由W3100A構(gòu)成嵌入式網(wǎng)關(guān)的家庭智能系統(tǒng)

引言

　　當今社會逐漸入網(wǎng)絡(luò)時代，因特網(wǎng)已成為重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施。目前，大部分網(wǎng)絡(luò)終端仍以PC的形式出現(xiàn)，但是從計算機應(yīng)用普及的情況看，嵌入式系統(tǒng)更為普及，過去大量的浩如煙海的8位/16位單片機的嵌入式設(shè)備，已經(jīng)到了享受網(wǎng)絡(luò)方便的時候了。近來的統(tǒng)計證明：PC機CPU的產(chǎn)量僅是MCU產(chǎn)量的1/100，并且由于MCU的成本低廉，應(yīng)用非常普及。在工業(yè)測控、智能儀器、智能家庭領(lǐng)域，MCU應(yīng)用系統(tǒng)已無處不在。在這些場合中，以MCU為核心的設(shè)備同樣也需要解決接入因特網(wǎng)的問題。本文在分析嵌入式系統(tǒng)與常規(guī)計算機系統(tǒng)研發(fā)不同點的基礎(chǔ)上，介紹一種新型家庭智能系統(tǒng)。


　　1 家庭智能系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　家庭智能系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的總體框圖如圖1所示。從大的方面看，家庭智能系統(tǒng)可由三部分組成：家庭自動化外部接口模塊、家庭自動化圖像模塊、家庭智能化內(nèi)部無線收發(fā)與控制模塊。未來的家庭中，多件家用電器與各種報警器將組成一個家庭的內(nèi)部網(wǎng)，并通過內(nèi)部網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入因特網(wǎng)。一方面，內(nèi)部網(wǎng)中的家電可以通過網(wǎng)關(guān)訪問因特網(wǎng)上資源。如網(wǎng)絡(luò)電視機每天早晨自動訪問用戶喜歡的某個電視臺的網(wǎng)站，自動下載晚上的節(jié)目表。另一方面，用戶可以在因特網(wǎng)任務(wù)一點通過瀏覽器對家里的家用電器與報警器進行遠程控制。如用戶出門在外，可以在外地上網(wǎng)，通過瀏覽器，啟動家里的攝像機實時監(jiān)察家里的安全。家庭自動化內(nèi)部無線網(wǎng)模塊要由消息處理模塊和基于工頻的無線收模塊（NRF401）構(gòu)成。它將成為Internet網(wǎng)的發(fā)展沃土，順應(yīng)“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”向“網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用”擴展的大潮。本文主要介紹嵌入式網(wǎng)關(guān)，以及如何在遠程訪問具有靜態(tài)或動態(tài)IP地址嵌入式網(wǎng)關(guān)的技術(shù)。

　　2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

　　目前，國內(nèi)外嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計有二種方案：第一種方案，是基于軟件來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧；第二種是直接利用TCP/IP協(xié)議棧芯片。本文介紹的嵌入式網(wǎng)關(guān)采用第二種方案，它由W3100A、RTL8201、MCU組成，如圖2所示。


　　圖2中，DLC為數(shù)據(jù)鏈路控制，MAC為媒體訪問控制，IP為網(wǎng)際協(xié)議，ICMP為因特網(wǎng)控制報文協(xié)議，TCP為傳輸控制協(xié)議，UDP為用戶數(shù)據(jù)攝協(xié)議，DPRAM為雙端口存儲器。

　　第一種方案在大批量生產(chǎn)時，具有成本低的優(yōu)點，因為用軟件設(shè)計的TCP/IP協(xié)議棧，是一次投交多次使用；但開始投次比較大且設(shè)計復(fù)雜，因為需要實時操作系統(tǒng)的支持，而第二種方案，盡管在大指生產(chǎn)時成本高，因為每個智能設(shè)備都要嵌入TCP/IP協(xié)議棧芯片；但是在非大批量生產(chǎn)時具有投次比較大，設(shè)計簡單、靈活的特點，因為不需要實時操作系統(tǒng)的支持。本文采用的TCP/IP協(xié)議棧芯片是W3100A.它有如下特點：首先，它自帶TCP/IP協(xié)議棧（如TCP、UDP、Ipver.4、ICMP、ARP、DLC、MAC協(xié)議）；其次，它能同時支持四個獨立的連接通道，具有高速傳輸速率（如網(wǎng)關(guān)的MCU用Atmel 8951，那么網(wǎng)關(guān)的傳輸速率是200b/s；若用Intel386，那么網(wǎng)關(guān)的傳輸速率是3Mb/s）同時，它具有與MCU和物理層電路接口。從圖2可以看到；W3100A除了具有上述特點外，還提供了Socket應(yīng)用程序編程接口，為那種需要進行因特網(wǎng)連接的智能設(shè)備，提供了一種簡便、廉價、高效的方案，只要將W3100嵌入智能設(shè)備就可以了。這樣，大大減少了軟件研發(fā)費用，減輕了MCU的工作量，同時便利該產(chǎn)品具有競爭力，并符合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原則：①價格。由于嵌入式設(shè)備對價格非常敏感，通常要求價廉質(zhì)優(yōu)，故在設(shè)計產(chǎn)品時，在滿足功能要求的情況下盡量降低成本。②環(huán)境。在功能要求滿足的同時，要考慮到該產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下，能否正常工作，比如溫度、電源功耗等等。③使用。用戶在使用時，操作應(yīng)盡量簡單。

　　RTL8201是單口10/100Mb/s以太網(wǎng)收發(fā)器，超低耗和少于180mA/3.3V操作電壓，支持全雙工和半雙工操作，提供一個LED顯示器指示一個網(wǎng)絡(luò)回環(huán)存在。由于上述的優(yōu)點，該嵌入式網(wǎng)關(guān)可以用在IP電話、網(wǎng)絡(luò)MP3、網(wǎng)絡(luò)相機和工業(yè)控制總線上。圖3是嵌入式網(wǎng)關(guān)的原理圖。

　　3 軟件設(shè)計思想

　　為了適應(yīng)分組到達的隨機性，系統(tǒng)必須具有能夠從網(wǎng)絡(luò)接口讀取分組的能力，故本系統(tǒng)采用“軟件中斷”的機制。當一個分組到達時，產(chǎn)生一個硬件中斷，設(shè)備驅(qū)動程序接收分組重置接口設(shè)備。在中斷返回之前，設(shè)備驅(qū)動程序會通知硬件安排下一個較低優(yōu)先級的中斷；在此次硬件中斷結(jié)束后，低優(yōu)先級的中斷會繼續(xù)執(zhí)行。下面結(jié)合“軟件中斷”的機制、動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）和域名系統(tǒng)（DNS），來說明如何在遠程訪問具有靜態(tài)或動態(tài)IP地址嵌入式網(wǎng)關(guān)的技術(shù)（主要說明如何在遠程訪問具有動態(tài)IP地址嵌入式網(wǎng)關(guān)的技術(shù)）。在介紹該技術(shù)前，先介紹幾個概念。


　　（1）DHCP原理

　　當一臺設(shè)置為自動獲取IP地址的計算機在登錄網(wǎng)絡(luò)時，會向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送“租”一個IP地址的請求，專門負責提供IP地址的DHCP服務(wù)器回應(yīng)這個請求，為這臺計算機提供一個空閑的IP地址。DHCP的主要用途是：通過服務(wù)器的伺服進程協(xié)助來控管各個主機（執(zhí)行中的用戶端）上不可缺少的網(wǎng)絡(luò)連線參數(shù)。

　　(2)DNS

　　DNS（Domain Name System，域名系統(tǒng)）是一種組織成域?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的計算機和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)命名系統(tǒng)，用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。它主要是通過用戶親切而友好的名稱代替枯燥而難記的IP地址，以定位相應(yīng)的計算機和相應(yīng)服務(wù)。DNS就是完成在名稱和IP地址之間的映射。對于動態(tài)分配IP，做一個DHCP程序來綁定用戶網(wǎng)關(guān)的MAC地址和IP地址，然后再根據(jù)不同IP設(shè)定權(quán)限，防止IP地址盜用。

　　（3）HTTP協(xié)議的作用原理

　　WWW是以Internet作為傳輸媒介的一個應(yīng)用系統(tǒng)，WWW網(wǎng)上最基本的傳輸單位是Web網(wǎng)絡(luò)。WWW的工作基于客戶機/服務(wù)器計算模型，由Web瀏覽器（客戶機）和Web服務(wù)器（服務(wù)器）構(gòu)成，兩者之間采用超文本傳送協(xié)議（HTTP）進行通信。HTTP協(xié)議是基礎(chǔ)TCP/IP協(xié)議之上的協(xié)議，是Web瀏覽器來Web服務(wù)器之間的應(yīng)用層協(xié)議，是通用的、無狀態(tài)的、面向?qū)ο蟮膮f(xié)議。

　　根據(jù)上述HTTP協(xié)議的作用原理，本文實現(xiàn)了基于瀏覽器/嵌入式Web服務(wù)器模式的家庭智能系統(tǒng)。首先初始化W3100ATRTL8201，通過UDP傳輸DHCP報文，獲取動態(tài)IP地址，再得到DNS服務(wù)器支持，由DNS服務(wù)器負責建立IP地址與域名（別名）映射；同時，創(chuàng)建進程負責IP地址與域名（別名）映射更新，確保通過別名就可以訪問該嵌入式設(shè)備。初始化完成后，遠程瀏覽器就可以進行TCP鏈接了。建立TCP鏈接后，服務(wù)器等待遠程瀏覽器的請求，是一個被動的設(shè)備。當接收到建立TCP鏈接的請求后，來識別隨后收到的來自遠程客戶機瀏覽器的數(shù)據(jù)包。通過軟件中斷，監(jiān)聽W3100A、等待、接受客戶機連接到RTL8201后，在W3100A體現(xiàn)出來的標志；創(chuàng)建與Socket字相關(guān)聯(lián)的輸入流和輸出流；然后讀取客戶機的請求信息。在用戶登錄前，遠程瀏覽器必須獲得存儲在Flash內(nèi)部的網(wǎng)頁，由此才能進行登錄和控制。GET為其請求數(shù)據(jù)包中的第一個詞，表示這個請求是用來接收Web資源的。該服務(wù)器僅對HTTP請求的第一行Get/home.html/HTTP.1進行檢查和解釋。因為除了數(shù)據(jù)外，所有響應(yīng)信息數(shù)據(jù)都是常量。服務(wù)器的響應(yīng)數(shù)據(jù)包已經(jīng)由程序定制好，存放在服務(wù)器中。響應(yīng)的HTTP數(shù)據(jù)頭和資源一起存放在Flash中。服務(wù)器與瀏覽器鏈接建立后，服務(wù)器檢查接收的請求數(shù)據(jù)，然后調(diào)用8051內(nèi)部的程序模塊，將相應(yīng)的home.html發(fā)送給遠程瀏覽器。Web頁的存儲范圍為0000H～7FF0H，大約32KB，而8字節(jié)的用戶名和8字節(jié)的密碼可以存放在外圍Flash存儲區(qū)未端。在處理瀏覽器提交的數(shù)據(jù)信息時，按照兩個步驟進行程序設(shè)計。首先，服務(wù)器根據(jù)遠程瀏覽器傳送過來的數(shù)據(jù)信息，決定服務(wù)器的HTTP服務(wù)的方式。其實，將Web資源發(fā)送給遠程瀏覽器或使用函數(shù)來處理瀏覽器提交的數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)傳遞給消息處理模塊。該消息處理模塊根據(jù)所要控制設(shè)備類型查表，然后啟動無線收發(fā)模塊將表中的消息發(fā)送出去。每個智能設(shè)備根據(jù)此消息啟動相應(yīng)的操作，并借助于設(shè)計合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)實現(xiàn)軟件設(shè)計。上述過程可用圖4和圖5形象地說明。



結(jié)語

本文介紹的嵌入式網(wǎng)關(guān)有很大的發(fā)展前途，它以以太網(wǎng)為通信媒介，利用嵌入式網(wǎng)關(guān)進行家庭內(nèi)外信息交換；通過瀏覽器對家庭的各種信息進行實時、有效的管理和調(diào)度，為現(xiàn)代家庭生活提供智能服務(wù)