基于單片機(jī)和以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)

王建軍，王守謙，成艷亭，喬建委，許文碩

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

傳統(tǒng)儀器儀表采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)或者模擬電路、邏輯門電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在自動校準(zhǔn)、自動檢測、數(shù)據(jù)處理方面有很大不足。隨著大規(guī)模集成電子技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表發(fā)展進(jìn)入了一個智能儀器階段，自動測量、遠(yuǎn)程監(jiān)控成為智能化的體現(xiàn)。目前，基于單片機(jī)的集中數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)已經(jīng)得到了很好的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[1-3]。但在惡劣環(huán)境下以及多地域分布的生產(chǎn)環(huán)境下，一方面人力難以到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行集中測量，另一方面，分布式的測量需要進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)采集，因此需要設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和多地點(diǎn)分布式的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

目前有較多致力于解決基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控問題的研究，如韓興國等[4]研制了一種基于AT89C55單片機(jī)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程測控儀，在數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程控制平臺上進(jìn)行了直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)等插補(bǔ)精度的實(shí)時遠(yuǎn)程測試和誤差分析；張繼飛等[5]設(shè)計(jì)了水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水質(zhì)參數(shù)無線監(jiān)測部件RTU、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理服務(wù)器和客戶終端APP組成；鄒益民等[6]基于ModBus-TCP的主從式測控網(wǎng)絡(luò)，以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，實(shí)現(xiàn)了對本地恒溫實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集、閑環(huán)控制、數(shù)據(jù)通信及遠(yuǎn)程監(jiān)測；郭佑民等[7]設(shè)計(jì)了一種基于BQ27750的遠(yuǎn)程測控終端電源監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)對電池的電壓、電流、溫度、剩余電量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并采用SIM800C芯片的GPRS通信模式，在單片機(jī)的控制下將電池信息快速、有效地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；王建軍等[8]發(fā)明了一種路基滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)測方法與裝置；Jafer等[9]設(shè)計(jì)了一種多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程傳感器測量裝置；Ugur等[10]研究了遠(yuǎn)程控制裝置。

為了創(chuàng)建一種基于51單片機(jī)和以太網(wǎng)的低成本遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，本文將單片機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)控制芯片接入互聯(lián)網(wǎng)，通過編制單片機(jī)和服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以IAP15F2K61S2單片機(jī)為控制核心進(jìn)行遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖1所示。IAP15F2K61S2單片機(jī)開發(fā)板通過SPI總線與網(wǎng)絡(luò)模塊ENC28J60相連，采用C語言編程，通過模擬SPI時序的方式完成單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)模塊的通信;網(wǎng)絡(luò)模塊可通過固定IP或者DHCP的方式配置本地網(wǎng)絡(luò)，通過RJ-45雙絞線接入路由器或其他上級網(wǎng)關(guān)設(shè)備，然后將上級網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，單片機(jī)即可同時接入到以太網(wǎng)。其操作步驟為：(1)注冊數(shù)據(jù)中心賬號，申請HTTP請求接口；(2)根據(jù)HTTP請求接口改寫單片機(jī)程序，編譯燒錄；(3)將單片機(jī)在任意現(xiàn)場通過網(wǎng)絡(luò)芯片接入以太網(wǎng)；(4)在任意地點(diǎn)采用上網(wǎng)設(shè)備打開數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站管理單片機(jī)客戶端設(shè)備。

圖1 基于單片機(jī)的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of ethernet remote data measurementand control system based on single chip microcomputer

單片機(jī)接入到以太網(wǎng)后，即可通過單片機(jī)編程操作溫度傳感器DS18B20采集現(xiàn)場的溫度數(shù)據(jù)。圖2中，將溫度傳感器數(shù)據(jù)通過HTTP請求方式提交到遠(yuǎn)端托管服務(wù)器，遠(yuǎn)端托管服務(wù)器根據(jù)服務(wù)器端設(shè)定存儲數(shù)據(jù)到MYSQL數(shù)據(jù)庫，用戶可通過任意上網(wǎng)設(shè)備，如手機(jī)、筆記本電腦、臺式機(jī)電腦等，從網(wǎng)上查看和記錄測量數(shù)據(jù)。另外，用戶還可以通過控制中心網(wǎng)站，打開遠(yuǎn)程控制操作頁面，對單片機(jī)系統(tǒng)上的客戶端設(shè)備進(jìn)行控制操作。如圖1中，通過模擬開關(guān)操作，可通過本地瀏覽器遠(yuǎn)程控制LED控制開關(guān)的開斷。

圖2 單片機(jī)接入以太網(wǎng)的測控網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Schematic of measurement and control network of single chip microcomputer connecting to ethernet

2 實(shí)物系統(tǒng)的開發(fā)

圖3為采用IAP15F2K61S2單片機(jī)開發(fā)板開發(fā)的客戶端，可實(shí)現(xiàn)本地被測對象的數(shù)據(jù)采集、上傳和遠(yuǎn)程控制操作。主要包括：(1)單片機(jī)開發(fā)板：以IAP15F2K61S2芯片為控制核心；(2)網(wǎng)絡(luò)模塊：ENC28J60網(wǎng)絡(luò)控制芯片；(3)溫度傳感器：DS18B20溫度傳感器芯片，安裝在單片機(jī)開發(fā)板上；(4)RJ-45接口雙絞線；(5)路由器；(6)LINUX VPS服務(wù)器：即提供WEB服務(wù)和HTTP接口的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

圖3 基于IAP15F2K61單片機(jī)開發(fā)板的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)客戶端組成圖Fig.3 Client components of remote data acquisition and control system based on IAP15F2K61 development board

圖3中，采用一個5V轉(zhuǎn)接3V的電源模塊給IAP15F2K61S2單片機(jī)開發(fā)板和ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊兩個設(shè)備供電，單片機(jī)的P03～P07口通過杜邦線與網(wǎng)絡(luò)模塊的SPI總線相連，網(wǎng)絡(luò)模塊通過RJ-45接口雙絞線與路由器連接，路由器通過無線網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)客戶端接入以太網(wǎng)。

2.1 單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的通信編程

IAP15F2K61S2單片機(jī)是單時鐘/機(jī)器周期的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，而速度快8～12倍，內(nèi)部集成高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口、2KB EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換模塊和MAX810專用復(fù)位電路。工作電壓2.4～3.8V[11]。

UIP是一種適用于小型嵌入式通信的TCP/IP協(xié)議棧，由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院人員開發(fā)編寫，其通過少量代碼可實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的一些基本功能，如UDP、ARP，還有IP、ICMP和TCP協(xié)議，可由幾百字節(jié)的C語言代碼編寫實(shí)現(xiàn)；經(jīng)過對UIP協(xié)議棧的進(jìn)一步優(yōu)化，代碼容量縮減到1.2 KB以內(nèi)，RAM占用更是縮減到了500 B以內(nèi)，有利于充分利用IAP15F2K61S2單片機(jī)的片上資源實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能[12]。UIP協(xié)議棧運(yùn)行流程圖如圖4所示。

圖4 UIP協(xié)議棧運(yùn)行流程圖Fig.4 Flow chart of UIP protocol stack operating

1)UIP設(shè)備的驅(qū)動程序

采用的硬件設(shè)備為IAP15F2K61S2單片機(jī)和ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊，獲取UIP源碼后需要將ENC28J60的驅(qū)動程序與UIP的接口進(jìn)行SPI口連接，然后對UIP驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行初始化。

ENC28J60 網(wǎng)卡驅(qū)動時，首先上電初始化，通過函數(shù) enc28j60_init進(jìn)行寄存器初始化，設(shè)定網(wǎng)卡物理地址、收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等，然后調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)dev_send和接收數(shù)據(jù)函數(shù)dev_poll，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。

2)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用接口程序

TCP/IP協(xié)議棧的鏈路層功能由ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊完成，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由單片機(jī)處理，在單片機(jī)上運(yùn)行UIP協(xié)議棧，通過網(wǎng)絡(luò)模塊可接入互聯(lián)網(wǎng)。

UIP 協(xié)議的應(yīng)用程序接口實(shí)現(xiàn)WEB應(yīng)用服務(wù)。UIP 定義了一個宏UIP_APPCALL實(shí)現(xiàn)接口功能。當(dāng)用戶要編程實(shí)現(xiàn)某應(yīng)用服務(wù)時，只需將宏UIP_APPCALL定義成實(shí)際的應(yīng)用程序函數(shù)名。UIP 在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，若需送上層應(yīng)用程序處理，就調(diào)用UIP_APPCALL，不同連接通過判斷當(dāng)前連接的端口號確定。

UIP 還提供一些應(yīng)用程序接口函數(shù)供編程使用：如關(guān)閉連接接口函數(shù)uip_close；輪詢接口函數(shù)uip_poll；打開連接接口函數(shù)uip_connect等。通過調(diào)用不同應(yīng)用程序接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

2.2 服務(wù)器端WEB服務(wù)的HTTP接口

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站服務(wù)器使用方便，其WEB服務(wù)采用類C語言的PHP語言編寫，并提供GET請求接口方式，方便在UIP中進(jìn)行HTTP請求的發(fā)送。服務(wù)器端的控制中心網(wǎng)站和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站通過PHP動態(tài)語言開發(fā)，采用Codeigniter開源框架實(shí)現(xiàn)敏捷開發(fā)，同時在API函數(shù)編寫過程中使用IF判斷語句嚴(yán)格控制命令輸出，實(shí)現(xiàn)高效嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腁PI編寫。

3 以太網(wǎng)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)測試實(shí)例

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站設(shè)置為：http://dc.sdut.me，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)準(zhǔn)備測試。測試單片機(jī)開發(fā)板和網(wǎng)絡(luò)模塊以及溫度傳感器、LED開關(guān)等是否工作正常。

2)接線電源測試。保證線路連接穩(wěn)定可靠和供電正常。

3)啟動設(shè)備。首先運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)模塊，然后打開電源開關(guān)和控制板數(shù)據(jù)采集開關(guān)，此時系統(tǒng)將自動采集溫度傳感器數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)模塊傳送到控制中心網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫，并查詢、執(zhí)行控制中心發(fā)出的控制指令。

4)客戶端訪問。啟動設(shè)備后等待片刻，使用筆記本電腦瀏覽器查看控制中心網(wǎng)站，查看溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集情況，然后發(fā)出控制指令，觀察執(zhí)行控制中心發(fā)出的開關(guān)控制指令是否得到執(zhí)行。

5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。切斷電源，使系統(tǒng)停止工作，檢查回顧系統(tǒng)工作狀況、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站和客戶端訪問情況是否正常。

3.1 溫度傳感器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集實(shí)例分析

溫度傳感器遠(yuǎn)程測量實(shí)例結(jié)果如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集實(shí)例—溫度采集Fig.5 An example of ethernet remote data acquisition-temperature acquisition

數(shù)據(jù)采集的采樣頻率采用服務(wù)器端控制方法，用戶可在服務(wù)器端設(shè)置采樣時間間隔，自選傳感器類型，并設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)存儲字段。只要客戶端單片機(jī)運(yùn)行正常，能夠及時將傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，則數(shù)據(jù)中心就可按照用戶需求完成數(shù)據(jù)采集和圖表分析。

3.2 遠(yuǎn)程控制實(shí)例分析

遠(yuǎn)程控制實(shí)例測試結(jié)果如圖6所示。遠(yuǎn)程控制采用客戶端單片機(jī)GET方式獲取控制命令，控制命令HTTP包最低173字節(jié)，單包容量小、網(wǎng)絡(luò)傳輸快，模擬開關(guān)控制可實(shí)現(xiàn)最快1 s的及時控制。另外，單片機(jī)編程時，考慮到控制可靠性設(shè)計(jì)，采用看門狗實(shí)時監(jiān)控單片機(jī)程序運(yùn)行，一旦程序跑飛，可及時復(fù)位單片機(jī)，有效保證了控制設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

圖6 遠(yuǎn)程控制開關(guān)實(shí)例Fig.6 Example of remote control switch

通過測試可知，設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)采用51單片機(jī)和10 M網(wǎng)卡芯片，并模擬SPI總線接口，提供了單片機(jī)接入以太網(wǎng)的一種低成本解決方案；(2)移植精簡TCP/IP協(xié)議(即UIP)到51單片機(jī)，資源占用少，方便構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；(3)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用穩(wěn)定可靠的LINUX服務(wù)器，WEB服務(wù)程序和HTTP接口采用PHP動態(tài)編程語言編寫；(4)克服了多地點(diǎn)、跨地域數(shù)據(jù)采集和惡劣環(huán)境下現(xiàn)場測控的不便，使遠(yuǎn)程測控方便、快捷和高效。通過手機(jī)或電腦的瀏覽器控制被控設(shè)備、查看測量數(shù)據(jù)，方便快捷，不存在平臺、系統(tǒng)兼容性問題；(5)測量數(shù)據(jù)實(shí)時保存到數(shù)據(jù)服務(wù)器，保證了測量數(shù)據(jù)的安全、可靠、易獲取，同時可方便擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲容量。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器根據(jù)獲取的測量數(shù)據(jù)分析繪圖，提供簡單的數(shù)據(jù)處理分析，并可設(shè)置警報(bào)，提供郵件、短信通知等擴(kuò)展功能。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，以單片機(jī)作為客戶端，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制軟件采用網(wǎng)頁編程實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上，用戶只要通過瀏覽器打開數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制。通過溫度傳感器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程LED開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程測控方案的可行性，取得了良好的測控實(shí)驗(yàn)效果。