基于μIP和socket的遠程機房電源控制系統設計

趙 勇，黃 東，張天開，苑 紅

（青島理工大學 自動化學院，山東 青島 266033）

目前，國內外關于機房遠程控制系統的解決方案，主要是通過純軟件技術實現的，諸如IBM、賽門鐵克、HP、東軟等公司都有相關的軟件產品，然而，純粹依靠軟件遠程控制無法操作服務器在死機狀態下重啟，死機時只能采取硬件重啟的方式解決，機房管理員為了確保重啟生效，往往很少使用服務器上的RESET按鍵，而是按下POWER按鍵，帶關閉電源后再開機。幾乎所有的服務器主板都集成帶有遠程喚醒技術（WOL,Wake-on-LAN）功能的網卡[1]，但 WOL技術只能在服務器處于關機或者正常運行的時候才能起效，而當服務器處于死機狀態下，服務器重啟就無法通過WOL實現了。

基于此，文中提出利用TCP/IP網絡通信協議，實現機房電源遠程控制系統的軟硬件相結合的解決方案，真正達到“零等待重啟”。

1 系統拓撲結構

遠程控制系統結構框圖如圖1所示。控制系統并不會改變機房原來的拓撲結構，只是在原有機房管理計算機安裝C/S控制客戶端后，根據機房電源數量，安裝相應數量的電源控制節點（每個節點可以控制32路電源的通斷）。如圖所示，電源控制節點也接入機房所在網絡中，以便接受管理計算機控制[2]。

圖1 機房遠程電源拓撲結構Fig.1 Topological structure of computer room remote power supply

用戶在管理計算機登錄到C/S客戶端后，客戶端將控制指令發送到指定的電源控制節點，電源控制節點控制繼電器通斷實現機房內各種設備的電源開關切斷。同時，用戶每次控制電源通斷的時間、電源持續工作的時間等都會生成日志自動保存到數據庫當中。

2 電源控制節點的設計

2.1 硬件設計

電源控制節點的主控芯片采用的是ST公司基于Cortex-M3內核的32位微處理器STM32F103VET6。Cortex-M3處理速度高達72 MHz，RSIC指令結構減少了開發難度。同時擁有的資源包括512 kB Flash、20KB SRAM滴答時鐘Systick、FSMC液晶屏接口、2路SPI等[3]。依靠STM32強大的硬件資源，設計很方便的在其外圍電路中擴展了顯示模塊、網卡模塊、存儲模塊、普通I/O輸入輸出模塊。依據電源控制節點的工作原理與功能，完成如下所示的電路：

1)網卡模塊：ENC28J60是帶有行業標準串行接口（Serial Peripheral Interface,SPI）的獨立以太網控制器,可以作為任何配備有SPI的控制器的以太網接口，符合IEEE 802.3的全部規范，采用了一系列包過濾機制以對傳入數據包進行限制。同時，ENC28J60還提供一個內部DMA模塊，以實現快速數據吞吐和硬件支持的IP校驗和計算。STM32的SPI1接口與ENC28J60實現通信，數據傳輸速率高達10 Mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED，進行網絡活動狀態指示[4]。網口插座電路輸出電路采用內置網絡變壓器、狀態指示燈和電阻網絡的RJ45接座HR911105A，具有信號耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等作用。電路原理如圖2所示。

圖2 ENC28J60電路原理圖Fig.2 Circuit of ENC28J60

顯示模塊： 通過 接口實現對 的讀寫；SPI2總線實現對觸摸芯片ADS7843的控制。

3)存儲模塊：STM32的PC0和PC1管腳模擬I2C總線時序，實現對掉電存儲芯片AT24C02的控制，AT24C02主要用來保存電源控制節點IP、子網掩碼、默認網關和電源開關延遲時間等信息。

2.2 軟件設計

2.2.1 μIP移植

開源的μIP軟件包為嵌入式微處理器建立TCP/IP協議堆棧提供了一種解決方法，μIP代碼都是用C語言編寫的。本系統選用了μIP 1.0版本作為移植版本，移植到了基于STM32控制的ENC28J60網絡模塊上，實現PC和電源控制節點的TCP通信。μIP協議棧與系統底層和高層應用之間的關系如圖3所示[5]。

圖3 μIP各層之間關系Fig.3 Relationship between each layer of μIP

μIP的移植可以分為如下4步：

1)網卡ENC28J60的數據被μIP從物理層分離，ENC28J 60和μIP之間的數據交互通過tapdev.c文件來實現。tapdev.c 文 件 中 包 含 3 個 文 件 ：tapdev_init()、tapdev_read()、tapdev_send()。網卡ENC28J60的驅動函數放在tapdev_init()中，主要是用來設置ENC28J60的工作模式和設定以太網的MAC地址；讀包函數tapdev_read()將網卡驅動中enc28j60PacketReceive()函數接收到的數據保存到全局變量uip_buf中，同時返回包的長度，用uip_len表示；發包函數tapdev_send()利用網卡驅動中的enc28j60PacketSend()函數將全局變量uip_buf中的數據發送出去。

2)STM32的定時器為μIP協議棧中的TCP和ARP提供定時器服務，配置STM32定時器20ms中斷，每次進入中斷tick_cnt加1，計數次數到 25次（0.5 s）調用一次 TCP的定時處理程序，10 s后可以調用ARP程序。μIP 1.0版本增加了timer.c和timer.h專門用來管理時鐘。

3)根據需要修改uipopt.h和uip-conf.h文件中的宏，用來配置μIP本地IP地址、網關地址、偵聽數、全局緩沖區的大小ARP表大小等。在此系統中，將UIP_CONNS配置成10，最多同時可以打開10個TCP連接。μIP和底層網卡驅動函數進行數據交互時，都是通過調用UIP_APPCALL()實現的，UIP_APPCALL()將數據送到相應的上層應用程序處理

4)將μIP的主循環架構封裝成一個任務加入main()中。打開PC的DOS界面，利用PING程序測試后，PC和電源控制節點通信良好。μIP的代碼流程圖如圖4所示。

圖4 μIP代碼流程圖Fig.4 Flow chart of μIP code

2.2.2 基于μCGUI人機交互界面實現

μCGUI是一種用于嵌入式應用的圖形支持軟件，它被設計用于為任何一個圖形LCD的應用提供一個有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。人機交互界面具體過程如圖5所示。電源控制節點上電復位后，首先選擇上是否修改IP設置，如果不修改，則直接從AT24C02中直接讀取IP后連接網絡；否則，重新設置IP地址、子網掩碼、默認網關，并寫入AT24C02中。

圖5 人機交互界面程序框圖Fig.5 Block diagram of human－computer interface

2.2.3 基于μC/OS-II的軟件實現

電源控制節點整個軟件體系是基于STM32硬件在μC/OS－II實時操作系統上實現的。首先進入Bootloader程序，上電后首先運行Bootloader，實現硬件設備初始化，為調用操作系統內核做好準備，引導程序使用vboot[6]。然后初始化μC/OS－II操作系統，調用應用程序。應用層程序主要有：顯示任務、網絡通信任務、普通I/O輸入輸出任務、存儲任務等。μC/OS－II最多可以創建64個任務，所以優先級有64級，用0～63表示，數字越小，優先級級別越高，不建議使用優先級最高4個和最低4個，所以用戶可以有56個自己的任務[7]。系統的各個任務優先級分配與任務說明如表1所示。

表1 系統任務優先級分配與說明Tab.1 Distribution and instructions of system task priority

3 C/S客戶端設計

C#作為C/S客戶端開發語言，結合ASP.NET技術，采用socket通信機制實現PC和電源控制節點的通信。socket工作原理如圖6所示。服務器首先初始化socket，然后與端口綁定，對端口進行監聽，調用accept阻塞，等待電源控制節點連接。在這時如果一個電源控制節點連接服務器成功，這時電源控制節點和客戶端的連接就建立了。

4 繼電器通斷測試

系統測試中，C/S客戶端IP為“192.168.5.110”、子網掩碼為“255.255.255.0”、默認網關為“192.168.5.254”，電源控制節點連接C/S客戶端后，設置好對應繼電器控制電源開關延遲時間[8]，遠程控制繼電器的通斷。系統通電后，不同繼電器通

圖6 socket工作原理Fig.6 Socket working principle

表2 繼電器通斷測試數據Tab.2 Relay on-off test data

5 結束語

本系統利用TCP/IP協議完成了機房遠程電源控制系統的設計。通過實際的測試和長時間的運行，本系統具有優秀的穩定性和通用性，能夠快速準確的完成繼電器的通斷。同時，系統不僅可以應用在機房電源，還可以應用到一些危險場合的電源遠程控制。此外，本系統還可以進行二次開發，增加手持設備客戶端，用戶可以通過手機、iPad等設備來實現電源的遠程控制。

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