2018年02月16日 | 基于ARM嵌入式系统的一种远程可控电源插座设计

    互联网的迅速发展，实现了信息的高速传输和资源共享，极大地方便了人们的生活。嵌入式系统广泛应用于各种电器产品、智能仪表和控制设备中，它与互联网的结合是一种必然的趋势。
    嵌入式系统和网络技术的快速发展，为网络远程控制的发展和完善提供了技术基础。
    笔者综合运用嵌入式系统和Web技术，设计了一种可通过互联网进行远程控制的电源插座系统，实现对家用或工业电器的远程实时控制。用户通过网页浏览器访问该系统，对各插座进行打开或关闭的操作，实现对与其相连接的电器的远程控制。

1 嵌入式Web工作原理
    嵌入式Web的体系结构如图1所示。客户端和嵌入式系统中Web服务器之间的通信协议采用HTTP(超文本传输协议)。嵌入式操作系统提供TCP／IP协议支持。嵌入式Web服务器提供静态网页，也可以通过CGI(Common GatewayInterface，公共网关接口)与后台程序或嵌入式数据库交互，进行数据访问或处理。

    
    嵌入式Web的工作流程如图2所示。嵌入式Web服务器的主要任务是接收客户端请求、解析客户端请求、响应客户端请求、向客户端回送请求的结果。客户端与Web服务器交换数据之前，首先用TCP／IP建立连接，服务器端程序建立TCP类型的Socket套接字；服务器在接收到用户端的请求后，解析客户请求的HTTP协议头，分析客户的请求，根据客户的请求做相应的处理并返回结果。

    2 远程可控电源插座设计

    文中设计采用ARM-Linux架构。ARM处理器县有小体积、低功耗、低成本、高性能等特点。嵌入式Linux操作系统内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式系统应用。

    2．1 系统硬件设计

    远程可控电源插座系统硬件结构如图3所示。

    
    嵌入式Web服务器实现对用户的身份验证、页面解析与交互，根据用户请求产生对电源插座的控制信号。存储器存放系统的程序和页面文件。
    以太网接口模块可选用RTL8019AS等以太网接口芯片，实现网络通信。
    控制模块实现对连接在市电AC220 V的插座各开关的“打开、关闭”操作，进而控制相连接的电器的工作。由于嵌入式系统使用的DC3.3V电源，且电流较小，控制模块须实现弱电对强电的控制。考虑到响应速度、电路功耗、使用寿命等因素，控制模块设计选用光电耦合器和可控硅。控制模块可控制电源插座的4路开关，其中一路的电路原理如图4所示。

    
    光电耦合器选用MOC3062，它集光电隔离、过零检测和过零触发为一体，可以自动检测交流电压的过零信息。可控硅选用Q4010NH5，是大功率开关型半导体器件，具有耐压高、容量大、体积小、无噪音等优点。
    ARM处理器的GPIO端口输出电平不足以使光耦元件U1(MOC3062)正常工作，需要信号放大。电阻R2和下拉电阻R3组成三极管保护电路。当GPIO端口输出为高电平时，三极管T1(9013)导通，使电阻R1和光耦U1形成通路，U1正常工作，GPIO输入信号得到放大，双向可控硅K1(Q401O NH5)的G控制端得到高电压，K1导通，插座220 V供电打开；当GPIO端口输出为低电平时，三极管T1截止，使电阻R1和光耦U1形成断路。此时U1不工作，K1断路，插座供电被关闭。
2．2 控制模块驱动设计
    在嵌入式Linux操作系统下，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。
    文中使用GPIO口作为控制端口，每一位信息控制一个电源插座开关。以连接1号插座开关的GP10为例，说明其驱动程序的编写。
    将GP10定义为输出状态，并预设插座开关断开时输出0，此时GP10将输出0，输出低电平，并使图4中的三极管T1截止，光耦U1不工作，K1不导通，220 V供电断开；打开供电时，将GP10置1，即输出高电平，T1导通，220 V供电打开。

    驱动程序中ioctl函数代码如下：

2．3 嵌入式Web服务器设计
    远程可控电源插座系统采用B／S(Browser／Server)结构，系统内嵌的嵌入式Web服务器可向合法用户提供基于浏览器的操作界面，浏览器便成了与插座相连设备的远端控制板。
    由于嵌入式系统拥有的资源有限，构建嵌入式Web服务器须选择一个合适的Web服务器，在不影响整体性能的前提下，既利用自身有限的资源，又必须满足支持CGI的Web应用需求。
    文中采用Boa Server作为嵌入式Web服务器。Boa是一个非常小巧的Web服务器，可执行代码只有约60 kB。它是一个单任务Web服务器，只能依次完成用户的请求，而不会创建出新的进程来处理并发连接请求。但Boa支持CGI，能够为CGI程序创建进程来执行。
    移植Boa的大致步骤如下：
    1)从官方网站(http：／／www．boa．org)上下载Boa源代码，解压；
    2)根据硬件对Boa进行相应的配置，并交叉编译，编译器选用arm-linux-gCC；
    3)编译生成可在ARM上运行的Boa程序，将其和内核一起下载到ARM平台上运行；
    4)将系统所需静态页面文件和CGI程序拷贝至相应的路径下。
    当Web服务器程序收到用户以HTTP协议的GET方式发来的远程控制指令后，调用CGI程序，在CGI程序中用open(“／dev／rcpo”，O_RDWR)语句打开设备文件，若成功，则将控制参数传递给ioctl函数的cmd．控制对应的插座开关做相应动作。

3 系统测试
    文中在嵌入式系统开发平台上实现，并制作了控制模块硬件，对电源插座进行了内部连线改装，使之远程可控。搭建测试环境，对一台220 V供电工作的普通电扇进行远程控制，如图5所示。

    用户用浏览器软件访问本系统，经登录认证后进入控制页面，如图6所示。点击“开启”按钮后，电扇转动；点击“关闭”按钮后，电扇关闭。系统运行正常，响应及时。测试表明，本文设计是可行的、有效的。

    4 结论

    文中设计了一种远程可控电源插座，在ARM嵌入式系统上构建嵌入式Web服务器，用户通过网络访问Web服务器，实现对电源插座的操作，进而远程控制与其相连的电器。本文设计采用模块化设计，功能实用，操作简便，易于扩展，可广泛应用于家用或工业电器的远程控制。

    随着互联网技术的发展以及与信息家电、工业控制技术的结合日益紧密，具备网络功能的嵌入式系统应用正在成为未来电器的发展趋势。