嵌入式LonWorks網(wǎng)絡(luò )智能網(wǎng)關(guān)設計

操作系統的加入使得我們的內部資源能夠更好的利用。μC/OS—II操作系統是一款開(kāi)源的，針對嵌入式系統的實(shí)時(shí)內核操作系統，可以應用于多種類(lèi)型的硬件平臺。它最近發(fā)布的版本最多可管理多達256個(gè)任務(wù)。μC/OS—II具有強大的網(wǎng)絡(luò )支持，并且支持LwIP協(xié)議，為我們的網(wǎng)關(guān)服務(wù)搭建了一個(gè)很好的平臺。將μC/OS—II操作系統移植到ARM平臺上，只需處理μC/OS—II與Cortex—M3接口部分，即OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H這3個(gè)文件。

3.4 網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議TCP/IP實(shí)現

3.4.1 LWIP簡(jiǎn)介

本文的TCP/IP協(xié)議選擇使用LwIP協(xié)議棧來(lái)實(shí)現。LWIP是由瑞典計算機科學(xué)研究院Adam Dunkels設計的開(kāi)源的嵌入式TCP/IP協(xié)議。它是輕型的TCP/IP協(xié)議棧，適用于資源緊張的嵌入式系統。LwIP既可以獨立運行，也可以移植到不同的操作系統上。

3.4.2 TCP數據處理流程

在我們的應用中，使用LwIP的TCP協(xié)議，它屬于傳輸層協(xié)議，雖然相比UDP協(xié)議傳輸速度較慢，但是它為應用層提供可靠的字節流服務(wù)TCP流程如圖4所示，當下位機數據信息到達時(shí)，通過(guò)tcp_write來(lái)構造一個(gè)報文段，之后tcp_output被調用，同時(shí)與ip_route交互，填寫(xiě)首部中的源IP地址字段，最后通過(guò)ip_output發(fā)送給鏈路層，加上以太網(wǎng)幀頭發(fā)送到以太網(wǎng)中。同理可以得知TCP輸入流程。

3.4.3 LwIP移植

LwIP的移植主要是為了實(shí)現操作系統模擬層，它是操作系統和協(xié)議棧的一個(gè)接口，可為進(jìn)程處理同步、消息傳送機制以及定時(shí)器等操作系統服務(wù)提供統一接口。

移植需要添加以下文件，具體包括：

1)與CPU和編澤器相關(guān)的頭文件。

2)與操作系統相關(guān)的文件。sys_arch.h的內容是與操作系統相關(guān)的結構和函數。此文件中需要實(shí)現4個(gè)函數：消息函數;數據結構及信號函數;系統超時(shí)函數;創(chuàng )立新線(xiàn)程函數。

3)與網(wǎng)卡驅動(dòng)相關(guān)的函數。LwIP源碼提供者將ethernetif.c中的函數實(shí)現一個(gè)框架形式，用戶(hù)可以根據這個(gè)框架定制網(wǎng)卡驅動(dòng)。

3.5 網(wǎng)關(guān)監控平臺的實(shí)現

嵌入式處理器LPC1778在μC/OS—II操作系統平臺上，利用LwIP協(xié)議的上層協(xié)議HTTP協(xié)議搭建輕型服務(wù)器，提供人性化的操作界面，實(shí)時(shí)監控底層數據及控制輸出等功能。Web服務(wù)器的結構如圖3所示。當遠端的瀏覽器發(fā)送請求時(shí)，HTTP協(xié)議處理程序會(huì )將該請求發(fā)送給Web服務(wù)器處理;而CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)程序作為處理客戶(hù)端Web瀏覽器輸入數據的接口規范，用來(lái)解釋處理表單的輸入信息，并在服務(wù)器產(chǎn)生相應的處理，完成客戶(hù)機與服務(wù)器之間的交互操作功能。

實(shí)現步驟如下：

1)通過(guò)在μC/OS—II建立相應的任務(wù)。當任務(wù)建立起來(lái)之后，任務(wù)的調度就由μC/OS—II的任務(wù)調度器調度。μC/OS-II的任務(wù)調度是搶占式的，所以在設置任務(wù)優(yōu)先級的時(shí)候要考慮任務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)注意LwIP的初始化要在μC/OS-II完全啟動(dòng)之后。

2)Web服務(wù)器實(shí)現。由于本網(wǎng)關(guān)采用B/S通訊模式，嵌入式ARM則充當服務(wù)器，提供網(wǎng)頁(yè)數據信息。B/S模式需要HTTP協(xié)議的支持。它是基于請求/響應模式的，并使用TCP作為傳輸層。當服務(wù)器運行時(shí)，始終在80服務(wù)端口監聽(tīng)，等待請求的出現。Web服務(wù)器的編程是基于LwIP的API函數編寫(xiě)的。API函數專(zhuān)為L(cháng)wIP設計，充分利用LwIP的內部結構以實(shí)現其設計目標。

3)HTTP處理子函數在獲得請求報文之后，根據其請求報文進(jìn)行相應處理。在HTTP請求報文中，第一行就是請求行，方式有GET和POST兩種。由于CGI程序中具有HTML生成和FORM解析功能，CGI程序會(huì )根據請求數據中的URL信息找到相應的網(wǎng)頁(yè)文件，并對文件中的程序代碼解析并執行，然后生成HTML網(wǎng)頁(yè)回傳至瀏覽器。

4 網(wǎng)關(guān)的功能和應用

該監控平臺每2 s就從下位機刷新一次實(shí)時(shí)監測數據，可以獲得例如下位機ID號、電壓、電流、功率等實(shí)時(shí)量。圖5為開(kāi)發(fā)完成的網(wǎng)關(guān)嵌入式網(wǎng)頁(yè)服務(wù)頁(yè)面，可以控制某一個(gè)下位機的開(kāi)閉狀態(tài)、功率因子大小，并可以定時(shí)上傳數據并具有數據管理系統。服務(wù)器的系統功能結構框架如圖6所示。

本網(wǎng)關(guān)IP靜態(tài)地址設為192，168.0.100并與路由器相連，通過(guò)動(dòng)態(tài)域名解析與一個(gè)固定域名綁定，用戶(hù)通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)固定域名便可遠程實(shí)時(shí)觀(guān)測。

5 結束語(yǔ)

文中系統地論述了嵌入式LonWorks網(wǎng)絡(luò )智能網(wǎng)關(guān)的實(shí)現方法，主要分析了嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件和軟件的實(shí)現方法。本網(wǎng)關(guān)的實(shí)現可為將來(lái)遠程監測應用方面帶來(lái)很大便利，可廣泛應用與遠程查表、路燈控制等項目中，具有很好的社會(huì )價(jià)值。