基于WebSocket技術(shù)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究

范鵬程　陳鐘榮

摘要：研究了一種新的基于WebSocket技術(shù)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計，包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸兩大模塊，系統(tǒng)采用了W5500網(wǎng)絡(luò)芯片以及AM2302數(shù)字溫濕度傳感器，在HTTP協(xié)議的基礎(chǔ)上進行了應(yīng)用開發(fā)。結(jié)果表明，基于WebSocket技術(shù)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)具有成本低、數(shù)據(jù)傳輸靈活實時等優(yōu)點，并可廣泛應(yīng)用于需要溫濕度監(jiān)控的場所。

關(guān)鍵詞：W5500網(wǎng)絡(luò)芯片；HTTP協(xié)議；溫濕度監(jiān)控；系統(tǒng)

中圖分類號：P412.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）06-1558-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.050

溫度和濕度是衡量環(huán)境的重要指標。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)控制、倉庫存儲等領(lǐng)域里，溫濕度監(jiān)控設(shè)備成為研究的重點，并正在走向大規(guī)模的實施階段。傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測設(shè)備大多數(shù)采用有線方式，其優(yōu)點是可靠穩(wěn)定，而缺點是布線困難、可移動性差。針對這些問題與不足，本研究以高性能ARM芯片STM32為核心的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，采用最新的WebSocket技術(shù)，實現(xiàn)了遠程溫濕度的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、主控制模塊、以太網(wǎng)模塊等模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊是傳感器在主控制器的驅(qū)動下完成對溫濕度數(shù)據(jù)的采集，主控制模塊使用的是高性能Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器，可以完成對數(shù)據(jù)采集模塊的控制以及對采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理工作，處理完成的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)模塊W5500發(fā)送至客戶端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度數(shù)據(jù)采集使用AM2302濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊，它是一款含有己校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應(yīng)用溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)，具有極高的可靠性和長期的穩(wěn)定性[1，2]，傳感器引腳名稱描述如表1所示。

該傳感器采用單線制串行接口，與單片機之間僅僅需要一個I/O口就能夠采集到本地的溫度和濕度，其與單片機的典型連接如圖1所示。

2.2 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊使用WIZnet公司生產(chǎn)的W5500芯片，該芯片直接采用硬件協(xié)議棧實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，主要應(yīng)用在性能高和成本低的嵌入式系統(tǒng)中，具有設(shè)計簡單方便、應(yīng)用快捷靈活等特點。W5500芯片內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧、10/100M以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層MAC和物理層PHY，支持TCP、ARP、IGMP等協(xié)議，同時W5500內(nèi)部還集成有32 Kb存儲器用作TX/RX緩存以供以太網(wǎng)包處理，使用W5500芯片僅需要一些簡單的Socket編程就能實現(xiàn)以太網(wǎng)的應(yīng)用，這樣可以為嵌入式的設(shè)計開發(fā)提供硬件參考。

W5500芯片提供了SPI接口，容易與STM32處理器進行通信，而且W5500芯片使用了新的高效SPI協(xié)議，支持80 MHz速率，能夠更好地實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信。如圖2所示，本設(shè)計采用SPI接口將STM32處理器和以太網(wǎng)模塊連接構(gòu)成以太網(wǎng)接口電路[3，4]，其中RJ-45接口作為以太網(wǎng)通信接口是實現(xiàn)Internet接入的樞紐，網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)指示燈指示網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)是否正常。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計相對比較簡單，軟件設(shè)計是核心工作，軟件設(shè)計工作主要包括HTTP協(xié)議處理流程和WebSocket處理函數(shù)流程。本設(shè)計中使用W5500芯片的2個Socket資源，一個用來創(chuàng)建HTTP服務(wù)器，在客戶端瀏覽器中輸入配置的IP地址就能遠程訪問硬件系統(tǒng)；另一個用來創(chuàng)建WebSocket服務(wù)器，與網(wǎng)頁端建立通信來傳輸溫濕度數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計的總體流程如圖3所示。

3.1 HTTP協(xié)議及處理流程

HTTP（超文本傳輸協(xié)議）是因特網(wǎng)中在Web服務(wù)器和客戶瀏覽器之間傳輸數(shù)據(jù)使用的協(xié)議。首先，HTTP協(xié)議是TCP/IP模型中應(yīng)用層一個面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，在HTTP工作開始前，瀏覽器與服務(wù)器之間要建立TCP連接，然后瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請求信息，服務(wù)器接受到請求信息之后返回響應(yīng)信息，瀏覽器接收到服務(wù)器的響應(yīng)信息后，對數(shù)據(jù)進行處理執(zhí)行。如圖4所示，即HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的基本過程。

在STM32處理器和W5500芯片搭建的硬件平臺上，要實現(xiàn)HTTP服務(wù)器的通信過程，分為以下幾個步驟：

1）初始化服務(wù)器。完成Web服務(wù)器的初始化，W5500芯片作為Web服務(wù)器，首先分配Socket去監(jiān)聽HTTP請求。

2）接受并解析客戶端請求。當Socket連接建立完成后，W5500芯片接收來自客戶端的HTTP請求并進行分析。

3）回應(yīng)響應(yīng)消息。如果請求方法為GET，則先返回響應(yīng)首部，再將客戶端請求的URL目標文件從內(nèi)存中讀出，作為HTTP應(yīng)答發(fā)送給客戶端[5]。

4）關(guān)閉。HTTP 響應(yīng)消息完成后，關(guān)閉與客戶端的連接。

由于Web服務(wù)器和瀏覽器在通信時使用TCP協(xié)議工作，根據(jù)SOCK_HTTP之間狀態(tài)的不同，執(zhí)行不同的操作。http（ ）函數(shù)就實現(xiàn)了Web服務(wù)器接受請求和回復響應(yīng)的全過程。以下是對http（ ）函數(shù)部分重點語句的詳細解釋以及HTTP服務(wù)器實現(xiàn)的具體流程[6]，如圖5所示。

void do_http（ ）

{

uint8 ch=SOCK_HTTP； //定義了HTTP通信的Socket端口變量

…………

switch（getSn_SR（ch）） //獲取Socket的狀態(tài)

{

case SOCK_INIT： //Socket狀態(tài)初始化

listen（ch）； //Web服務(wù)器的監(jiān)聽

break；

case SOCK_LISTEN： //Socket監(jiān)聽狀態(tài)

break；

case SOCK_ESTABLISHED： //Socket建立連接成功

…………

len = recv（ch， （uint8*）http_request， len）； //接收來自客戶端的請求

proc_http（ch， （uint8*）http_request）；//解析HTTP請求，并發(fā)送HTTP Response

disconnect（ch）； //斷開TCP連接

break；

case SOCK_CLOSE_WAIT： //Socket等待關(guān)閉狀態(tài)

…………

disconnect（ch）； // 斷開TCP連接

break；

case SOCK_CLOSED： // Socket 關(guān)閉狀態(tài)

Socket（ch， Sn_MR_TCP， 80， 0x20）//重新初始化Socket端口，等待下一次連接

break；

}

}

3.2 WebSocket處理流程

WebSocket是HTML5規(guī)范中的一個重要組成部分，是下一代客戶端服務(wù)器的異步通信方法。WebSocket協(xié)議是一種雙向通信協(xié)議，建立在TCP基礎(chǔ)之上，同http一樣通過TCP來傳輸數(shù)據(jù)[7]。

當在客戶端瀏覽器上訪問硬件的IP地址，會向W5500芯片發(fā)送http請求，W5500芯片在收到請求后將網(wǎng)頁信息發(fā)送給瀏覽器，瀏覽器就能顯示溫濕度檢測系統(tǒng)的主界面。在網(wǎng)頁的代碼中，瀏覽器會主動連接W5500芯片的WebSocket，在完成握手操作后數(shù)據(jù)通信通道即可建立。這樣硬件就可以將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給瀏覽器端，瀏覽器在收到溫濕度數(shù)據(jù)后，使用畫布功能，在指定位置畫出溫濕度示數(shù)的點和曲線。WebSocket處理函數(shù)具體流程如圖6所示。

WebSocket服務(wù)器和客戶端之間交互過程大致分為以下4個步驟并且給出了函數(shù)原型：

1）為了創(chuàng)建一個WebSocket連接，需要創(chuàng)建一個WebSocket接口傳入Web服務(wù)URL地址，sensorWebSocket會試圖連接監(jiān)聽于相應(yīng)的URL服務(wù)。

varwsUri=‘ws：192.168.3.171：1818′；

sensorWebSocket=newWebSocket（wsUri）；

2）注冊事件并為事件鏈接相應(yīng)處理函數(shù)，例如，當瀏覽器頁面收到來自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)后，觸發(fā)onmessage事件，進而調(diào)用onMessage函數(shù)。

sensorWebSocket.onmessage=function（evt）{onMessage（evt）}；

代碼中還注冊了onopen、onclose和onerror 3個事件，onopen表示W(wǎng)ebSocket建立連接完成，onclose表示W(wǎng)ebSocket連接被關(guān)閉或無法建立連接，onerror表示W(wǎng)ebSocket發(fā)生錯誤。

3）消息處理函數(shù)，在硬件上將采集來的溫濕度數(shù)據(jù)用‘.號連接，在瀏覽器端接收到數(shù)據(jù)后，使用字符串分割函數(shù)將溫度和濕度數(shù)據(jù)分割，存儲在一個數(shù)組對象里，之后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成坐標值在畫布上顯示出來。

functiononMessage（evt）

{

vararrayTH=new Array（2）；

arrayTH=evt.data.split（‘.）；

……

}

4）主動關(guān)閉WebSocket連接

sensorWebSocket.close（）；

有了WebSocket這個功能就可以與遠程服務(wù)器連接并接受和發(fā)送消息，該功能在雙向通信方面十分有用，特別是在服務(wù)器需要主動向瀏覽器頁面發(fā)送消息時。

4 客戶端的數(shù)據(jù)監(jiān)測

程序中設(shè)定Web服務(wù)器的IP地址為192.168.3.171，客戶端PC機也位于同一網(wǎng)段，設(shè)定IP地址為192.168.3.18。在PC機瀏覽器地址欄輸入嵌入式Web服務(wù)器的IP地址192.168.3.171，運行結(jié)果如圖7所示，在測試期間可以使用加濕器來增加空氣中濕度。

5 小結(jié)

隨著信息化的推進與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接成為了一大趨勢。本研究設(shè)計了一種基于WebScoket的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方案，實現(xiàn)實時更新，降低數(shù)據(jù)流量和網(wǎng)絡(luò)延遲，減輕服務(wù)器負擔。W5500芯片的使用，比其嵌入式以太網(wǎng)方案更加快捷、方便實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)控制、倉庫儲存等多個領(lǐng)域。

參考文獻：

[1] 王東濤，鞠鳳船.農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（35）：20446-20447.

[2] 劉繼忠，邱于兵，黃 翔.基于ARM的遠程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（8）：90-92.

[3] 于春雪.W5100在遠程電力質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2011，32（9）：59-64.

[4] 陳 實，王 琪，張鐵軍，等.一種基于W5100的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（9）：54-56.

[5] 高 嵩.基于HTTP協(xié)議的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2009.

[6] 林笑君.基于Cortex-M3的嵌入式WEB服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].太原：太原理工大學，2013.

[7] 鄭 玲，鄭曉天.基于WebSocket的電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)更新研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2013（1）：85-87.