摘要：介紹了嵌入式ＷＥＢ傳感器的體系結(jié)構(gòu)，提出了網(wǎng)絡(luò)化接口中TCP/IP協(xié)議棧的幾種實(shí)現(xiàn)方式，著重探討了基于TCP/IP協(xié)議棧芯片W3100A的網(wǎng)絡(luò)化接口的實(shí)現(xiàn)，最后分析了嵌入式WEB傳感器的ＷＥＢ功能的實(shí)現(xiàn)。

    關(guān)鍵詞

嵌入式ＷＥＢ傳感器是在智能傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的具有Ｉｎｔｅｒｎｅｔ功能的新型傳感器。其實(shí)質(zhì)是在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口，將傳感器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信。它的組成主要有：敏感單元、智能處理單元和ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議接口。

圖１為嵌入式ＷＥＢ傳感器的體系結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的傳感器在嵌入式ＷＥＢ傳感器中只占一部分。核心部分是完成信號(hào)處理、數(shù)據(jù)交換和控制的嵌入式智能單元以及完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)模裕茫校桑芯W(wǎng)絡(luò)接口。整個(gè)傳感器的工作機(jī)理是：傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)微處理器的數(shù)據(jù)處理 （濾波、校準(zhǔn)）后將結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)；與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換由基于ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成。嵌入式ＷＥＢ傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準(zhǔn)參數(shù)等；微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和補(bǔ)償以及輸出校準(zhǔn)；ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器的直接網(wǎng)絡(luò)連接。與傳統(tǒng)的傳感器相比，基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的嵌入式ＷＥＢ傳感器更加可靠、便宜，擴(kuò)展性更好且可以在內(nèi)部直接對(duì)原始數(shù)據(jù)加工、處理，并通過(guò)Ｉｎｔｅｒｎｅｔ與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因而它具有微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。傳感器的網(wǎng)絡(luò)化接口實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或以太網(wǎng)的互連以進(jìn)行信息的發(fā)布和資源共享。其實(shí)現(xiàn)方式是嵌入式ＷＥＢ傳感器研究的重點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)化接口實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法主要有：采用協(xié)議棧移植，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)，將ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧移植到系統(tǒng)中，然后調(diào)用相關(guān)的ＡＰＩ函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；不采用移植方式，參照標(biāo)準(zhǔn)的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議精簡(jiǎn)相應(yīng)的協(xié)議層，編寫相關(guān)的ＡＰＩ函數(shù)完成簡(jiǎn)易的ＴＣＰ／ＩＰ通信；采用協(xié)議芯片，如Ｗ３１００Ａ芯片，該方法直接采用硬件方式實(shí)現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，直接對(duì)芯片的寄存器進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳送。本文著重探討采用Ｗ３１００Ａ芯片實(shí)現(xiàn)嵌入式ＷＥＢ傳感器的網(wǎng)絡(luò)化接口的問(wèn)題。

１ 網(wǎng)絡(luò)化接口的實(shí)現(xiàn)

１．１ Ｗ３１００Ａ芯片及處理器對(duì)其訪問(wèn)的實(shí)現(xiàn)

Ｗ３１００Ａ是一ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧芯片，包含的各協(xié)議層有：ＴＣＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＩＣＭＰ和以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路ＤＬＣ，以及ＭＡＣ協(xié)議。其工作方式類似于Ｗｉｎｄｏｗｓ的Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖２所示。

該芯片可選擇地支持Ｉｎｔｅｌ／Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＭＣＵ接口，另外還提供一個(gè)Ｉ２Ｃ接口給上層應(yīng)用層，一個(gè)ＭＩＩ接口給底層物理層。芯片支持全雙工模式，內(nèi)部帶有雙口的ＳＲＡＭ數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。其封裝是６４腳的ＬＱＦＰ。

芯片提供寄存器供ＭＣＵ訪問(wèn)，具體的寄存器分類如下：控制寄存器（命令、狀態(tài)及中斷）；系統(tǒng)寄存器（網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、ＩＰ地址等）；用于數(shù)據(jù)收、發(fā)的指針寄存器；通道操作的通道寄存器。

比較重要的幾個(gè)寄存器如表１所示。

表1 寄存器功能和地址示意圖

寄存器名稱	地  址	類  型	功  能
C0_CR～C3_CR	0X00～0X03	控制寄存器	完成相應(yīng)通道套接字的初始化、連接、關(guān)閉和數(shù)據(jù)收發(fā)
C0_ISR～C3_ISR	0X04～0X07	控制寄存器	套接字命令的結(jié)果情況
IR	0X08	控制寄存器	各個(gè)通道套接字和數(shù)據(jù)接收中斷產(chǎn)生情況
IMR	00X09	控制寄存器	控制各中斷的屏蔽使能
GAR	0X80～0X83	系統(tǒng)寄存器	用于默認(rèn)的網(wǎng)關(guān)地址的設(shè)置
SIPR	0x8E～0X91	系統(tǒng)控制	用于IP地址設(shè)置寄存器
RW_PR	每寄存器3字節(jié)，具體地址見W3100A數(shù)據(jù)手冊(cè)	指針寄存器	接收數(shù)據(jù)的尾指針，依據(jù)數(shù)據(jù)大小自動(dòng)調(diào)整
RR_PR		指針寄存器	接收數(shù)據(jù)的首指針
TW_PR		指針寄存器	傳送數(shù)據(jù)的尾指針
TR_PR		指針寄存器	傳送數(shù)據(jù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)指針
TA_PR		指針寄存器	指示傳送數(shù)據(jù)的首指針
SSR	C0:0XA0;C1:0XB8 C2:0XD0;C3:0XEB	通道寄存器	相應(yīng)通道的套接字狀態(tài)
SOPR	C0:0XA1;C1:0XB9 C2:0XD1;C3:0XE9	通道寄存器	相應(yīng)通道的協(xié)議選擇

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、連接、關(guān)閉和數(shù)據(jù)收發(fā)，其設(shè)置如下：

    其中，Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ用于設(shè)置網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼以及ＩＰ地址等，１～６位用于通道０套接字的初始化、連接、斷開、監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)收發(fā)，相應(yīng)位在命令執(zhí)行后自動(dòng)清除。通過(guò)套接字協(xié)議選擇寄存器Ｃ０＿Ｓ０ＰＲ設(shè)置相應(yīng)的協(xié)議值確定套接字中選用ＴＣＰ還是ＵＤＰ。

芯片正常工作必須對(duì)其完成相應(yīng)的初始化。初始化主要是對(duì)必要的寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，這些寄存器包括：網(wǎng)關(guān)地址寄存器ＧＡＲ、子網(wǎng)掩碼寄存器ＳＭＲ、硬件地址寄存器ＳＨＡＲ以及ＩＰ地址寄存器ＳＩＰＲ等。上述寄存器被設(shè)置后通過(guò)執(zhí)行控制寄存器ＣＲ的０位Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ激活芯片。

１．２ 硬件接口及其數(shù)據(jù)傳輸

圖3 I2C接口示意圖

    該芯片提供了并口和串口兩種方式實(shí)現(xiàn)與ＭＣＵ的通信。圖３為基于Ｉ２Ｃ的串口連接方式。其中ＭＣＵ為傳感器中的處理器，以太網(wǎng)物理層設(shè)備選用ＲＴＬ８２０１芯片。Ｗ３１００Ａ提供ＭＩＩ接口與ＲＴＬ８２０１相連，其中引腳ＲＸ＿ＣＬＫ、ＲＸＤＶ、ＲＸＤ[0:３]以及ＣＯＬ用于數(shù)據(jù)的接收，而ＴＸ＿ＣＬＫ、ＴＸＥ、ＴＸＤ[０:３]用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。ＭＣＵ中提供模擬的Ｉ２Ｃ接口與Ｗ３１００Ａ通信。Ｉ２Ｃ是串行通信總線方式，由數(shù)據(jù)線ＳＤＡ和時(shí)鐘線ＳＣＬ配合完成通信。

建立ＴＣＰ連接的具體過(guò)程如圖４所示。首先完成芯片的ＴＣＰ／ＩＰ初始化，設(shè)置相應(yīng)通道如０通道的協(xié)議選擇寄存器Ｃ０＿ＳＯＰＲ為０Ｘ０１；選擇ＴＣＰ協(xié)議，執(zhí)行通道０命令寄存器Ｃ０＿ＣＲ中的Ｓｏｃｋｅｔ＿Ｉｎｉｔ，同時(shí)將Ｃ０＿ＴＷ＿ＰＲ、Ｃ０＿ＴＲ＿ＰＲ及Ｃ０＿ＴＡ＿ＰＲ置成同一值；然后執(zhí)行Ｃ０＿ＣＲ的Ｃｏｎｎｅｃｔ和Ｌｉｓｔｅｎ命令位，如此ＴＣＰ連接建立。

２ 嵌入式ＷＥＢ傳感器的ＷＥＢ功能的實(shí)現(xiàn)及其在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

ＷＥＢ的工作基于客戶機(jī)／服務(wù)器模型，由ＷＥＢ瀏覽器和ＷＥＢ服務(wù)器即傳感器構(gòu)成，兩者之間采用ＨＴＴＰ協(xié)議進(jìn)行通信。因此在傳感器的上層協(xié)議應(yīng)該采用ＨＴＴＰ協(xié)議。同時(shí)要實(shí)現(xiàn)瀏覽器與嵌入式ＷＥＢ傳感器交互，除了要解決上述ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議接口外，在傳感器中應(yīng)提供一個(gè)ＥＥＰＲＯＭ存儲(chǔ)相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)文件。交互時(shí)，ＨＴＴＰ通過(guò)統(tǒng)一資源定位器ＵＲＬ(Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｌｏｃａｔｏｒ)確定傳感器應(yīng)該為瀏覽器提供哪些資源。為了節(jié)省空間，通過(guò)一種靈活的Ｈｕｓｈ算法實(shí)現(xiàn)。ＥＥＰＲＯＭ中的每一個(gè)文件都有一個(gè)不同的Ｈｕｓｈ值與之相對(duì)應(yīng)，存取時(shí)很快可以計(jì)算出文件的地址。此外，它可以根據(jù)網(wǎng)頁(yè)中嵌入的特殊標(biāo)志實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。即顯示實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制操作。

下面是存儲(chǔ)在溫度傳感器中的一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)程序，其中的“＠”字符用來(lái)在網(wǎng)頁(yè)中插入溫度的標(biāo)志，網(wǎng)頁(yè)文件存放在傳感器的ＥＥＰＲＯＭ里。當(dāng)用戶發(fā)出頁(yè)面請(qǐng)求時(shí)，處理器上的程序在ＴＣＰ打包時(shí)，把溫度值嵌入到網(wǎng)頁(yè)中的“＠”字符處，再將網(wǎng)頁(yè)文件添加相應(yīng)的ＨＴＴＰ頭，返回給請(qǐng)求的用戶。如此用戶將在瀏覽器上看到實(shí)際的溫度顯示值。

＜ＨＴＭＬ＞

＜ＨＥＡＤ＞

＜ＴＩＴＬＥ＞實(shí)時(shí)溫度監(jiān)視＜／ＴＩＴＬＥ＞

＜／ＨＥＡＤ＞

＜ＢＯＤＹ＞

＜ｃｅｎｔｅｒ＞現(xiàn)在的溫度是:＜ｆｏｎｔ ｓｉｚｅ＝＋２ ｃｏｌｏｒ＝＃ＦＦ９９ＦＦ＞ ＠ ＜／ｆｏｎｔ＞＜／ｃｅｎｔｅｒ＞

＜ＢＲ＞

＜／ＢＯＤＹ＞

＜／ＨＴＭＬ＞

如圖５所示，嵌入式ＷＥＢ傳感器和以太網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)將同時(shí)接到以太網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)上層網(wǎng)絡(luò)終端客戶端對(duì)其的訪問(wèn)。上層監(jiān)控級(jí)對(duì)嵌式ＷＥＢ傳感器訪問(wèn)采用Ｂ／Ｓ模式，監(jiān)控級(jí)通過(guò)其瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式ＷＥＢ傳感器的訪問(wèn)。

本文所提出的網(wǎng)絡(luò)化接口方案是利用硬件芯片實(shí)現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧，可以解決當(dāng)前應(yīng)用中大量存在的８位ＭＣＵ實(shí)現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議的問(wèn)題。該網(wǎng)絡(luò)化接口應(yīng)用到嵌入式ＷＥＢ傳感器上，很好地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備對(duì)外部網(wǎng)的接入，實(shí)現(xiàn)了信息的共享和發(fā)布，同時(shí)也擴(kuò)大了控制的半徑。該網(wǎng)絡(luò)化接口實(shí)現(xiàn)方便，具有通用性，應(yīng)用范圍廣。