1 前言

計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)革命。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。過去大量的浩如煙海的8/16位單片機(jī)的嵌入式設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動化、家庭自動化等的實(shí)時應(yīng)用，已經(jīng)到了享受網(wǎng)絡(luò)方便的時候了。它們將成為Internet 的發(fā)展沃土，順應(yīng)“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”向“網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用”擴(kuò)展的大潮。

目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段，以單片機(jī)為核心，與一些控制設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet 這個信息流通渠道，則可以方便、低廉地將信息送到世界上任何一個地方，這將形成集管理與控制于一體的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。要做到這一點(diǎn)并不難，在電子技術(shù)、傳感技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)達(dá)的今天，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的取得，已經(jīng)不是難事，溫度、壓力、濕度、速度、加速度、電流、電壓這些數(shù)據(jù)只需要一個小小的嵌入式系統(tǒng)就可解決。另外，以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)也正在不斷向前發(fā)展。

另一方面，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和用戶對各種應(yīng)用需求，現(xiàn)在各種各樣的消費(fèi)產(chǎn)品，例如，智能手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)等，都提供無線或是有線的國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的接入功能。各種應(yīng)用都需要網(wǎng)絡(luò)的接入來提供各種娛樂功能。同時隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，對于各種設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入和訪問將變得越來越普遍。而且現(xiàn)在流行的智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也需要網(wǎng)絡(luò)的接入來提供遠(yuǎn)程控制，因此開發(fā)基于MCU的嵌入式Web服務(wù)器是非常有意義和挑戰(zhàn)性的。

2 需求與功能分析

系統(tǒng)目標(biāo)

最終目的是實(shí)現(xiàn)一個基于PIC32位單片機(jī)的可移植并且高度可配置嵌入式Web服務(wù)器。嵌入式Web服務(wù)器可用于現(xiàn)在流行的物聯(lián)網(wǎng)的各個方面，例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，工業(yè)機(jī)器監(jiān)控，小型Web服務(wù)器，遠(yuǎn)程信息交互等應(yīng)用領(lǐng)域。

主要功能

實(shí)現(xiàn)一個嵌入式Web服務(wù)器，并且能夠提供用戶通過Internet 訪問并控制相關(guān)外設(shè)。基本要求如下所示：

1. 當(dāng)上電或用戶復(fù)位后所有PIC32 位單片機(jī)配置能夠自動設(shè)置好，并正常工作；

2. 網(wǎng)絡(luò)連接通過板卡上的Ethernet 接口實(shí)現(xiàn)，并且相關(guān)的IP地址，子網(wǎng)掩碼（Subnet mask），網(wǎng)關(guān)（Gateway）等網(wǎng)絡(luò)配置能夠通過DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自動實(shí)現(xiàn)。

3. HTML源文件存放在外部SD存儲卡上，方便用戶修改。而且通過USB接口來實(shí)現(xiàn)讀寫。

4. 為了演示物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)及其優(yōu)勢，提供相關(guān)外設(shè)（溫濕度傳感器及LED）供用戶遠(yuǎn)程控制或操作。

5. 為方便使用，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息（如IP地址，網(wǎng)關(guān)（Gateway）等）及外設(shè)信息（如溫度，濕度等）顯示在LCD上。

相關(guān)技術(shù)和原理

TCP/IP 協(xié)議

USB 協(xié)議

3.系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

嵌入式Web服務(wù)器

從上面的框圖中我們可以清晰地了解整個硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及各部分的連接。首先最重要的部分是調(diào)用Microchip公司的TCP/IP庫來實(shí)現(xiàn)PIC32位單片機(jī)與Internet的通信，接受用戶的請求并根據(jù)Http Request（）的返回值通過Http Response（）來與用戶進(jìn)行交互，例如顯示時間、溫度、濕度，或者控制LED燈的亮或滅。更進(jìn)一步可以用按鍵來模仿嵌入式服務(wù)器側(cè)的各種外設(shè)的參數(shù)變化，使其實(shí)時的顯示到用戶的Web瀏覽器上。

下圖是簡化了的Web服務(wù)器原理圖，服務(wù)器的事物邏輯部分是嵌入式服務(wù)器的核心部分，它根據(jù)不同的Http Socket來讀取SD存取卡上的HTML源文件或其他外設(shè)的輸入值，來響應(yīng)用戶的請求，這是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

SD存取卡及文件系統(tǒng)

SD存取卡及文件系統(tǒng)是整個系統(tǒng)中僅次于嵌入式Web服務(wù)器的重要模塊，它主要用來存放Web服務(wù)器管理員編寫的HTML源文件，提供給Web服務(wù)器來響應(yīng)用戶的請求。SD卡的讀寫可以利用PIC32位單片機(jī)上的USB Host來方便的實(shí)現(xiàn)。并且Microchip 公司提供的文件系統(tǒng)的庫函數(shù)的支持，更加方便了SD存取卡及文件系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)。

其示意性原理框圖如下所示：

LCD顯示部分

同時與PIC32 位單片機(jī)相連的LCD用來顯示嵌入式Web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接信息以及傳感器的輸入值。嵌入式Web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接信息不僅包括當(dāng)前IP地址，網(wǎng)關(guān)等基本網(wǎng)絡(luò)信息，還包含了當(dāng)前用戶連接數(shù)，用戶的Web請求等。管理者可以根據(jù)這些基本的信息來判斷當(dāng)前Web服務(wù)器的工作狀態(tài)，以及系統(tǒng)錯誤的檢查。

LCD顯示內(nèi)容的總體布局如下圖所示：

4.傳感器模塊及LED控制模塊

傳感器主要用于測量當(dāng)前系統(tǒng)所處環(huán)境的各種參數(shù)，比如溫度，濕度等。測量的數(shù)據(jù)一方面送到LCD顯示；另一方面送到Web服務(wù)器的事物邏輯控制中心以響應(yīng)用戶的Web請求。而LED控制部分則接受來自Web服務(wù)器的控制信號以控制LED燈的亮或滅。

5.測試

1. 當(dāng)上電或用戶復(fù)位后所有PIC32 位單片機(jī)配置自動設(shè)置好，并正常工作；

2. 網(wǎng)絡(luò)連接通過板卡上的Ethernet 接口實(shí)現(xiàn)，相關(guān)的IP地址，子網(wǎng)掩碼（Subnet mask），網(wǎng)關(guān)（Gateway）等網(wǎng)絡(luò)配置能夠通過DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自動實(shí)現(xiàn)；

3. 相關(guān)外設(shè)（溫濕度傳感器及LED）正常工作。