基于μIP和socket的远程机房电源控制系统设计

赵 勇，黄 东，张天开，苑 红

（青岛理工大学 自动化学院，山东 青岛 266033）

目前，国内外关于机房远程控制系统的解决方案，主要是通过纯软件技术实现的，诸如IBM、赛门铁克、HP、东软等公司都有相关的软件产品，然而，纯粹依靠软件远程控制无法操作服务器在死机状态下重启，死机时只能采取硬件重启的方式解决，机房管理员为了确保重启生效，往往很少使用服务器上的RESET按键，而是按下POWER按键，带关闭电源后再开机。几乎所有的服务器主板都集成带有远程唤醒技术（WOL,Wake-on-LAN）功能的网卡[1]，但 WOL技术只能在服务器处于关机或者正常运行的时候才能起效，而当服务器处于死机状态下，服务器重启就无法通过WOL实现了。

基于此，文中提出利用TCP/IP网络通信协议，实现机房电源远程控制系统的软硬件相结合的解决方案，真正达到“零等待重启”。

1 系统拓扑结构

远程控制系统结构框图如图1所示。控制系统并不会改变机房原来的拓扑结构，只是在原有机房管理计算机安装C/S控制客户端后，根据机房电源数量，安装相应数量的电源控制节点（每个节点可以控制32路电源的通断）。如图所示，电源控制节点也接入机房所在网络中，以便接受管理计算机控制[2]。

图1 机房远程电源拓扑结构Fig.1 Topological structure of computer room remote power supply

用户在管理计算机登录到C/S客户端后，客户端将控制指令发送到指定的电源控制节点，电源控制节点控制继电器通断实现机房内各种设备的电源开关切断。同时，用户每次控制电源通断的时间、电源持续工作的时间等都会生成日志自动保存到数据库当中。

2 电源控制节点的设计

2.1 硬件设计

电源控制节点的主控芯片采用的是ST公司基于Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F103VET6。Cortex-M3处理速度高达72 MHz，RSIC指令结构减少了开发难度。同时拥有的资源包括512 kB Flash、20KB SRAM滴答时钟Systick、FSMC液晶屏接口、2路SPI等[3]。依靠STM32强大的硬件资源，设计很方便的在其外围电路中扩展了显示模块、网卡模块、存储模块、普通I/O输入输出模块。依据电源控制节点的工作原理与功能，完成如下所示的电路：

1)网卡模块：ENC28J60是带有行业标准串行接口（Serial Peripheral Interface,SPI）的独立以太网控制器,可以作为任何配备有SPI的控制器的以太网接口，符合IEEE 802.3的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。同时，ENC28J60还提供一个内部DMA模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算。STM32的SPI1接口与ENC28J60实现通信，数据传输速率高达10 Mb/s。两个专用的引脚用于连接LED，进行网络活动状态指示[4]。网口插座电路输出电路采用内置网络变压器、状态指示灯和电阻网络的RJ45接座HR911105A，具有信号耦合、电气隔离、阻抗匹配、抑制干扰等作用。电路原理如图2所示。

图2 ENC28J60电路原理图Fig.2 Circuit of ENC28J60

显示模块： 通过 接口实现对 的读写；SPI2总线实现对触摸芯片ADS7843的控制。

3)存储模块：STM32的PC0和PC1管脚模拟I2C总线时序，实现对掉电存储芯片AT24C02的控制，AT24C02主要用来保存电源控制节点IP、子网掩码、默认网关和电源开关延迟时间等信息。

2.2 软件设计

2.2.1 μIP移植

开源的μIP软件包为嵌入式微处理器建立TCP/IP协议堆栈提供了一种解决方法，μIP代码都是用C语言编写的。本系统选用了μIP 1.0版本作为移植版本，移植到了基于STM32控制的ENC28J60网络模块上，实现PC和电源控制节点的TCP通信。μIP协议栈与系统底层和高层应用之间的关系如图3所示[5]。

图3 μIP各层之间关系Fig.3 Relationship between each layer of μIP

μIP的移植可以分为如下4步：

1)网卡ENC28J60的数据被μIP从物理层分离，ENC28J 60和μIP之间的数据交互通过tapdev.c文件来实现。tapdev.c 文 件 中 包 含 3 个 文 件 ：tapdev_init()、tapdev_read()、tapdev_send()。网卡ENC28J60的驱动函数放在tapdev_init()中，主要是用来设置ENC28J60的工作模式和设定以太网的MAC地址；读包函数tapdev_read()将网卡驱动中enc28j60PacketReceive()函数接收到的数据保存到全局变量uip_buf中，同时返回包的长度，用uip_len表示；发包函数tapdev_send()利用网卡驱动中的enc28j60PacketSend()函数将全局变量uip_buf中的数据发送出去。

2)STM32的定时器为μIP协议栈中的TCP和ARP提供定时器服务，配置STM32定时器20ms中断，每次进入中断tick_cnt加1，计数次数到 25次（0.5 s）调用一次 TCP的定时处理程序，10 s后可以调用ARP程序。μIP 1.0版本增加了timer.c和timer.h专门用来管理时钟。

3)根据需要修改uipopt.h和uip-conf.h文件中的宏，用来配置μIP本地IP地址、网关地址、侦听数、全局缓冲区的大小ARP表大小等。在此系统中，将UIP_CONNS配置成10，最多同时可以打开10个TCP连接。μIP和底层网卡驱动函数进行数据交互时，都是通过调用UIP_APPCALL()实现的，UIP_APPCALL()将数据送到相应的上层应用程序处理

4)将μIP的主循环架构封装成一个任务加入main()中。打开PC的DOS界面，利用PING程序测试后，PC和电源控制节点通信良好。μIP的代码流程图如图4所示。

图4 μIP代码流程图Fig.4 Flow chart of μIP code

2.2.2 基于μCGUI人机交互界面实现

μCGUI是一种用于嵌入式应用的图形支持软件，它被设计用于为任何一个图形LCD的应用提供一个有效的不依赖于处理器和LCD控制器的图形用户接口。人机交互界面具体过程如图5所示。电源控制节点上电复位后，首先选择上是否修改IP设置，如果不修改，则直接从AT24C02中直接读取IP后连接网络；否则，重新设置IP地址、子网掩码、默认网关，并写入AT24C02中。

图5 人机交互界面程序框图Fig.5 Block diagram of human－computer interface

2.2.3 基于μC/OS-II的软件实现

电源控制节点整个软件体系是基于STM32硬件在μC/OS－II实时操作系统上实现的。首先进入Bootloader程序，上电后首先运行Bootloader，实现硬件设备初始化，为调用操作系统内核做好准备，引导程序使用vboot[6]。然后初始化μC/OS－II操作系统，调用应用程序。应用层程序主要有：显示任务、网络通信任务、普通I/O输入输出任务、存储任务等。μC/OS－II最多可以创建64个任务，所以优先级有64级，用0～63表示，数字越小，优先级级别越高，不建议使用优先级最高4个和最低4个，所以用户可以有56个自己的任务[7]。系统的各个任务优先级分配与任务说明如表1所示。

表1 系统任务优先级分配与说明Tab.1 Distribution and instructions of system task priority

3 C/S客户端设计

C#作为C/S客户端开发语言，结合ASP.NET技术，采用socket通信机制实现PC和电源控制节点的通信。socket工作原理如图6所示。服务器首先初始化socket，然后与端口绑定，对端口进行监听，调用accept阻塞，等待电源控制节点连接。在这时如果一个电源控制节点连接服务器成功，这时电源控制节点和客户端的连接就建立了。

4 继电器通断测试

系统测试中，C/S客户端IP为“192.168.5.110”、子网掩码为“255.255.255.0”、默认网关为“192.168.5.254”，电源控制节点连接C/S客户端后，设置好对应继电器控制电源开关延迟时间[8]，远程控制继电器的通断。系统通电后，不同继电器通

图6 socket工作原理Fig.6 Socket working principle

表2 继电器通断测试数据Tab.2 Relay on-off test data

5 结束语

本系统利用TCP/IP协议完成了机房远程电源控制系统的设计。通过实际的测试和长时间的运行，本系统具有优秀的稳定性和通用性，能够快速准确的完成继电器的通断。同时，系统不仅可以应用在机房电源，还可以应用到一些危险场合的电源远程控制。此外，本系统还可以进行二次开发，增加手持设备客户端，用户可以通过手机、iPad等设备来实现电源的远程控制。

[1]辜俊.远程唤醒技术的探讨[J].计算机与网络,2005(2):46-47.GU Jun.Study of remote wake technology[J].Computer&Network,2005(2):46-47.

[2]陈铭,徐小宇,凌明.远程机房电源控制系统设计[J].现代电子技术,2007,243(4):49-54.CHEN Ming,XU Xiao-yu,LING Ming.Design of remote power supply control system for computer laboratory[J].Modern Electronics Technique,2007,243(4):49-54.

[3]刘同法,肖志刚,彭继卫.ARM Cortex-M3内核微控制器快速入门与应用[M].北京:北京航空航天大学出社,2009.

[4]野火团队.零死角玩转STM32-高级篇7[DB/OL].[2013-01-17].http://pan.baidu.com/share/link share id=202388&uk=2416814018.

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