基于嵌入式WEB的工業(yè)洗衣機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來的不斷發(fā)展，機(jī)電設(shè)備融入互連網(wǎng)，并對其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控得到了廣泛應(yīng)用?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/嵌入式WEB">嵌入式WEB的遠(yuǎn)程監(jiān)控是在傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)上又融合了Web和嵌入式技術(shù)，可提供比傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控更為強(qiáng)大的功能，將成為今后遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的主流方向。Web技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，致使運(yùn)用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，已經(jīng)越來越多地成為設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)不可或缺的一部分。嵌入式設(shè)備的Web服務(wù)為現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、診斷和維護(hù)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

　　基于嵌入式Web的工業(yè)洗衣機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控模型

　　基于嵌入式Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控思想是在機(jī)電設(shè)備中實(shí)現(xiàn)HTTP 服務(wù)，將其轉(zhuǎn)化成Web Server嵌入到被控設(shè)備中，為Internet或局域網(wǎng)用戶提供基于Web 的圖形化管理接口，從而省去了專用客戶端管理軟件，實(shí)現(xiàn)對接入到網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的統(tǒng)一管理。用戶可以通過現(xiàn)有的公共通信網(wǎng)絡(luò)，不受地域限制，使用標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器作為接口直接訪問機(jī)電設(shè)備上的Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷與維護(hù)。

　　一般工業(yè)洗衣機(jī)的基本功能有：人機(jī)接口、電機(jī)控制、閥控制、洗衣機(jī)狀態(tài)檢測、溫度檢
測和水位檢測。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷，洗衣機(jī)還應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)功能。要實(shí)現(xiàn)智能控制，即在洗滌過程中控制器能根據(jù)洗滌物的多少、臟污程度和臟污性質(zhì)自動給出最佳洗滌方案，這就要求洗衣機(jī)具有渾濁度檢測和布質(zhì)布量檢測功能。通過上述分析，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)洗衣機(jī)的基本功能以及智能化和網(wǎng)絡(luò)化，嵌入式系統(tǒng)至少要有以下接口：LCD接口、觸摸屏接口（矩陣鍵盤接口、LED指示燈接口）、RS-232或RS485接口、UART接口、3路AD輸入、21路數(shù)字量輸出、8路數(shù)字量輸入（兩個(gè)可作為中斷源）及Ethernet接口。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　隨著嵌入式微處理器的發(fā)展，出現(xiàn)了Power PC、68K、MIPS、ARM等一系列低功耗、高性能的嵌入式CPU。因此選擇低成本的32位ARM系列嵌入式處理器，不但價(jià)格低廉，而且功耗低、處理速度快，應(yīng)用前景廣泛，比較適合遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。在工業(yè)洗衣機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)中選用韓國現(xiàn)代公司的HMS30C7202（32位RISC 微處理器），這是一款具有高性價(jià)比的芯片。該芯片內(nèi)集成了ARM7TDMI CPU核，存儲器管理單元（MMU），8KB的高速緩沖存儲器以及寫緩沖器。并具有豐富的接口：支持STN和TFT的LCD、觸摸屏、矩陣鍵盤、鼠標(biāo)、LED指示燈、LAN、CAN、USB、RS-232、RS-485、紅外、24路繼電器輸出、10路數(shù)字量輸入、3路模擬量輸入和2路PWM輸出。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用CS8900A及外圍電路實(shí)現(xiàn),本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)接口芯片CS8900A工作于16位模式。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)的核心工作是在上述硬件平臺上建立嵌入式WEB服務(wù)器,實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶的請求。除此之外還要實(shí)現(xiàn)工業(yè)洗衣機(jī)的智能控制。工業(yè)洗衣機(jī)系統(tǒng)需要進(jìn)行多個(gè)參數(shù)的檢測，需要使用多個(gè)傳感器，每一個(gè)傳感器的參數(shù)檢測和數(shù)據(jù)傳輸方式也各不相同。并且在洗滌過程中有很多需要控制的部件，如變頻器、各種閥等；在系統(tǒng)中各功能模塊關(guān)系復(fù)雜，任務(wù)多，而且各種需求間有并發(fā)關(guān)系。另外，還有網(wǎng)絡(luò)功能。因此有必要引入嵌入式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，它是一個(gè)多任務(wù)強(qiáng)實(shí)時(shí)的開源操作系統(tǒng)，經(jīng)裁減、移植與補(bǔ)充后形成工業(yè)洗衣機(jī)的專用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP/IP采用源碼公開的1wIP協(xié)議棧，并針對具體需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了得到人性化的本地操作用戶界面，采用了一種開源的圖形用戶界面μC/GUI，它與μC/OS-II有很好的接口配合，功能完善。因此，工業(yè)洗衣機(jī)智能控制器軟件由四部分組成：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II、硬件驅(qū)動程序、API函數(shù)和應(yīng)用程序。

　　嵌入式操作系統(tǒng)

　　mC/OS-II是一個(gè)源代碼公開的占先式多任務(wù)微內(nèi)核RTOS,每個(gè)任務(wù)具有不同的優(yōu)先級，能夠很好的滿足實(shí)時(shí)性需求。與其它實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，mC/OS-II結(jié)構(gòu)簡單、容易移植，廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制的各領(lǐng)域。在將mC/OS-II（V2.51）移植到HMS30C7202上的主要工作是修改三個(gè)和ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，OS_CPU. H，OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S。OS_CPU.H主要包含編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的定義、堆棧類型的定義以及幾個(gè)宏定義和函數(shù)說明。而OS_CPU_C.C中則包含與移植有關(guān)的C函數(shù)，包括堆棧的初始化函數(shù)和一些鉤子（hook）函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。OS_CPU_A.S中則包含與移植有關(guān)的匯編語言函數(shù)，包括開/關(guān)中斷、上下文切換、時(shí)鐘中斷服務(wù)程序等等。

　　TCP/IP協(xié)議棧

　　系統(tǒng)采用開源TCP/IP協(xié)議棧LWIP（Light Weight IP），LWIP是Swedish Institute of Computer Science開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LWIP 實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM 的占用，一般它只需要數(shù)10kB RAM 和40kB左右的ROM 就可以運(yùn)行，這使LWIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。LWIP協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了將來的移植問題，把所有與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立出來，放在/src/arch目錄下。因此LWIP在uC/OS-Ⅱ上的實(shí)現(xiàn)就是修改這個(gè)目錄下的文件，其他的文件一般不用修改。本系統(tǒng)移植的是LWIP是1.1.0版本。LwIP的移植工作主要有：

　　修改與CPU 或編譯器相關(guān)的include文件：cc．h、cpu．h、perf．h，正確設(shè)置數(shù)據(jù)長度，字的高低位順序等。
　　修改sys__arch．h和sys__arch．c中與操作系統(tǒng)相關(guān)部分。

　　LWlP協(xié)議棧中用到了6個(gè)外部函數(shù)（1ibarch．c），這些函數(shù)與用戶使用的系統(tǒng)或編譯器有關(guān)，因此需要自己實(shí)現(xiàn)。

　　/src/netif/ethernetif．c文
件即為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的模板，我們可以參照此模板實(shí)現(xiàn)選用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動。做完上面的移植修改工作以后，就可以在uC/0S一Ⅱ中創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)初始化LWlP，并創(chuàng)建TCP任務(wù)、UDP任務(wù)和HTTP任務(wù)。偽代碼如下：

　　創(chuàng)建LWIP任務(wù)
　　{
　　■系統(tǒng)初始化；
　　■內(nèi)存初始化；
　　■包內(nèi)存初始化；
　　■包緩沖初始化；;
　　■網(wǎng)絡(luò)初始化；
　　■創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)信號量；
　　■Tcpip初始化；
　　■等待系統(tǒng)信號量；
　　釋放系統(tǒng)信號量；
　　■設(shè)置網(wǎng)關(guān)；
　　■設(shè)置IP地址；
　　■設(shè)置子網(wǎng)掩碼；
　　TCP初始化任務(wù)；
　　HTTP初始化任務(wù)；
　　UDP初始化任務(wù)；
　　while（1）
　　{延時(shí)；}
　　}
　　嵌入式WEB服務(wù)器

　　隨著Web技術(shù)的迅速發(fā)展，Brower/Server（B/S）模式已成為流行的開發(fā)模式，這種方式基本上不用開發(fā)客戶端程序，只需對服務(wù)器端程序進(jìn)行開發(fā)程序，在客戶端采用諸如IE這樣的瀏覽器對服務(wù)器上的數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽。從功能上來講，WEB服務(wù)器監(jiān)聽用戶端的服務(wù)請求，根據(jù)用戶請求的類型提供相應(yīng)的服務(wù)。用戶端使用WEB瀏覽器和WEB服務(wù)器進(jìn)行通信。WEB服務(wù)器在接收到用戶端的請求后，處理用戶請求并返回需要的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常以格式固定、含有文本或圖片的頁面出現(xiàn)在用戶端瀏覽器。HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）是WWW（World Wide Web）的核心協(xié)議，即超文本傳輸協(xié)議。WWW使用HTTP協(xié)議、超媒體技術(shù)將遍布全球的各種信息通過URL（Uniform Resource locator-統(tǒng)一資源定位）連接起來，以便于用戶瀏覽。HTTP是一個(gè)屬于應(yīng)用層的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議。HTTP協(xié)議有兩項(xiàng)功能，即傳輸文件和實(shí)現(xiàn)動態(tài)交互應(yīng)用。LWIP在該源程序軟件包含HTTP1.0。LWIP運(yùn)行一個(gè)簡單的HTTP/1．0服務(wù)器至少能夠同時(shí)響應(yīng)10個(gè)以上頁面請求，而且占用RAM不超過4k字節(jié)。為了減少“上下文切換”對整體性能造成的消極影響，LWIP的所有協(xié)議都在一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中和操作系統(tǒng)內(nèi)核分開實(shí)現(xiàn)。而HTTP程序既可以是單獨(dú)的進(jìn)程也可以駐留在TCP/IP進(jìn)程中。如果HTTP是單獨(dú)的進(jìn)程，可以通過操作系統(tǒng)的郵箱，消息隊(duì)列等和TCP/IP進(jìn)程進(jìn)行通訊；如果HTTP駐留在TCP/IP進(jìn)程中，那應(yīng)用層程序就利用內(nèi)部回調(diào)函數(shù)口（Raw API）和TCP/IP協(xié)議棧通訊。

　　由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限，基于嵌入式Web的工業(yè)洗衣機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)高效傳輸、圖形化監(jiān)控的人機(jī)交互界面以及自主刷新。同時(shí)，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理都需要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的本地保存。因此，采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S ）和客戶端與服務(wù)器端（C/S）相結(jié)合的模式。在服務(wù)器端采用CGI （Common Gateway Interface）技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器之間的交互。CGI規(guī)定了Web服務(wù)器調(diào)用其他可執(zhí)行程序的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提供了Web 服務(wù)器執(zhí)行外部程序的通道，這種技術(shù)使得瀏覽器和服務(wù)器之間具有交互性。

　　采用Java Applet技術(shù)增強(qiáng)瀏覽器的功能，實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)瀏覽，通過B/S 方式訪問Web 服務(wù)器上的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，客戶端的IE瀏覽器瀏覽這個(gè)網(wǎng)頁時(shí)，會把網(wǎng)頁中標(biāo)識的Java applet源程序下載到客戶端執(zhí)行。在Java applet 源程序中，創(chuàng)建了一個(gè)套接字來完成與服務(wù)器的通信（前提是Web服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行一個(gè)相應(yīng)的服務(wù)器監(jiān)聽程序），獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于在瀏覽器中顯示。事實(shí)上，在Java applet 中的socket通信是一個(gè)典型的C/S訪問方式。系統(tǒng)通過Java applet平衡了服務(wù)器端與瀏覽器端的負(fù)載狀況，將一部分從前在服務(wù)器上工作分給了瀏覽器，降低了服務(wù)器的運(yùn)行負(fù)荷。

　　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　用戶通過網(wǎng)絡(luò)傳送命令，控制洗衣機(jī)工作。根據(jù)用戶設(shè)定的水位、溫度等參數(shù)完成洗滌和脫水；洗衣機(jī)需要自動檢測洗滌物質(zhì)量、含棉率、臟污程度和臟污性質(zhì)，通過智能推理得出最佳洗滌方案，自動完成洗滌過程。因此控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如下任務(wù)：模擬量采集任務(wù)，數(shù)字量檢測任務(wù)，報(bào)警任務(wù)，閥控制任務(wù)，混濁度檢測任務(wù)，洗滌控制任務(wù)，電機(jī)控制任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。根據(jù)每個(gè)任務(wù)的重要程度設(shè)置不同的優(yōu)先級，各個(gè)任務(wù)之間通過信號量或郵箱進(jìn)行通信。

　　結(jié)束語

　　嵌入式WEB技術(shù)是一種新興的技術(shù)，它采用瘦服務(wù)器模式，大大降低了構(gòu)建的費(fèi)用。本文采取ARM+RTOS+LWIP+HTTP的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)工業(yè)洗衣機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為洗衣機(jī)廠商的售后服務(wù)以及洗衣房和洗衣廠的管理帶來極大的方便。通過網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程升級, 進(jìn)一步改善和提高系統(tǒng)的性能