嵌入式Web服务器在高频电源上的应用

廖佳荣

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

0 引 言

新一代的工业革命正在兴起，物联网作为其中主要的组成部分，越来越广泛地应用在各个领域。在人们的生活中，小到手表、钥匙，大到汽车、别墅，只要嵌入一个小型芯片就可以实现智能化。随着物联网的发展，越来越多的物体均已实现了智能化，让人们享受到更加安全轻松的生活。

嵌入式系统是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。嵌入式系统只针对一项特殊的任务，其功能单一、兼容性要求不高、可以进行优化且成本低廉[1]。

嵌入式Internet是近几年发展起来的新技术，该技术可以使嵌入式系统连接Internet网络进行信息交互，通常被称为非PC Internet接入。TCP/IP协议是Internet最基本的协议，采用TCP/IP协议有以下几个优点：一是可以利用现有的Internet网络设施进行多点通信；二是TCP/IP已经被广泛应用在各种设备上，嵌入式系统采用此协议可以直接跟其他设备进行通信；三是现在的手机等智能终端设备都含有最基本的上网浏览功能，采用手机自带的Internet浏览器即可跟嵌入式系统进行通信，无需特别安装App。

本方案在设备中嵌入TCP/IP协议栈组成Web服务器，使用HTTP协议来与客户端进行通信，用户可以在客户端利用Internet浏览器直接访问嵌入式Web服务器。由于嵌入式设备已经接入Internet，因此用户只要可以连接Internet便可查看设备的运行情况，并做出相应的设置修改。

1 实现方案

基于网络监控系统的构成方式可以分为两大类：C/S结构模式和B/S结构模式[2]。C/S结构，即Client/Server（客户端/服务器）结构；B/S结构，即Browser/Server（浏览器/服务器）结构。在C/S结构下，客户端需要采用专门的App，比较典型的有现在国内用户使用广泛的微信、QQ等，还有一些购物的网站（如淘宝、京东等）。采用这种结构不仅需要开发服务器端程序，而且还需要进行客户端的程序开发[3]。在B/S结构下，服务器会将数据发布到Web服务器上，用户只需要利用浏览器访问该服务器即可与设备进行交互。

C/S结构的开发难点主要在于客户端的开发，移动终端的操作系统五花八门，针对不同的系统需要开发不同的客户端App。例如，苹果的手机需要专门开发一款App，安卓的又要另一种。此外，还有版本的要求，如安卓4.0、5.0等，不同版本的兼容性都要考虑，开发的成本很高[4-6]。

B/S结构无需开发客户端程序，只要有Internet浏览器即可作为客户端，任何安装有浏览器的移动终端均可以使用浏览器直接访问服务器，只需要进行服务器端的程序开发即可，开发难度较低。B/S结构模式开发重点是要使服务器端包含HTTP协议模块，本方案便是基于该结构模式进行开发。

本系统嵌入TCP/IP协议栈，程序增加HTTP模块来支持HTTP协议，共同组成一个嵌入式Web服务器。用户通过浏览器发送请求信息，TCP/IP协议栈根据请求信息进行解析，解析的数据传输到HTTP模块，HTTP模块中的程序对数据进行相应的处理并将相应的网页文件传递回TCP/IP协议栈，再发送到用户的浏览器上[7]。

服务器提供两种连接方式供移动终端进行访问：方式一是系统内建WiFi热点，移动终端连接WiFi热点，使用网页浏览器直接访问Web服务器；方式二是服务器通过拨号上网连接上Internet，移动终端必须连接Internet网络，使用网页浏览器访问Web服务器。

系统通过通信电缆连接到高频电源，定期发送查询指令获取高频电源的运行参数，并将当前高频电源的运行参数等信息嵌入到Web页面发布到网上，这样高频电源的各项运行参数就呈现在浏览器上[8-11]。用户通过网页上的参数输入框修改设置参数，系统收到参数修改后发送修改指令到高频电源，高频电源返回新的运行参数，在网页上可以及时查看操作结果。

2 硬件设计

嵌入式Web服务器需要嵌入TCP/IP协议栈，对计算机的存储器、运算速度要求比较高，如果采用8位或16位的MCU，由于TCP/IP等Internet协议需要很多系统资源，因此系统运行缓慢或完全无法运行。基于此，本系统采用32位MCU。系统的硬件框图如图1所示。

图1 系统的硬件框图

（1）控制芯片MCU。STM32控制芯片是ST公司推出的基于Cortex-M3内核的32位MCU。本系统采用STM32F103RC增强型MCU，它可以提供48kB的SRAM、256kB的片内FLASH以及丰富的外设接口，性价比极高。

（2）串口通信。高频电源的通信连接采用RS485串口。STM32系列处理器均集成有USART串行通信接口，要与RS485串口进行通信必须进行电平转换，本系统电平转换芯片选用MAX3485。MAX3485采用半双工通信方式，具有将TTL转换为RS485电平的功能。同时其与MCU的连接也非常简单，只要分别连接MCU的RXD、TXD，再增加EN信号控制MAX3485的接收和发送即可。

（3）以太网通信。ENC28J60是一种带有SPI接口的网络适配器模块，单片机只要具有SPI控制器便可以通过该网络适配器模块扩展出以太网接口。ENC28J60内置MAC+PHY芯片来实现简单的以太网物理层连接，内部集成有一块10M BASE-T芯片，SPI接口的通信速率每秒最高可达10 MB，通过SPI接口连接MCU，嵌入式系统无需安装操作系统即可单芯片接入以太网。

（4）无线路由。无线路由器可以将RJ45接口传输的信号转换成WiFi信号通过天线转发给附近的移动终端，移动终端通过连接无线路由器的热点，在浏览器输入网址即可与高频电源进行信息交互。无线路由器的覆盖半径一般为50 m，超出范围的移动终端可以通过方式二进行访问。本系统采用无线路由嵌入无线3G模块，使用资费卡通过运营商3G网络进行拨号联网，移动终端可以通过GPRS拨号或连接已经接入了Internet的WiFi热点等方式连接Internet，在浏览器中输入网址便可实现与高频电源的信息交互。

3 软件设计

3.1 软件平台

采用微控制器开发工具MDK对基于Cortex-M3内核的微控制器进行程序开发。

3.2 主程序

系统送电，程序开始启动时首先初始化硬件，包括STM32、ENC28J60以及串口等；其次初始化Web服务器，载入HTTP模块；最后初始化完成后，开始进入主程序运行阶段。主程序运行主要包括以下4个阶段：

（1）发送读取命令至高频电源；

（2）将读取到的高频电源运行参数等更新网页；

（3）判断是否接收到客户端浏览器的读取请求，接收到请求则HTTP模块处理请求后返回Web网页，未接收到请求则直接进入下一阶段；

（4）判断是否接收到客户端浏览器的修改请求，未接收到修改请求则直接返回第一阶段，收到修改请求则HTTP模块处理请求后将新数据发送到高频电源，然后返回第一阶段。

3.3 服务器端程序开发

浏览器与服务器连接后的信息交互过程如下：

（1）浏览器向服务器发送请求消息；

（2）服务器接到浏览器的请求后，HTTP模块进行CGI处理，返回相应的网页程序；

（3）浏览器根据返回的网页程序进行网页解析；

（4）以上过程结束后，浏览器与服务器之间连接会断开，服务器进入等待状态，等待下一个浏览器连接请求。

3.4 CGI通用网关接口开发

CGI是一种通用的网关接口程序，运行在Web服务器端，可以对浏览器发来的请求信息进行处理，实现Web服务器与客户端之间的信息交互。

CGI程序的处理过程如下：

（1）用户的请求信息通过浏览器发送到Web服务器；

（2）CGI程序根据请求信息作出响应，将结果传送到Web服务器；

（3）Web服务器将处理结果反馈到用户的浏览器页面。

3.5 网页开发

网页文档使用HTML语言直接在文本文件中添加标记符号即可将文字、图形、表格以及链接等资源组成一个完整的网页文件，方便Internet浏览器解析。文本文件所占空间小，可以直接存储在嵌入式Web服务器的Flash中，根据用户的浏览请求，经过CGI程序的处理，返回相应页面至用户的浏览器上。

4 结 论

本文介绍了嵌入式Web服务器在高频电源上的应用，设计了一个B/S结构的系统，采用TCP/IP协议栈，重点使用了HTTP协议。首先，系统硬件组成简单，可以方便地嵌入高频电源或其他设备中；其次，系统相当于一个网站，用户与系统的交互过程其实是访问一个网站，无需特别的客户端软件；最后，系统可直接接入Internet，方便远程操控。