摘  要： 利用簡化的開源TCP/IP協(xié)議棧uIP，在資源有限的單片機上實現(xiàn)嵌入式Internet技術(shù)。通過uIP協(xié)議的應用程序接口實現(xiàn)基于HTTP協(xié)議的Web服務器應用服務。給出Web應用服務的實現(xiàn)流程，編寫了實現(xiàn)Web應用服務的詳細程序代碼。
關(guān)鍵詞： 嵌入式Internet；uIP協(xié)議棧；應用程序接口；Web應用服務

    嵌入式Internet是指電子設備通過嵌入式模塊而非PC直接接入到Internet，與Internet進行信息交互的過程。目前Internet成為全球最大、信息最豐富的互聯(lián)網(wǎng)絡。用戶甚至希望家電設備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制等設備也能夠連接到Internet上，因為這意味著用戶可以方便、快捷、低廉地通過網(wǎng)絡進行遠程控制、監(jiān)測和信息傳送。美國貝爾實驗室的科學家預測，未來將會產(chǎn)生比PC時代多成百上千倍的超級嵌入式Internet服務器。Internet技術(shù)和嵌入式技術(shù)的相互融合，為嵌入式系統(tǒng)的設計和產(chǎn)品開發(fā)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機遇。
1 單片機嵌入式Web應用的硬件系統(tǒng)設計
    在硬件系統(tǒng)的設計中，本文采用了ATMEL公司開發(fā)的高性能8位AVR(Advanced RISC)單片機AT90S8515，該單片機內(nèi)置8 KB可編程Flash，使用精簡指令集，支持C語言及匯編語言，與MCS 8051系列單片機相比在性能上有很大的提高，在目前單片機開發(fā)中用得較多。因此利用AT90S8515單片機作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器，通過網(wǎng)絡控制芯片將嵌入式系統(tǒng)與Internet相連接。其硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    在電路的硬件系統(tǒng)組成中，注意以下幾點：
    (1)單片機與網(wǎng)卡芯片的接口電路
    AT90S8515單片機所提供的8位數(shù)據(jù)總線PA0~PA7分別對應連接網(wǎng)卡的SD0~SD7引腳；5根地址線PC0~PC4對應連接網(wǎng)卡的SA0~SA4引腳；讀信號線RD、寫信號線WR與RTL8019AS的相應信號線連接[1]。復位通過PB0控制，PB1片選地址使能[2]。外接時鐘電路單片機為8 MHz，網(wǎng)卡芯片為20 MHz。
    (2)存儲器擴展電路
    一般單片機片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器容量為64 KB，這樣的存儲空間在進行單片機Web應用系統(tǒng)的開發(fā)時顯得過小。因此需要擴展數(shù)據(jù)存儲器，擴展容量隨系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用量而定。對于Web應用，需要很大的存儲空間存放網(wǎng)頁等數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)采用靜態(tài)RAM HM62256芯片作為存儲器擴展電路。
    (3)RTL8019AS工作方式
    RTL8019AS有3種工作方式：跳線方式、即插即用方式和RT免跳線方式[1]。在嵌入式應用場合，為了降低系統(tǒng)的復雜性，單片機盡量少接不必要的芯片。所以將RTL8019AS選擇工作在跳線方式。其IOCS16B引腳接下拉電阻，JP引腳端接高電平。
    (4)MAX232串口電平轉(zhuǎn)換電路
    在現(xiàn)場控制端，由于單片機輸出為TTL電平，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如傳感器)輸出為EIA電平，而MAX232芯片可以完成單片機和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間的雙向電平轉(zhuǎn)換[3]。
    (5)網(wǎng)絡隔離濾波接口電路
    在網(wǎng)絡接入端需要一個網(wǎng)絡隔離濾波器HR901170A。HR901170A主要對系統(tǒng)電路起保護作用，減少信號共模干擾，完成信號的傳輸。HR901170A的內(nèi)部集成了RJ45接口，可以直接接入到Internet。
2 嵌入式Internet的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)
2.1 嵌入式TCP/IP協(xié)議
    軟件編程是實現(xiàn)嵌入式Web系統(tǒng)的關(guān)鍵。Web通信中的數(shù)據(jù)封裝、解析都是由單片機軟件實現(xiàn)的。軟件實現(xiàn)主要包括兩部分：一是單片機精簡TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)，對數(shù)據(jù)的逐層打包、封幀、傳送等流程[2]；二是單片機Web應用服務的實現(xiàn)。
    由單片機組成的嵌入式Web往往應用于特殊的、專用的領域，一般不需要太多的功能，這與PC機上的網(wǎng)絡應用有很大的不同。支持PC機進行Internet通信的TCP/IP協(xié)議是一個非常龐大的協(xié)議簇。而單片機芯片沒有足夠的空間資源，所以從嵌入式網(wǎng)絡應用和單片機空間資源兩個方面考慮，都沒有必要在單片機上實現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議。目前市場上沒有統(tǒng)一的標準的實現(xiàn)嵌入式Internet的TCP/IP協(xié)議軟件，需要開發(fā)人員根據(jù)具體應用的需要去開發(fā)一套適用于單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議，工作量異常龐大，開發(fā)周期較長。一種比較簡單和易實現(xiàn)的做法是使用由瑞士計算機科學院的Adam Dunkels等開發(fā)的免費公開源代碼的小型TCP/IP協(xié)議，即uIP協(xié)議棧，它專門為8位和16位單片機編寫。uIP的代碼大小為3 304 B，對單片機RAM的需求為360 B，遠遠小于TCP/IP協(xié)議對資源的要求。有關(guān)uIP詳述和應用例程可見參考文獻[4]。
2.2 uIP驅(qū)動底層網(wǎng)絡設備RTL8019AS
    uIP是一個僅包含3層網(wǎng)絡層核心協(xié)議的協(xié)議棧，uIP自身不包含任何類型的底層網(wǎng)絡驅(qū)動和上層應用程序，它只提供接口函數(shù)供用戶開發(fā)使用。因此為了完成與底層網(wǎng)絡設備的交互，用戶必須根據(jù)網(wǎng)絡設備的類型，在uIP中自行實現(xiàn)對底層網(wǎng)絡設備的驅(qū)動。本文采用的網(wǎng)絡設備是RTL8019AS網(wǎng)卡，因此需要在uIP中實現(xiàn)對RTL8019AS網(wǎng)卡的驅(qū)動[4]。
    RTL8019AS驅(qū)動程序包括：RTL8019AS芯片初始化、芯片復位以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。RTL8019AS芯片初始化可以通過初始化函數(shù)void init_8019(void)完成。芯片復位通過芯片上的RSTDRV引腳執(zhí)行復位操作，該引腳高電平有效。
3 單片機上嵌入式Web服務器的軟件實現(xiàn)
3.1 Web服務器的建立
    在進行以上的工作之后，用戶就可以建立Web服務器，通過uIP協(xié)議實現(xiàn)不同的微控制器或工作站之間的通信。Web服務器和客戶端瀏覽器間的通信采用HTTP協(xié)議。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常需要根據(jù)用戶的指令，采集系統(tǒng)的當前數(shù)據(jù)信息傳送給客戶端瀏覽器，為實現(xiàn)這種客戶端瀏覽器和Web服務器的動態(tài)交互，需要在服務器端采用通用網(wǎng)關(guān)接口CGI(Common Gateway Interface)技術(shù)。CGI是一個在服務器上運行的程序，它分析處理用戶發(fā)送到服務器上的數(shù)據(jù)信息，完成動態(tài)文件資源的創(chuàng)建和處理，再將用戶信息返回給客戶端。
    Web服務器初始化完成后，服務器等待客戶端的連接請求，客戶端瀏覽器輸入服務器的IP地址后發(fā)一個物理地址解析協(xié)議(ARP)請求包，服務器收到后進行應答。客戶端收到應答包后發(fā)送超文本傳輸協(xié)議(HTTP)包，服務器收到HTTP包后開始建立與客戶端的TCP連接并作出對此包的響應。客戶端收到響應包后即斷開連接，服務器偵測到客戶端斷開了連接也同時斷開連接。
3.2 Web服務器數(shù)據(jù)處理流程
    當系統(tǒng)的網(wǎng)卡接收到從網(wǎng)絡傳送來的數(shù)據(jù)包后，首先分析目的地址是否與自己的物理地址一致，如果不一致，則丟棄此包；如果一致，則讀取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)并分析。如果是ARP請求包，則轉(zhuǎn)入ARP處理程序，并發(fā)送一個ARP應答包給客戶端。如果是IP包，則交由IP層處理，同時去掉以太網(wǎng)首部[4-5]。IP層根據(jù)IP首部的協(xié)議字段分析該IP包屬于什么數(shù)據(jù)包，如果是UDP包則，丟棄；如果是ICMP請求包，則發(fā)送一個ICMP應答包給客戶端；如果是TCP包且IP地址和端口號正確，則接收數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過串口輸出，控制MAX232現(xiàn)場設備。反之，如果現(xiàn)場通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機，單片機將數(shù)據(jù)按照TCP協(xié)議格式打包，送入RTL8019AS，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)發(fā)送到局域網(wǎng)中。根據(jù)需要還可以在收到串口數(shù)據(jù)時，先完成數(shù)據(jù)預處理，再將處理好的數(shù)據(jù)送到局域網(wǎng)。具體的處理過程如圖2所示。

3.3 單片機上的Web服務器編程
    uIP協(xié)議棧提供了一個稱為宏的UIP_APPCALL的應用程序接口供用戶設計應用程序時使用[4]。要在單片機上實現(xiàn)Web Server服務，首先將該宏定義為一個應用程序函數(shù)名，然后在此函數(shù)中實現(xiàn)HTTP協(xié)議。完成后，用戶可以從局域網(wǎng)內(nèi)的任何客戶機訪問該單片機Web服務器。如果分配一個公網(wǎng)IP地址，則也可以從Internet上訪問此Web服務器。實現(xiàn)的程序如下：
    #define UIP_APPCALL uip_http /*定義宏UIP_APPCALL為uip_http的應用程序函數(shù)*/
    void uip_http(void)           /*開始實現(xiàn)http協(xié)議建立Web服務器*/
    {struct uip http_state*s；
    s=(struct uip app_state*)uip_conn->appstate；
    if(uip_connected())
      {…                       /*打開連接接口函數(shù)，開始一個新的應用程序連接*/
　　        }
     if(uip_newdat()||uip_rexmit())  /*接收數(shù)據(jù)接口或重發(fā)數(shù)據(jù)接口函數(shù)，應用程序發(fā)送數(shù)據(jù)*/
　     {if(uip_datalen()>0)     /*判定數(shù)據(jù)的大小接口函數(shù)
　　      {if(uip_conn->lport==80)  /*收到新連接端口號為80的請求，此即http應用*/
　　         {update_table_data()；
　　            s->dataptr=newpage；
　　            s->dataleft=1957；
　　            uip_send(s->dataptrs->dataleft)； /*發(fā)送上述http應用數(shù)據(jù)*/
　　          }
　　       }
     }
    if(uip_acked())      /*返回ACK數(shù)據(jù)確認接口函數(shù)*/
　　   {if(s->dataleft>uip_mss()&&uip_conn->lport==80)
　　     {s->dataptr+=uip_conn->len；
　　      s->dataleft-=uip-conn->len；
　　      uip_send(s->dataptrs->dataleft)；
　　      }
　　    return；
　   　}
    if(uip_poll())
　　   {…                /*輪詢接口函數(shù)用于輪詢各個客戶端發(fā)起的連接*/
　　    　　return；
      　　}
　    　if(uip_timedout()||      /*判斷連接是否超時*/
　　    uip_closed()||          /*關(guān)閉當前的連接*/
　    　uip_aborted())         /*中斷連接接口*/
　    　{return；}
    }
    本文設計的系統(tǒng)成功應用在寧波市某商業(yè)廣場的地下停車場監(jiān)測系統(tǒng)中。由于該商業(yè)廣場停車場業(yè)務量較大，常常導致車位飽和而客戶不知道的情形下進入停車場尋找車位，而該停車場規(guī)定進入停車場超過15 min的車輛即開始收費。導致客戶常常尋找超過規(guī)定的時間而仍未找到停車位但需付費，從而發(fā)生客戶和管理方之間的糾紛，影響商業(yè)廣場的整體形象。使用了該系統(tǒng)后，各個車位上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集停車信息并反饋給系統(tǒng)。系統(tǒng)在停車場入口處顯示停車場當前有無可停車位以及哪些區(qū)域有空閑車位等信息。如果車位已滿，將會顯示無可停車位。除此之外，管理人員還可通過客戶端進行查詢、計時計費等工作。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點是開發(fā)費用低廉且操作簡單。在本文設計的系統(tǒng)中，客戶端使用普通的Web瀏覽器，通過Internet即可與單片機嵌入式Web應用服務器進行通信。客戶端瀏覽器不需要開發(fā)額外的軟件，也不需要瀏覽器支持特別的功能。客戶端可通過訪問嵌入式Web服務器的網(wǎng)頁內(nèi)容與之進行交互。嵌入式Web與現(xiàn)場控制接口互連，可實現(xiàn)對被控設備的遠程監(jiān)測、控制、診斷、管理及維護等。嵌入式技術(shù)和Internet技術(shù)的相互融合，加速了電子設備的網(wǎng)絡化應用趨勢。應用單片機作為嵌入式Internet技術(shù)的硬件設備可以降低系統(tǒng)的成本。本文設計的嵌入式Web系統(tǒng)根據(jù)不同的應用需求，稍加修改即可應用在智能家電、智能建筑、儀器儀表、通訊產(chǎn)品、工業(yè)控制等眾多領域。
參考文獻
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