嵌入式WEB传感器的网络化接口设计
摘要：介绍了嵌入式ｗｅｂ传感器的体系结构，提出了网络化接口中tcp/ip协议栈的几种实现方式，着重探讨了基于tcp/ip协议栈芯片w3100a的网络化接口的实现，最后分析了嵌入式web传感器的ｗｅｂ功能的实现。
关键词
嵌入式ｗｅｂ传感器是在智能传感器的基础上发展起来的具有ｉｎｔｅｒｎｅｔ功能的新型传感器。其实质是在传统传感器的基础上实现ｔｃｐ／ｉｐ网络通信协议接口，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信。它的组成主要有：敏感单元、智能处理单元和ｔｃｐ／ｉｐ通信协议接口。
图１为嵌入式ｗｅｂ传感器的体系结构。传统的传感器在嵌入式ｗｅｂ传感器中只占一部分。核心部分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的ｔｃｐ／ｉｐ网络接口。整个传感器的工作机理是：传感器将被测物理量转换为电信号，通过ａ／ｄ转换为数字信号，经过微处理器的数据处理 （滤波、校准）后将结果传送给网络；与网络的数据交换由基于ｔｃｐ／ｉｐ协议的网络接口模块完成。嵌入式ｗｅｂ传感器的内部存储器存储传感器的物理特征，如偏移、灵敏度、校准参数等；微处理器实现数据的处理和补偿以及输出校准；ｔｃｐ／ｉｐ协议实现传感器的直接网络连接。与传统的传感器相比，基于ｉｎｔｅｒｎｅｔ的嵌入式ｗｅｂ传感器更加可靠、便宜，扩展性更好且可以在内部直接对原始数据加工、处理，并通过ｉｎｔｅｒｎｅｔ与外界进行数据交换。因而它具有微型化、网络化和智能化。传感器的网络化接口实现了对ｉｎｔｅｒｎｅｔ或以太网的互连以进行信息的发布和资源共享。其实现方式是嵌入式ｗｅｂ传感器研究的重点。
网络化接口实现的关键在于ｔｃｐ／ｉｐ通信协议的实现。ｔｃｐ／ｉｐ通信协议的实现方法主要有：采用协议栈移植，针对嵌入式系统，将ｔｃｐ／ｉｐ协议栈移植到系统中，然后调用相关的ａｐｉ函数实现网络通信；不采用移植方式，参照标准的ｔｃｐ／ｉｐ协议精简相应的协议层，编写相关的ａｐｉ函数完成简易的ｔｃｐ／ｉｐ通信；采用协议芯片，如ｗ３１００ａ芯片，该方法直接采用硬件方式实现ｔｃｐ／ｉｐ协议，直接对芯片的寄存器进行设置，实现数据对网络的传送。本文着重探讨采用ｗ３１００ａ芯片实现嵌入式ｗｅｂ传感器的网络化接口的问题。
１ 网络化接口的实现
１．１ ｗ３１００ａ芯片及处理器对其访问的实现
ｗ３１００ａ是一ｔｃｐ／ｉｐ协议栈芯片，包含的各协议层有：ｔｃｐ、ｉｐ、ｕｄｐ、ｉｃｍｐ和以太网协议的数据链路ｄｌｃ，以及ｍａｃ协议。其工作方式类似于ｗｉｎｄｏｗｓ的ｓｏｃｋｅｔ ａｐｉ。芯片的内部结构示意如图２所示。
该芯片可选择地支持ｉｎｔｅｌ／ｍｏｔｏｒｏｌａ ｍｃｕ接口，另外还提供一个ｉ２ｃ接口给上层应用层，一个ｍｉｉ接口给底层物理层。芯片支持全双工模式，内部带有双口的ｓｒａｍ数据缓冲区。其封装是６４脚的ｌｑｆｐ。
芯片提供寄存器供ｍｃｕ访问，具体的寄存器分类如下：控制寄存器（命令、状态及中断）；系统寄存器（网关地址、子网掩码、ｉｐ地址等）；用于数据收、发的指针寄存器；通道操作的通道寄存器。
比较重要的几个寄存器如表１所示。
表1 寄存器功能和地址示意图
寄存器名称 地 址 类 型 功 能
c0_cr～c3_cr 0x00～0x03 控制寄存器 完成相应通道套接字的初始化、连接、关闭和数据收发
c0_isr～c3_isr 0x04～0x07 控制寄存器 套接字命令的结果情况
ir 0x08 控制寄存器 各个通道套接字和数据接收中断产生情况
imr 00x09 控制寄存器 控制各中断的屏蔽使能
gar 0x80～0x83 系统寄存器 用于默认的网关地址的设置
sipr 0x8e～0x91 系统控制 用于ip地址设置寄存器
rw_pr 每寄存器3字节，具体地址见w3100a数据手册 指针寄存器 接收数据的尾指针，依据数据大小自动调整
rr_pr 指针寄存器 接收数据的首指针
tw_pr 指针寄存器 传送数据的尾指针
tr_pr 指针寄存器 传送数据的当前数据指针
ta_pr 指针寄存器 指示传送数据的首指针
ssr c0:0xa0;c1:0xb8
c2:0xd0;c3:0xeb 通道寄存器 相应通道的套接字状态
sopr c0:0xa1;c1:0xb9
c2:0xd1;c3:0xe9 通道寄存器 相应通道的协议选择
控制寄存器ｃ０＿ｃｒ（通道０的命令寄存器），用于通道０套接字（ｓｏｃｋｅｔ）的初始化、连接、关闭和数据收发，其设置如下：
其中，ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ用于设置网关、子网掩码以及ｉｐ地址等，１～６位用于通道０套接字的初始化、连接、断开、监听以及数据收发，相应位在命令执行后自动清除。通过套接字协议选择寄存器ｃ０＿ｓ０ｐｒ设置相应的协议值确定套接字中选用ｔｃｐ还是ｕｄｐ。
芯片正常工作必须对其完成相应的初始化。初始化主要是对必要的寄存器进行相应的设置，这些寄存器包括：网关地址寄存器ｇａｒ、子网掩码寄存器ｓｍｒ、硬件地址寄存器ｓｈａｒ以及ｉｐ地址寄存器ｓｉｐｒ等。上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器ｃｒ的０位ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ激活芯片。
１．２ 硬件接口及其数据传输
图3 i2c接口示意图
该芯片提供了并口和串口两种方式实现与ｍｃｕ的通信。图３为基于ｉ２ｃ的串口连接方式。其中ｍｃｕ为传感器中的处理器，以太网物理层设备选用ｒｔｌ８２０１芯片。ｗ３１００ａ提供ｍｉｉ接口与ｒｔｌ８２０１相连，其中引脚ｒｘ＿ｃｌｋ、ｒｘｄｖ、ｒｘｄ[0:３]以及ｃｏｌ用于数据的接收，而ｔｘ＿ｃｌｋ、ｔｘｅ、ｔｘｄ[０:３]用于数据的发送。ｍｃｕ中提供模拟的ｉ２ｃ接口与ｗ３１００ａ通信。ｉ２ｃ是串行通信总线方式，由数据线ｓｄａ和时钟线ｓｃｌ配合完成通信。
建立ｔｃｐ连接的具体过程如图４所示。首先完成芯片的ｔｃｐ／ｉｐ初始化，设置相应通道如０通道的协议选择寄存器ｃ０＿ｓｏｐｒ为０ｘ０１；选择ｔｃｐ协议，执行通道０命令寄存器ｃ０＿ｃｒ中的ｓｏｃｋｅｔ＿ｉｎｉｔ，同时将ｃ０＿ｔｗ＿ｐｒ、ｃ０＿ｔｒ＿ｐｒ及ｃ０＿ｔａ＿ｐｒ置成同一值；然后执行ｃ０＿ｃｒ的ｃｏｎｎｅｃｔ和ｌｉｓｔｅｎ命令位，如此ｔｃｐ连接建立。
２ 嵌入式ｗｅｂ传感器的ｗｅｂ功能的实现及其在测控系统中的应用
ｗｅｂ的工作基于客户机／服务器模型，由ｗｅｂ浏览器和ｗｅｂ服务器即传感器构成，两者之间采用ｈｔｔｐ协议进行通信。因此在传感器的上层协议应该采用ｈｔｔｐ协议。同时要实现浏览器与嵌入式ｗｅｂ传感器交互，除了要解决上述ｔｃｐ／ｉｐ通信协议接口外，在传感器中应提供一个ｅｅｐｒｏｍ存储相应的网页文件。交互时，ｈｔｔｐ通过统一资源定位器ｕｒｌ(ｕｎｉｆｏｒｍ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｔｏｒ)确定传感器应该为浏览器提供哪些资源。为了节省空间，通过一种灵活的ｈｕｓｈ算法实现。ｅｅｐｒｏｍ中的每一个文件都有一个不同的ｈｕｓｈ值与之相对应，存取时很快可以计算出文件的地址。此外，它可以根据网页中嵌入的特殊标志实现动态网页。即显示实时采集的数据并进行控制操作。
下面是存储在温度传感器中的一个简单的动态网页程序，其中的“＠”字符用来在网页中插入温度的标志，网页文件存放在传感器的ｅｅｐｒｏｍ里。当用户发出页面请求时，处理器上的程序在ｔｃｐ打包时，把温度值嵌入到网页中的“＠”字符处，再将网页文件添加相应的ｈｔｔｐ头，返回给请求的用户。如此用户将在浏览器上看到实际的温度显示值。
＜ｈｔｍｌ＞
＜ｈｅａｄ＞
＜ｔｉｔｌｅ＞实时温度监视＜／ｔｉｔｌｅ＞
＜／ｈｅａｄ＞
＜ｂｏｄｙ＞
＜ｃｅｎｔｅｒ＞现在的温度是:＜ｆｏｎｔ ｓｉｚｅ＝＋２ ｃｏｌｏｒ＝＃ｆｆ９９ｆｆ＞ ＠ ＜／ｆｏｎｔ＞＜／ｃｅｎｔｅｒ＞
＜ｂｒ＞
＜／ｂｏｄｙ＞
＜／ｈｔｍｌ＞
如图５所示，嵌入式ｗｅｂ传感器和以太网测控网关将同时接到以太网上，实现上层网络终端客户端对其的访问。上层监控级对嵌式ｗｅｂ传感器访问采用ｂ／ｓ模式，监控级通过其浏览器实现对嵌入式ｗｅｂ传感器的访问。
本文所提出的网络化接口方案是利用硬件芯片实现ｔｃｐ／ｉｐ协议栈，可以解决当前应用中大量存在的８位ｍｃｕ实现ｔｃｐ／ｉｐ通信协议的问题。该网络化接口应用到嵌入式ｗｅｂ传感器上，很好地实现了现场级设备对外部网的接入，实现了信息的共享和发布，同时也扩大了控制的半径。该网络化接口实现方便，具有通用性，应用范围广。
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图１为嵌入式ｗｅｂ传感器的体系结构。传统的传感器在嵌入式ｗｅｂ传感器中只占一部分。核心部分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的ｔｃｐ／ｉｐ网络接口。整个传感器的工作机理是：传感器将被测物理量转换为电信号，通过ａ／ｄ转换为数字信号，经过微处理器的数据处理 （滤波、校准）后将结果传送给网络；与网络的数据交换由基于ｔｃｐ／ｉｐ协议的网络接口模块完成。嵌入式ｗｅｂ传感器的内部存储器存储传感器的物理特征，如偏移、灵敏度、校准参数等；微处理器实现数据的处理和补偿以及输出校准；ｔｃｐ／ｉｐ协议实现传感器的直接网络连接。与传统的传感器相比，基于ｉｎｔｅｒｎｅｔ的嵌入式ｗｅｂ传感器更加可靠、便宜，扩展性更好且可以在内部直接对原始数据加工、处理，并通过ｉｎｔｅｒｎｅｔ与外界进行数据交换。因而它具有微型化、网络化和智能化。传感器的网络化接口实现了对ｉｎｔｅｒｎｅｔ或以太网的互连以进行信息的发布和资源共享。其实现方式是嵌入式ｗｅｂ传感器研究的重点。
网络化接口实现的关键在于ｔｃｐ／ｉｐ通信协议的实现。ｔｃｐ／ｉｐ通信协议的实现方法主要有：采用协议栈移植，针对嵌入式系统，将ｔｃｐ／ｉｐ协议栈移植到系统中，然后调用相关的ａｐｉ函数实现网络通信；不采用移植方式，参照标准的ｔｃｐ／ｉｐ协议精简相应的协议层，编写相关的ａｐｉ函数完成简易的ｔｃｐ／ｉｐ通信；采用协议芯片，如ｗ３１００ａ芯片，该方法直接采用硬件方式实现ｔｃｐ／ｉｐ协议，直接对芯片的寄存器进行设置，实现数据对网络的传送。本文着重探讨采用ｗ３１００ａ芯片实现嵌入式ｗｅｂ传感器的网络化接口的问题。
１ 网络化接口的实现
１．１ ｗ３１００ａ芯片及处理器对其访问的实现
ｗ３１００ａ是一ｔｃｐ／ｉｐ协议栈芯片，包含的各协议层有：ｔｃｐ、ｉｐ、ｕｄｐ、ｉｃｍｐ和以太网协议的数据链路ｄｌｃ，以及ｍａｃ协议。其工作方式类似于ｗｉｎｄｏｗｓ的ｓｏｃｋｅｔ ａｐｉ。芯片的内部结构示意如图２所示。
该芯片可选择地支持ｉｎｔｅｌ／ｍｏｔｏｒｏｌａ ｍｃｕ接口，另外还提供一个ｉ２ｃ接口给上层应用层，一个ｍｉｉ接口给底层物理层。芯片支持全双工模式，内部带有双口的ｓｒａｍ数据缓冲区。其封装是６４脚的ｌｑｆｐ。
芯片提供寄存器供ｍｃｕ访问，具体的寄存器分类如下：控制寄存器（命令、状态及中断）；系统寄存器（网关地址、子网掩码、ｉｐ地址等）；用于数据收、发的指针寄存器；通道操作的通道寄存器。
比较重要的几个寄存器如表１所示。
表1 寄存器功能和地址示意图
寄存器名称 地 址 类 型 功 能
c0_cr～c3_cr 0x00～0x03 控制寄存器 完成相应通道套接字的初始化、连接、关闭和数据收发
c0_isr～c3_isr 0x04～0x07 控制寄存器 套接字命令的结果情况
ir 0x08 控制寄存器 各个通道套接字和数据接收中断产生情况
imr 00x09 控制寄存器 控制各中断的屏蔽使能
gar 0x80～0x83 系统寄存器 用于默认的网关地址的设置
sipr 0x8e～0x91 系统控制 用于ip地址设置寄存器
rw_pr 每寄存器3字节，具体地址见w3100a数据手册 指针寄存器 接收数据的尾指针，依据数据大小自动调整
rr_pr 指针寄存器 接收数据的首指针
tw_pr 指针寄存器 传送数据的尾指针
tr_pr 指针寄存器 传送数据的当前数据指针
ta_pr 指针寄存器 指示传送数据的首指针
ssr c0:0xa0;c1:0xb8
c2:0xd0;c3:0xeb 通道寄存器 相应通道的套接字状态
sopr c0:0xa1;c1:0xb9
c2:0xd1;c3:0xe9 通道寄存器 相应通道的协议选择
控制寄存器ｃ０＿ｃｒ（通道０的命令寄存器），用于通道０套接字（ｓｏｃｋｅｔ）的初始化、连接、关闭和数据收发，其设置如下：
其中，ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ用于设置网关、子网掩码以及ｉｐ地址等，１～６位用于通道０套接字的初始化、连接、断开、监听以及数据收发，相应位在命令执行后自动清除。通过套接字协议选择寄存器ｃ０＿ｓ０ｐｒ设置相应的协议值确定套接字中选用ｔｃｐ还是ｕｄｐ。
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２ 嵌入式ｗｅｂ传感器的ｗｅｂ功能的实现及其在测控系统中的应用
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下面是存储在温度传感器中的一个简单的动态网页程序，其中的“＠”字符用来在网页中插入温度的标志，网页文件存放在传感器的ｅｅｐｒｏｍ里。当用户发出页面请求时，处理器上的程序在ｔｃｐ打包时，把温度值嵌入到网页中的“＠”字符处，再将网页文件添加相应的ｈｔｔｐ头，返回给请求的用户。如此用户将在浏览器上看到实际的温度显示值。
＜ｈｔｍｌ＞
＜ｈｅａｄ＞
＜ｔｉｔｌｅ＞实时温度监视＜／ｔｉｔｌｅ＞
＜／ｈｅａｄ＞
＜ｂｏｄｙ＞
＜ｃｅｎｔｅｒ＞现在的温度是:＜ｆｏｎｔ ｓｉｚｅ＝＋２ ｃｏｌｏｒ＝＃ｆｆ９９ｆｆ＞ ＠ ＜／ｆｏｎｔ＞＜／ｃｅｎｔｅｒ＞
＜ｂｒ＞
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如图５所示，嵌入式ｗｅｂ传感器和以太网测控网关将同时接到以太网上，实现上层网络终端客户端对其的访问。上层监控级对嵌式ｗｅｂ传感器访问采用ｂ／ｓ模式，监控级通过其浏览器实现对嵌入式ｗｅｂ传感器的访问。
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