嵌入式Web服務器在高頻電源上的應用

廖佳榮

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引 言

新一代的工業革命正在興起，物聯網作為其中主要的組成部分，越來越廣泛地應用在各個領域。在人們的生活中，小到手表、鑰匙，大到汽車、別墅，只要嵌入一個小型芯片就可以實現智能化。隨著物聯網的發展，越來越多的物體均已實現了智能化，讓人們享受到更加安全輕松的生活。

嵌入式系統是一種完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統。與個人計算機這樣的通用計算機系統不同，嵌入式系統通常執行的是帶有特定要求的預先定義的任務。嵌入式系統只針對一項特殊的任務，其功能單一、兼容性要求不高、可以進行優化且成本低廉[1]。

嵌入式Internet是近幾年發展起來的新技術，該技術可以使嵌入式系統連接Internet網絡進行信息交互，通常被稱為非PC Internet接入。TCP/IP協議是Internet最基本的協議，采用TCP/IP協議有以下幾個優點：一是可以利用現有的Internet網絡設施進行多點通信；二是TCP/IP已經被廣泛應用在各種設備上，嵌入式系統采用此協議可以直接跟其他設備進行通信；三是現在的手機等智能終端設備都含有最基本的上網瀏覽功能，采用手機自帶的Internet瀏覽器即可跟嵌入式系統進行通信，無需特別安裝App。

本方案在設備中嵌入TCP/IP協議棧組成Web服務器，使用HTTP協議來與客戶端進行通信，用戶可以在客戶端利用Internet瀏覽器直接訪問嵌入式Web服務器。由于嵌入式設備已經接入Internet，因此用戶只要可以連接Internet便可查看設備的運行情況，并做出相應的設置修改。

1 實現方案

基于網絡監控系統的構成方式可以分為兩大類：C/S結構模式和B/S結構模式[2]。C/S結構，即Client/Server（客戶端/服務器）結構；B/S結構，即Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構。在C/S結構下，客戶端需要采用專門的App，比較典型的有現在國內用戶使用廣泛的微信、QQ等，還有一些購物的網站（如淘寶、京東等）。采用這種結構不僅需要開發服務器端程序，而且還需要進行客戶端的程序開發[3]。在B/S結構下，服務器會將數據發布到Web服務器上，用戶只需要利用瀏覽器訪問該服務器即可與設備進行交互。

C/S結構的開發難點主要在于客戶端的開發，移動終端的操作系統五花八門，針對不同的系統需要開發不同的客戶端App。例如，蘋果的手機需要專門開發一款App，安卓的又要另一種。此外，還有版本的要求，如安卓4.0、5.0等，不同版本的兼容性都要考慮，開發的成本很高[4-6]。

B/S結構無需開發客戶端程序，只要有Internet瀏覽器即可作為客戶端，任何安裝有瀏覽器的移動終端均可以使用瀏覽器直接訪問服務器，只需要進行服務器端的程序開發即可，開發難度較低。B/S結構模式開發重點是要使服務器端包含HTTP協議模塊，本方案便是基于該結構模式進行開發。

本系統嵌入TCP/IP協議棧，程序增加HTTP模塊來支持HTTP協議，共同組成一個嵌入式Web服務器。用戶通過瀏覽器發送請求信息，TCP/IP協議棧根據請求信息進行解析，解析的數據傳輸到HTTP模塊，HTTP模塊中的程序對數據進行相應的處理并將相應的網頁文件傳遞回TCP/IP協議棧，再發送到用戶的瀏覽器上[7]。

服務器提供兩種連接方式供移動終端進行訪問：方式一是系統內建WiFi熱點，移動終端連接WiFi熱點，使用網頁瀏覽器直接訪問Web服務器；方式二是服務器通過撥號上網連接上Internet，移動終端必須連接Internet網絡，使用網頁瀏覽器訪問Web服務器。

系統通過通信電纜連接到高頻電源，定期發送查詢指令獲取高頻電源的運行參數，并將當前高頻電源的運行參數等信息嵌入到Web頁面發布到網上，這樣高頻電源的各項運行參數就呈現在瀏覽器上[8-11]。用戶通過網頁上的參數輸入框修改設置參數，系統收到參數修改后發送修改指令到高頻電源，高頻電源返回新的運行參數，在網頁上可以及時查看操作結果。

2 硬件設計

嵌入式Web服務器需要嵌入TCP/IP協議棧，對計算機的存儲器、運算速度要求比較高，如果采用8位或16位的MCU，由于TCP/IP等Internet協議需要很多系統資源，因此系統運行緩慢或完全無法運行。基于此，本系統采用32位MCU。系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統的硬件框圖

（1）控制芯片MCU。STM32控制芯片是ST公司推出的基于Cortex-M3內核的32位MCU。本系統采用STM32F103RC增強型MCU，它可以提供48kB的SRAM、256kB的片內FLASH以及豐富的外設接口，性價比極高。

（2）串口通信。高頻電源的通信連接采用RS485串口。STM32系列處理器均集成有USART串行通信接口，要與RS485串口進行通信必須進行電平轉換，本系統電平轉換芯片選用MAX3485。MAX3485采用半雙工通信方式，具有將TTL轉換為RS485電平的功能。同時其與MCU的連接也非常簡單，只要分別連接MCU的RXD、TXD，再增加EN信號控制MAX3485的接收和發送即可。

（3）以太網通信。ENC28J60是一種帶有SPI接口的網絡適配器模塊，單片機只要具有SPI控制器便可以通過該網絡適配器模塊擴展出以太網接口。ENC28J60內置MAC+PHY芯片來實現簡單的以太網物理層連接，內部集成有一塊10M BASE-T芯片，SPI接口的通信速率每秒最高可達10 MB，通過SPI接口連接MCU，嵌入式系統無需安裝操作系統即可單芯片接入以太網。

（4）無線路由。無線路由器可以將RJ45接口傳輸的信號轉換成WiFi信號通過天線轉發給附近的移動終端，移動終端通過連接無線路由器的熱點，在瀏覽器輸入網址即可與高頻電源進行信息交互。無線路由器的覆蓋半徑一般為50 m，超出范圍的移動終端可以通過方式二進行訪問。本系統采用無線路由嵌入無線3G模塊，使用資費卡通過運營商3G網絡進行撥號聯網，移動終端可以通過GPRS撥號或連接已經接入了Internet的WiFi熱點等方式連接Internet，在瀏覽器中輸入網址便可實現與高頻電源的信息交互。

3 軟件設計

3.1 軟件平臺

采用微控制器開發工具MDK對基于Cortex-M3內核的微控制器進行程序開發。

3.2 主程序

系統送電，程序開始啟動時首先初始化硬件，包括STM32、ENC28J60以及串口等；其次初始化Web服務器，載入HTTP模塊；最后初始化完成后，開始進入主程序運行階段。主程序運行主要包括以下4個階段：

（1）發送讀取命令至高頻電源；

（2）將讀取到的高頻電源運行參數等更新網頁；

（3）判斷是否接收到客戶端瀏覽器的讀取請求，接收到請求則HTTP模塊處理請求后返回Web網頁，未接收到請求則直接進入下一階段；

（4）判斷是否接收到客戶端瀏覽器的修改請求，未接收到修改請求則直接返回第一階段，收到修改請求則HTTP模塊處理請求后將新數據發送到高頻電源，然后返回第一階段。

3.3 服務器端程序開發

瀏覽器與服務器連接后的信息交互過程如下：

（1）瀏覽器向服務器發送請求消息；

（2）服務器接到瀏覽器的請求后，HTTP模塊進行CGI處理，返回相應的網頁程序；

（3）瀏覽器根據返回的網頁程序進行網頁解析；

（4）以上過程結束后，瀏覽器與服務器之間連接會斷開，服務器進入等待狀態，等待下一個瀏覽器連接請求。

3.4 CGI通用網關接口開發

CGI是一種通用的網關接口程序，運行在Web服務器端，可以對瀏覽器發來的請求信息進行處理，實現Web服務器與客戶端之間的信息交互。

CGI程序的處理過程如下：

（1）用戶的請求信息通過瀏覽器發送到Web服務器；

（2）CGI程序根據請求信息作出響應，將結果傳送到Web服務器；

（3）Web服務器將處理結果反饋到用戶的瀏覽器頁面。

3.5 網頁開發

網頁文檔使用HTML語言直接在文本文件中添加標記符號即可將文字、圖形、表格以及鏈接等資源組成一個完整的網頁文件，方便Internet瀏覽器解析。文本文件所占空間小，可以直接存儲在嵌入式Web服務器的Flash中，根據用戶的瀏覽請求，經過CGI程序的處理，返回相應頁面至用戶的瀏覽器上。

4 結 論

本文介紹了嵌入式Web服務器在高頻電源上的應用，設計了一個B/S結構的系統，采用TCP/IP協議棧，重點使用了HTTP協議。首先，系統硬件組成簡單，可以方便地嵌入高頻電源或其他設備中；其次，系統相當于一個網站，用戶與系統的交互過程其實是訪問一個網站，無需特別的客戶端軟件；最后，系統可直接接入Internet，方便遠程操控。