1 引言
21世紀(jì)是嵌入式計(jì)算系統(tǒng)時(shí)代,人們?nèi)粘I詈凸ぷ髦兴佑|的儀器與設(shè)備中,都將嵌入具有強(qiáng)大計(jì)算能力的微處理器。嵌入式系統(tǒng)是任意包含一個(gè)可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備,但是這個(gè)設(shè)備不是作為通用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的。即嵌入式計(jì)算系統(tǒng)是嵌入在其他設(shè)備中,起智能控制作用的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一臺(tái)通用個(gè)人電腦不能稱為嵌入式計(jì)算系統(tǒng),盡管有時(shí)會(huì)把它嵌入到某些設(shè)備中,而一臺(tái)包含有微處理器的打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)就可以算嵌入式計(jì)算系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制設(shè)備系統(tǒng)、信息家電、智能家庭設(shè)備等眾多領(lǐng)域中。隨著因特網(wǎng)的迅速發(fā)展,Web應(yīng)用程序的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,它廣泛地用于各種監(jiān)控系統(tǒng)、通信設(shè)備等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)日益與Internet技術(shù)和 WWW技術(shù)結(jié)合起來(lái)發(fā)展為嵌入式Web或嵌入式Internet技術(shù)。嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。下文介紹一種嵌入式智能家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),它是在Microchip公司提供硬件的基礎(chǔ),在功能實(shí)現(xiàn)上獨(dú)立完成了TCP/IP協(xié)議、HTTP協(xié)議的編寫,并在此基礎(chǔ)上加載了實(shí)際的應(yīng)用。
2 HTTP協(xié)議
HTTP是超文本傳輸協(xié)議的縮寫,用于傳送WWW方式的數(shù)據(jù)。HTTP協(xié)議采用了請(qǐng)求/響應(yīng)模型。客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求,請(qǐng)求頭包含請(qǐng)求的方法、URI、協(xié)議版本、以及包含請(qǐng)求修飾符、客戶信息和內(nèi)容類似于MIME的消息結(jié)構(gòu)。服務(wù)器以一個(gè)狀態(tài)行作為響應(yīng),相應(yīng)的內(nèi)容包括消息協(xié)議的版本,成功或者錯(cuò)誤編碼加上包含服務(wù)器信息、實(shí)體元信息以及可能的實(shí)體內(nèi)容。通常HTTP消息包括客戶機(jī)向服務(wù)器的請(qǐng)求消息和服務(wù)器向客戶機(jī)的響應(yīng)消息。這兩種類型的消息由一個(gè)起始行,一個(gè)或者多個(gè)頭域,一個(gè)頭域結(jié)束的空行和可選的消息體組成。在Internet上,HTTP通訊通常發(fā)生在TCP/IP連接之上。缺省端口是TCP80,但其它的端口也是可用的。但這并不預(yù)示著HTTP協(xié)議在Internet或其它網(wǎng)絡(luò)的其它協(xié)議之上才能完成。HTTP只預(yù)示著一個(gè)可靠的傳輸?;贖TTP協(xié)議的客戶/服務(wù)器模式的信息交換過(guò)程,它分四個(gè)過(guò)程,建立連接、發(fā)送請(qǐng)求信息、發(fā)送響應(yīng)信息、關(guān)閉連接。WWW服務(wù)器運(yùn)行時(shí),一直在TCP80端口監(jiān)聽,等待連接的出現(xiàn)。
3 嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)AllLightSYS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 功能概要
這里所提及的系統(tǒng),它的芯片類型是由Microchip公司提供的PIC18F6722。該機(jī)器是通過(guò)AllLight System和Internet相連,從而對(duì)住所內(nèi)的電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的Interface單元。它是通過(guò)Modem,Rote連接到Internet,使用手機(jī)的WEB瀏覽器訪問(wèn)AllLight系統(tǒng)來(lái)遠(yuǎn)程控制空調(diào)、電燈等電器的開和關(guān),只要在手機(jī)的WEB瀏覽器上輸入該系統(tǒng)的URL后,在該登陸頁(yè)面上輸入遠(yuǎn)程操作的AllLight的ControlUnit的編號(hào),從而對(duì)登錄WEB I/F UNIT的用戶進(jìn)行認(rèn)證,經(jīng)過(guò)認(rèn)證的用戶可以繼續(xù),認(rèn)證不通過(guò)的轉(zhuǎn)到認(rèn)證錯(cuò)誤畫面。同時(shí)可以啟動(dòng)該系統(tǒng)的防盜監(jiān)視功能時(shí),當(dāng)有入侵者打開被監(jiān)視的電器設(shè)備時(shí),就可以向用戶手機(jī)(計(jì)算機(jī)終端)發(fā)送郵件進(jìn)行提醒。這里最多可以控制的AllLightControlUnit數(shù)是32臺(tái)。 (如圖)
在手機(jī)的WEB瀏覽器上輸入WEB I/F UNIT的URL后,為了防止非法登錄,一旦用戶登錄3次失敗以后,外部的登錄將失效,WEB I/F UNIT將通過(guò)HTTP協(xié)議向AllLight服務(wù)器發(fā)送非法登錄的警告信號(hào)。警告信息中包含了WEB I/F UNIT的MAC地址(為了和用戶的郵件地址關(guān)聯(lián))。AllLight專用服務(wù)器根據(jù)WEB I/F UNIT傳送警告信息中的MAC地址數(shù)據(jù),將警告郵件發(fā)送到與MAC對(duì)應(yīng)的用戶手機(jī)上。外部登錄的失效解除,是通過(guò)WEB I/F UNIT的外部登錄無(wú)效解除按鈕來(lái)實(shí)行的。
該系統(tǒng)還可以對(duì)和WEB I/F UNIT直接相連的AllLight Control Unit(Local Port連接)的回路進(jìn)行監(jiān)視。監(jiān)視回路和檢測(cè)狀態(tài)(ON/OFF)是通過(guò)在WEBPAGE設(shè)定的,根據(jù)設(shè)定的內(nèi)容對(duì)回路監(jiān)視。如果是檢測(cè)到防盜信息,向AllLight專用服務(wù)器發(fā)送警告信號(hào),AllLight專用服務(wù)器向用戶發(fā)送郵件。防盜監(jiān)視機(jī)能的開和關(guān)是通過(guò)手機(jī)登陸頁(yè)面中的一個(gè)功能鍵來(lái)控制的。通過(guò)“外部接點(diǎn)”,可以對(duì)WEB I/F UNIT的防盜監(jiān)視機(jī)能進(jìn)行設(shè)定。因?yàn)橹荒茉谖輧?nèi)通過(guò)開關(guān)解除防盜監(jiān)視機(jī)能,回路狀態(tài)上的“有入侵者”通過(guò)回路狀態(tài)和設(shè)定的數(shù)據(jù)(監(jiān)視回路,監(jiān)視狀態(tài))是否一致來(lái)判斷?;芈凡灰恢碌那闆r下,在一定時(shí)間內(nèi),如果沒有解除“防盜監(jiān)視機(jī)能”,判斷為“有入侵者”;如果在這段時(shí)間內(nèi),解除了“防盜監(jiān)視機(jī)能”,判斷為“無(wú)入侵者”。上述的“一定時(shí)間”,是可以設(shè)定的數(shù)據(jù)。另外,當(dāng)通過(guò)外部接點(diǎn)打開“防盜監(jiān)視機(jī)能”時(shí),為了避免屋內(nèi)操作電器的誤判為“有入侵者”,設(shè)計(jì)了延時(shí)。
另外,在AllLightSystem設(shè)計(jì)了和PC機(jī)的Interface。和計(jì)算機(jī)的Interface是通過(guò)Ethernet實(shí)現(xiàn)的。將AllLightSystem的通信協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)使用的通信協(xié)議。只能在Local內(nèi)使用。計(jì)算機(jī)和WEB I/F UNIT是靠Socket進(jìn)行通信的。在WEB I/F UNIT中封裝Sokect的通信服務(wù),連接端口通過(guò)設(shè)定機(jī)能設(shè)定。計(jì)算機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)求后,建立連接。連接建立后,如果Sokect存在,進(jìn)行以下處理。如果是從AllLightSystem發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)包,收到的數(shù)據(jù)包加上TCP協(xié)議的包頭,向計(jì)算機(jī)發(fā)送。如果是從計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包,從收到的數(shù)據(jù)包(TCP數(shù)據(jù)包)中取出AllLight數(shù)據(jù)包,向AllLightSystem發(fā)送AllLight數(shù)據(jù)包。
通過(guò)外部接點(diǎn)(AllLight的配套機(jī)器:SX)的操作,在AllLightSystem的管理下,可以將電燈,空調(diào)等電器全關(guān)閉。
3.2 軟件實(shí)現(xiàn)
軟件構(gòu)成圖
HTTP服務(wù)處理
接收從手機(jī)、計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的HTTP數(shù)據(jù)包,通過(guò)HTTP服務(wù)將HTTP數(shù)據(jù)解析。將接收到的HTTP請(qǐng)求解析,根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容(WEBPAGE請(qǐng)求或CGI請(qǐng)求),發(fā)送WEBPAGE的內(nèi)容或進(jìn)行CGI處理。生成客戶端請(qǐng)求的WEBPAGE,將該WEBPAGE送到客戶端。如果,設(shè)定模式的數(shù)據(jù)限制了該客戶端請(qǐng)求的WEBPAGE,將錯(cuò)誤頁(yè)面發(fā)送到客戶端。如果外部登錄FLAG是有效的,進(jìn)行HTTP協(xié)議解析;如果外部登錄FLAG是無(wú)效的,為了禁止從Internet的登陸,檢查HTTP請(qǐng)求的IP協(xié)議的發(fā)包IP和WEB I/F UNIT的IP,子網(wǎng)掩碼是否是同一個(gè)網(wǎng)段,如果是同一個(gè)網(wǎng)段,進(jìn)行HTTP協(xié)議解析,不是同網(wǎng)段,返回錯(cuò)誤頁(yè)面。根據(jù)HTTP請(qǐng)求的CGI種類可以進(jìn)行各種請(qǐng)求,例如,進(jìn)行用戶認(rèn)證處理是通過(guò)手機(jī)、計(jì)算機(jī)實(shí)行用戶認(rèn)證,和登錄在WEB I/F UNIT上的內(nèi)容進(jìn)行一致性檢查。(用戶ID,PASSWORD)如果一致則認(rèn)證失敗計(jì)數(shù)=0,將“主菜單”畫面的HTTP數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。如果不一致則認(rèn)證失敗計(jì)數(shù)+1,“登錄失敗”畫面的HTTP數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。如果連續(xù)登錄3次不一致,外部登錄無(wú)效。進(jìn)行防盜監(jiān)視設(shè)定處理是將防盜監(jiān)視機(jī)能FLAG設(shè)定成有效?無(wú)效,控制SL的LED(有效:紅燈ON,無(wú)效:綠燈ON),更新“主菜單”畫面的防盜監(jiān)視狀態(tài)。處理后,將“主菜單”畫面的HTTP送到客戶端。
這里需要說(shuō)明的是,由于WEB I/F UNIT的GlobalIP地址是動(dòng)態(tài)分配的,所以必須構(gòu)建AllLight的專用服務(wù)器,并且在該服務(wù)器上將WEB I/F UNIT的GlobalIP登錄。GlobalIP的登錄需要定期執(zhí)行,在AllLight專用服務(wù)器上,是將WEB I/F UNIT的IP地址和MAC地址綁定的,因此,WEB I/F UNIT必須將自己的MAC地址通過(guò)HTTP協(xié)議傳送到AllLight專用服務(wù)器上。
AllLight響應(yīng)的接收處理
通過(guò)PIC的UART機(jī)能,接收AllLightSystem發(fā)出的數(shù)據(jù)包。只響應(yīng)AllLight ControlUnit發(fā)出的數(shù)據(jù)。(其它數(shù)據(jù)忽略。)如果遠(yuǎn)程操作機(jī)能FLAG,防盜監(jiān)視機(jī)能FLAG有效,根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)更新WEB I/F UNIT的回路狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果PC I/F機(jī)能FLAG有效,由于發(fā)送的數(shù)據(jù)是有AllLight協(xié)議的信息,為了使接受的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行PC I/F處理,除去AllLight協(xié)議的報(bào)文頭。
AllLight指令發(fā)送處理
遠(yuǎn)程操作機(jī)能如果FLAG有效,實(shí)行有效回路檢查。有效回路設(shè)定數(shù)據(jù)Check,如果指令控制的回路遠(yuǎn)程操作有效,實(shí)行指令發(fā)送處理。根據(jù)手機(jī)發(fā)出的要求,將“ON”,“OFF”指令轉(zhuǎn)換成AllLight協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送。如果是通過(guò)PC I/F處理,去掉TCP數(shù)據(jù)的報(bào)頭,將取出的數(shù)據(jù)加上AllLight協(xié)議的報(bào)頭,發(fā)送數(shù)據(jù)包。
4 結(jié)論
本文介紹了一個(gè)基于對(duì)嵌入式Web技術(shù)的家庭遠(yuǎn)程操作監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),主要實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)或電腦對(duì)自己家用電器進(jìn)行監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作,極大地保證了家庭的安全,也方便了人們的生活。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)就是:服務(wù)器的設(shè)計(jì)基于嵌入式WEB技術(shù),支持動(dòng)態(tài)IP,可以直接進(jìn)入以太網(wǎng),用戶無(wú)需使用專用的操作系統(tǒng)和軟件,可以直接通過(guò)瀏覽器進(jìn)行操作,通過(guò)HTTP與嵌入式WEB進(jìn)行通信。通過(guò)這次項(xiàng)目的完成,相信隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展,基于嵌入式WEB的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)必將有良好的發(fā)展前景。