石良臣，何嘉揚.ARM嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)指南[M].北京：中國電力出版社，2009.

[7]Doolittle L，Nelson J.Boa Webserver[EB/OL].（2000-02-03）http://www.boa.org/documentation/.