嵌入式LonWorks網(wǎng)絡智能網(wǎng)關設計

操作系統(tǒng)的加入使得我們的內(nèi)部資源能夠更好的利用。μC/OS—II操作系統(tǒng)是一款開源的，針對嵌入式系統(tǒng)的實時內(nèi)核操作系統(tǒng)，可以應用于多種類型的硬件平臺。它最近發(fā)布的版本最多可管理多達256個任務。μC/OS—II具有強大的網(wǎng)絡支持，并且支持LwIP協(xié)議，為我們的網(wǎng)關服務搭建了一個很好的平臺。將μC/OS—II操作系統(tǒng)移植到ARM平臺上，只需處理μC/OS—II與Cortex—M3接口部分，即OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H這3個文件。

3.4 網(wǎng)關通訊協(xié)議TCP/IP實現(xiàn)

3.4.1 LWIP簡介

本文的TCP/IP協(xié)議選擇使用LwIP協(xié)議棧來實現(xiàn)。LWIP是由瑞典計算機科學研究院Adam Dunkels設計的開源的嵌入式TCP/IP協(xié)議。它是輕型的TCP/IP協(xié)議棧，適用于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)。LwIP既可以獨立運行，也可以移植到不同的操作系統(tǒng)上。

3.4.2 TCP數(shù)據(jù)處理流程

在我們的應用中，使用LwIP的TCP協(xié)議，它屬于傳輸層協(xié)議，雖然相比UDP協(xié)議傳輸速度較慢，但是它為應用層提供可靠的字節(jié)流服務TCP流程如圖4所示，當下位機數(shù)據(jù)信息到達時，通過tcp_write來構造一個報文段，之后tcp_output被調(diào)用，同時與ip_route交互，填寫首部中的源IP地址字段，最后通過ip_output發(fā)送給鏈路層，加上以太網(wǎng)幀頭發(fā)送到以太網(wǎng)中。同理可以得知TCP輸入流程。

3.4.3 LwIP移植

LwIP的移植主要是為了實現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層，它是操作系統(tǒng)和協(xié)議棧的一個接口，可為進程處理同步、消息傳送機制以及定時器等操作系統(tǒng)服務提供統(tǒng)一接口。

移植需要添加以下文件，具體包括：

1)與CPU和編澤器相關的頭文件。

2)與操作系統(tǒng)相關的文件。sys_arch.h的內(nèi)容是與操作系統(tǒng)相關的結構和函數(shù)。此文件中需要實現(xiàn)4個函數(shù)：消息函數(shù);數(shù)據(jù)結構及信號函數(shù);系統(tǒng)超時函數(shù);創(chuàng)立新線程函數(shù)。

3)與網(wǎng)卡驅動相關的函數(shù)。LwIP源碼提供者將ethernetif.c中的函數(shù)實現(xiàn)一個框架形式，用戶可以根據(jù)這個框架定制網(wǎng)卡驅動。

3.5 網(wǎng)關監(jiān)控平臺的實現(xiàn)

嵌入式處理器LPC1778在μC/OS—II操作系統(tǒng)平臺上，利用LwIP協(xié)議的上層協(xié)議HTTP協(xié)議搭建輕型服務器，提供人性化的操作界面，實時監(jiān)控底層數(shù)據(jù)及控制輸出等功能。Web服務器的結構如圖3所示。當遠端的瀏覽器發(fā)送請求時，HTTP協(xié)議處理程序會將該請求發(fā)送給Web服務器處理;而CGI(通用網(wǎng)關接口)程序作為處理客戶端Web瀏覽器輸入數(shù)據(jù)的接口規(guī)范，用來解釋處理表單的輸入信息，并在服務器產(chǎn)生相應的處理，完成客戶機與服務器之間的交互操作功能。

實現(xiàn)步驟如下：

1)通過在μC/OS—II建立相應的任務。當任務建立起來之后，任務的調(diào)度就由μC/OS—II的任務調(diào)度器調(diào)度。μC/OS-II的任務調(diào)度是搶占式的，所以在設置任務優(yōu)先級的時候要考慮任務對實時性的要求。同時注意LwIP的初始化要在μC/OS-II完全啟動之后。

2)Web服務器實現(xiàn)。由于本網(wǎng)關采用B/S通訊模式，嵌入式ARM則充當服務器，提供網(wǎng)頁數(shù)據(jù)信息。B/S模式需要HTTP協(xié)議的支持。它是基于請求/響應模式的，并使用TCP作為傳輸層。當服務器運行時，始終在80服務端口監(jiān)聽，等待請求的出現(xiàn)。Web服務器的編程是基于LwIP的API函數(shù)編寫的。API函數(shù)專為LwIP設計，充分利用LwIP的內(nèi)部結構以實現(xiàn)其設計目標。

3)HTTP處理子函數(shù)在獲得請求報文之后，根據(jù)其請求報文進行相應處理。在HTTP請求報文中，第一行就是請求行，方式有GET和POST兩種。由于CGI程序中具有HTML生成和FORM解析功能，CGI程序會根據(jù)請求數(shù)據(jù)中的URL信息找到相應的網(wǎng)頁文件，并對文件中的程序代碼解析并執(zhí)行，然后生成HTML網(wǎng)頁回傳至瀏覽器。

4 網(wǎng)關的功能和應用

該監(jiān)控平臺每2 s就從下位機刷新一次實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以獲得例如下位機ID號、電壓、電流、功率等實時量。圖5為開發(fā)完成的網(wǎng)關嵌入式網(wǎng)頁服務頁面，可以控制某一個下位機的開閉狀態(tài)、功率因子大小，并可以定時上傳數(shù)據(jù)并具有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。服務器的系統(tǒng)功能結構框架如圖6所示。

本網(wǎng)關IP靜態(tài)地址設為192，168.0.100并與路由器相連，通過動態(tài)域名解析與一個固定域名綁定，用戶通過訪問固定域名便可遠程實時觀測。

5 結束語

文中系統(tǒng)地論述了嵌入式LonWorks網(wǎng)絡智能網(wǎng)關的實現(xiàn)方法，主要分析了嵌入式網(wǎng)關的硬件和軟件的實現(xiàn)方法。本網(wǎng)關的實現(xiàn)可為將來遠程監(jiān)測應用方面帶來很大便利，可廣泛應用與遠程查表、路燈控制等項目中，具有很好的社會價值。