基于internet的远程监控系统设计本科毕设论文.docx

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基于internet的远程监控系统设计本科毕设论文

本科生毕业论文

题目：

基于Internet的远程监控系统设计

院系：

信息科学与技术学院电子系

二〇〇九年五月

摘要

科技的发展必然使人类的生活越来越自动化，足不出户却可以决胜于千里之外，这就需要借助于两样东西，一是现场监控系统，二是INTERNET。

本文介绍了一种简单的典型的基于INTERNET的远程监控系统，但它包括了基本的远程监控系统基本思想与一般架构。

此远程监控系统的核心是经典的51系列单片机，它作为系统的大脑，是系统的神经中枢，另一个必不可缺的就是W5100芯片，此芯片内部集成了TCP/IP协议栈、以太网介质访问层（MAC）和物理层（PHY），扮演着通讯员的角色，负责系统与外界的沟通，在现场与控制台之间搭建了一个方便快捷的桥梁。

其它的还包括温度检测芯片以及若干个LED灯管。

整个系统选材较少，因此具有功耗低、价格低廉、稳定性强、开发简单、体积小的优点，低廉的配置也有使此方案对于大部分人来说实现起来也是一件容易的事。

此外，本系统实现了可以在终端通过IE浏览器访问系统、监控系统的模式，使远程监控更方便更人性化。

关键字：

远程监控；W5100；TCP/IP协议；嵌入式服务器

Abstract

Asthedevelopingscientifictechnology,person'slifebecomeeasierandmoreautomatic,peoplecanfinishsomethingeventheyaremilesawayfromthescene.Allofthisisbythehelpoftwothings,oneisscenecontrolsystem,andtheotheroneisinternet.Thereissomethingaboutthesimpleremotecontrolsystembasedoninternetinthisstudy,andthebasicconfigurationandclassicwaytocarryoutofaremotecontrolsystemwillbeincluded.Themajorthingorthekeyofthissystemisaclassic51microcontrolunit.Itisthebrainofthissystem.AnothermostimportantthingofthissystemisW5100Internetchip,whichbringsTCP/IPprotocol,MAC,PHYtogether.TheW5100chiphelpsthesystemtocommunicatewithinternet.Whatelse,thesystemincludesachiptodetectthescenetemperature.Soinaword,thissystemisanidealsolutionofIntelligentHouseholdsystemthateasytodevelop,stability,lowcost,withlittlesizeandlowpowerdissipation,whatelse,thissystemcanbedisplayedandcontrolledbyIEbrowser,itmakestheremotecontrollingmoreconvenience.

Keywords:

remotesystem;W5100;TCP/IPprotocol;embedserver

第1章绪论

1.1嵌入式系统概述

对于大多数人来说，谈起现代化电子产品的时候都会第一时间想到计算机，或者更确切地说是想到PC，因为对他们来说PC机已经是和他们形影不离了。

但是他们都忽略了比PC更广泛应用的一种现代化电子产品，那就是嵌入式系统。

各种微处理器应用的数量远远地超过了PC上应用的X86处理器，而微处理器绝大部分是用在嵌入式系统中的，因此可以说嵌入式系统已经成为了人们生活中不可或缺的一分子了。

在现代社会生活中，我们不仅仅需要那种放在桌上处理文档、进行工作管理的计算“机器”，我们还可能拥有大小不一、形状各异的嵌入式电子产品，小到手机、MP3、PDA等微型数字产品，大到网络家电、车载电子设备等。

目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。

在工业和服务领域，使用嵌入式技术的数字机床、工业机器人、服务机器人等正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。

嵌入式系统可以这样定义：

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

一般来说，嵌入式系统由处理器、存储器、输入/输出设备和软件（包括操作系统和应用程序）4部分组成，如图1-1所示。

应用程序

软件结构

操作系统

处理器

OUTPUT

硬件结构

INPUT

存储器

图1-1：

嵌入式系统的组成

嵌入式系统与PC比较如下表1-1与表1-2：

表1-1：

嵌入式系统与PC硬件上的比较

设备说明

嵌入式系统

PC

CPU

嵌入式系统（ARM,68K等）

CPU（INTEL的Pentium,AMD的Athion等）

内存

SDRAM芯片

SDRAM或DDR内存条

内存设备

Flash

硬盘

输入设备

按键、触摸屏

鼠标、键盘、麦克风

输出设备

LCD

显示器

声音设备

音频芯片

声卡

接口

MAX232等芯片

主板集成

其它设备

USB芯片、网卡芯片

主板集成或外接卡

表1-2：

嵌入式系统与PC软件发及开发平台上的比较

嵌入式系统

PC

引导代码

Bootloader引导，针对不同电路进行移植

主板的BIOS引导，无须改动

操作系统

LINUX,WINCE,UCOS等，需要移植

WINDOWS,LINUX等，不需要移植

驱动程序

每个设备驱动都必须针对电路板进行重新开发或移植，一般不能直接下载使用

操作系统含有大多数驱动程序，或从网上直接下载使用

协议栈

需要移植

操作系统由第三方供应商提供

开发环境

借助服务器或PC进行交差编译

在本机就可以开发调试

仿真器

需要

不需要

从上面两个表格可以很容易看出嵌入式操作系统与PC之间存在着很大的差异，两者的最大区别在于嵌入式系统性具有“软硬件可裁剪性”的灵活性，可以根据各种具体的现场实现千差万别的特定功能。

嵌入式系统同PC系统相比有以下特点：

1.功耗低、体积小、专用性强。

嵌入式本身就是为特定的用户或特定的功能量身定做的，所以它能把PC中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。

2.为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。

3.可靠性高。

嵌入式系统对软件代码的要求很高，应尽最大可能避免“死机”的发生，因为“死机”很可能导致系统的崩溃或造成严重后果。

4.嵌入式系统的开发需要专门的开发工具和开发环境[1]。

1.2嵌入式INTERNET

介绍了嵌入式系统与PC既有共性也有个性，具体的应用可以根据实际工作而选择使用嵌入式系统还是普通的PC机。

或者还有一种方法就是把两者结合起来，各取所长，从而合成一个更完美的系统，那就是基于Internet的嵌入式系统，而如今世界上无所不在的Internet则是把二者结合起来的重要桥梁。

下面将要介绍的是Internet在嵌入式系统中的应用。

网络在人们生活中的作用是不容置疑的。

随着网络的发展，网络已经深入到人类生活的各个方面，网络就像覆盖在地球表面的电子皮肤，它大大的改变了我们的工作方式和生活方式。

21世纪是一个网络化的世界，这不仅是指通过计算机网络形成了全球化的Internet，而且还包括我们身边的楼宇自动化系统、家庭电器产品、智能仪表及工业过程控制等通信网络。

若能将Internet网络技术延伸到电子设备或控制网络并使之互连，将Internet的应用范围扩大到任何需要网络的地方，使之增加许多新的、有价值的、超越局域网的服务功能，必然会让我们的世界变得更加自动化和智能化。

家庭电器产品和工业设备绝大部分都采用单片机或微控制器MCU来进行数据处理，使用嵌入式系统来实现控制功能。

智能楼宇、工业过程等在这些芯片的基础上，使用特定的协议如LonWorks、CAN等组成独立的、自成一体的控制网络。

如果能将嵌入式系统连接到Internet上，则可以方便、价格低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个角落，进而进行远程监控。

嵌入式Internet就是在这种背景下产生的，它依托于工业以太网技术而构建，是Internet技术、Web技术和嵌入式技术的有机融合。

嵌入式Internet技术是指电子设备通过嵌入式模块接入Internet，以Internet为介质实现信息交互的技术。

嵌入式Internet不仅是一种设备接入技术，而且是一种异构网络互连技术。

通过Web技术和嵌入式技术可将设备接入到Internet以实现远程的监控、诊断、测试、管理及维护等功能[2]。

当前，为了满足世界上越来越多的Internet用户，Internet的IP协议正处于在IPv4协议到IPv6协议的过渡时期。

随着嵌入式Internet的发展，越来越多的嵌入式设备都将需要接入Internet进行信息交互。

因此，现有的IP地址资源将受到严重挑战，IP地址资源的短缺将成为嵌入式Internet发展的瓶颈。

IPv6主要用于解决IPv4地址资源短缺的问题，IPv4的地址域长度是32位，而IPv6的地址长度为128位，因此，IPv6能够提供足够多的IP地址，当然可以为每个嵌入式系统设备提供接入Internet的IP地址。

随着IPv6协议的逐渐应用，IP地址资源的缺乏将得到彻底的改善，嵌入式Internet也将得到更进一步的发展[3]。

不久的将来，各种嵌入式系统与PC机的关系也会因为有Internet这座桥梁而越来越密不可分，彼此取长补短，从而构成一个更全面的嵌入式系统。

1.3远程监控系统发展现状与趋势

远程监控系统的发展很大程度上依赖于网络的发展。

目前，接入Internet的方式有很多，有以太网、ISDN、ADSL、电话接入等方式。

其中以太网协议已经非常广泛地应用于各种计算机网络，包括办公室局域网、工业控制网络、因特网、智能家居等场合。

以太网作为一种廉价、高效的Internet接入方式已经得到广泛的应用，并且还在不断地发展。

所以通过以太网接入方式实现嵌入式Internet具有现实意义。

嵌入式系统通过以太网接入Internet主要有如下三种解决方案：

1.32/64位高端嵌入式系统+RTOS（实时操作系统）的实现方式。

该方案采用高端的32/64位微控制器上运行实时多任务操作系统，以实时操作系统作为软件平台，在实时多任务操作系统上直接实现TCP/IP协议，从而实现嵌入式Internet。

目前常见的此类实时操作系统有NUCLEUS、LINUX等等，由于系统自带TCP/IP协议，因此实现起来比较容易。

2.PC网关+专用网的实现方式。

采用专用的网络把若干个嵌入式仪器连接在一起，然后再把该网络与PC机连接起来，将PC作为网关，由PC机把网络上的信息转化为TCP/IP协议数据包，发送到Internet上实现信息的共享[11]。

3.8位单片机+网络接口控制器直接接入Internet的实现方式。

由网络控制器实现网络接口，由主控制器执行存储在系统ROM中的协议代码来提供所需的通信协议。

该方案最突出的特点就是成本较低廉，但是软件设计复杂，需要对TCP/IP协议有深入的了解和研究。

基于Web方式是实现远程监控的一个趋势。

随着信息技术和网络技术的发展，Internet在过去得到了飞速地发展，并围绕着Internet出现了许多新的技术和新的应用。

WWW系统就是在这种形势下，作为网络化信息服务的基础迅速地发展起来的。

WWW是一个基于Internet的全球连接的、分布的、动态的、多平台的交互式超媒体信息系统。

它利用多种协议传输，能检索分布在世界各地WWW服务器的信息资源。

在基于Web的远程监控系统中，客户端使用通用的Web浏览器，通过Internet对生产现场进行监控。

这种方案具有显着的优点：

1）Internet技术发展至今，在开放性、通用性、易用性和安全性方面都具备了成熟可靠的技术。

2）不需要开发专门的客户端软件，将应用程序集中在服务器上，大大减少了客户端开发的工作量，而且易于扩充和修改。

3）系统具有统一的用户界面，用户不再需要为不同的控制系统安装不同的客户软件，也不再需要针对不同的客户软件进行不同的培训，任何得到授权的用户都可以使用Web浏览器来对现场进行实时监控。

4）控制网络和数据网络的信息得以集成，有利于信息管理[4]。

1.4论文研究意义

目前主流的嵌入式远程监控系统一般都需要专门的嵌入式处理器与嵌入式实时操作系统的支持下完成的，要求的处理器也较高端如常见的ARM微处理器以及LINUX实时操作系统。

而本文实现的嵌入式远程监控系统则不需要另外的操作系统的支持，而且使用普通的51单片机芯片作为处理器中央处理器，硬件上就节约了很大的成本。

由于W5100内部集成了全硬件的、且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网传输层（MAC）和物理层（PHY）。

硬件TCP/IP协议栈支持TCP，UDP，IPV4，ICMP，ARP，IGMP和PPPOE，这些协议已经在市场上好多领域经过了多年的验证。

因此它可以不需要考虑以太网的控制而只需要进行简单的端口（SOCKET）编程就可以实现接入网络的功能，实现没有操作系统的INTERNET连接[5]。

第二章监控系统硬件实现

本文设计的远程监控系统分为系统管理模块MCU，系统通信模块W5100，系统现场监控模块即数据采集模块及显示模块，先由现场数据采集模块（温度检测）接收现场信息然后发送到MCU，再通过W5100芯片传送到INTERNET上去。

客户端就可以用IE浏览器访问到这些数据。

本系统的硬件架构如下图2-1所示：

远程控制端

因特网

浏览器

RJ45

W5100

MCU

温度传感器

图2-1：

系统架构图

其中，RJ45接口是带有网络变压器的物理层接口。

在W5100中，通过将SEN引脚经10KΩ电阻上拉到高电平以使能其处于SPI从模式。

CS为片选，MISO和MOSI为两条数据传输线，用于数据的传输与接收。

W5100的SPI工作时钟由处于主模式AT89S52提供。

此外，为了方便AT89S52判断W5100的工作状态，必须将W5100的中断引脚INT与AT89S52的外部中断线相连接。

W5100的第5、6、8和9引脚是PHY信号线，用于与RJ45接口相连接。

除电源相关引脚外，W5100的其它引脚可以选择置空，总的说来，系统连接简单，极大减小了电路板的复杂度与连接出错率[6]。

系统中没有外加的TCP/IP协议程序，TCP/IP协议栈由W5100来支持，它集TCP/IP协议栈、以太网MAC和PHY为一体，其内部16KB的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换，最大通信速率达到25Mbps；内嵌10BaseT/100BaseTX以太网物理层，支持自动应答；提供多种总线接口方式，可以很方便地与各种MCU连接，简化了硬件电路设计，使嵌入式系统在没有操作系统的支持下，真正实现单芯片接入因特网的理想。

为减少PCB板面积和布线复杂性，考虑到系统的数据传输率要求不高，选择SPI接口作为AT89S52和W5100的连接方式。

AT89S52、W5100和RJ45接口构成一个典型的嵌入式Web服务器，实现简单，成本低廉[7]。

下面从各个部分介绍本系统的具体情况。

2.151单片机管理模块

本文使用的是AT89S52芯片。

AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。

片内含4KBYTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89S52单片机可为你提供许多高性价比的应用场合，可灵活运用于各种控制领域。

它的主要性能特点包括：

1）与MCS—51单口指令系统完全兼容。

2）4K字节可重擦写Flash闪存储器。

3）1000次擦写周期。

4）全静态操作：

0~24MHz。

5）三级加密程序存储器。

6）128*8字节内部RAM。

7）4个8位可编程I/O端口。

8）2个16位定时/计时器。

9）6个中断源。

10）可编程串行UART通道。

11）低功耗空闲掉电模式[12]。

2.2网络芯片W5100

图2-2：

W5100实物

W5100内部集成以太网物理层RTL8201CP核、全硬件且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网介质访问层（MAC）和物理层（PHY）为一体。

W5100的硬件TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、CMP、IGMP、IPv4、ARP、PPPOE、Ethernet等网络协议；支持4个独立的Socket通信，内部还集成有16K字节的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换，最大通信速率达到25Mbps；提供多种总线（两种并行总线和SPI总线）接口方式，使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需进行简单的端口（Socket）编程就可以很方便地与各种单片机连接。

2.2.1W5100特点

1）支持硬件化TCP/IP协议：

TCP、UDP、ICMP、IGMP、PPPOE、以太网。

2）内嵌10BaseT/100BaseTX以太网物理层。

3）支持自动通信握手（全双工和半双工）。

4）支持自动MDI/MDIX，自动校正信号极性。

5）支持ADSL连接（支持PPPOE协议中的PAP/CHAP认证模式）。

6）支持4个独立端口同时运行。

7）不支持IP的分片处理。

8）内部16KB存储器用于数据发送/接受缓存。

9）0.18umCMOS工艺。

10）3V工作电压，I/O口可承受5V电压。

11）80脚LQFP小型封装。

12）环保无铅封装。

13）支持SPI模式0、3接口。

14）多功能LED信号输出（TX、RX、全双工/半双工、地址冲突、连接、速度等）。

2.2.2W5100引脚

图2-3W5100引脚

1）MCU接口信号列表：

表2-1：

MCU接口信号

2）以太网接口信号：

表2-2：

以太网接口信号

3）

表2-3：

其它接口信号

其它接口信号：

4）

表2-4：

电源接口信号

电源接口信号：

5）时钟接口信号：

表2-5：

时钟接口信号

6）LED信号：

表2-6：

LED信号

2.2.3W5100存储器映像

W5100内含公共寄存器，端口寄存器，发送存储器以及接收存储器，如下图所示：

图2-4：

W5100存储器映像

2.2.4W5100寄存器

1）公共寄存器：

●公共寄存器保存的是各个端口（Socket）都通用的参数如：

网关，本机IP和本机物理地址等。

●MR（模式寄存器）：

该寄存器用于软件复位、Ping关闭模式、PPPOE模式以及间接总线接口。

●GWR（网关IP地址寄存器）：

该寄存器设置默认网关。

●SUBR（子网掩码寄存器）：

该寄存器用来设置子网掩码（Subnetmask）值。

●SHAR（本机物理地址寄存器）：

该寄存器用来设置物理地址。

●SIPR（本机IP地址寄存器）：

该寄存器用来设置本机IP地址。

●IR（中断寄存器）：

CPU通过访问该寄存器获得产生中断的来源。

任何中断都可以被中断屏蔽寄存器（IMR）中的位屏蔽。

当任何一个未屏蔽中断位为“1”，INT的信号保持低电平。

只有当所有未屏蔽的中断位为0时，INT才恢复高电平。

可产生中断的原因包括：

IP地址冲突（CONFLICT），目标IP地址不可达（UNREACH），PPPOE连接关闭，端口0～3中其中一个中断（Sn_INT）。

●IMR（中断屏蔽寄存器）：

对应IR中断的屏蔽，当对应位为“0”则中断不能产生。

●RTR（重发时间寄存器）：

该寄存器用来设置溢出的时间值。

每单位100微秒。

●RCR（重发计数寄存器）：

该寄存器的数值设定可重发的次数。

若重发次数

超过设定值则产生超时。

●RMSR（接收存储器空间大小寄存器）：

该寄存器配置4个Socket端口的接

收缓存大小，默认值为0x55，即每个端口2K缓存。

●TMSR（发送存储空间大小寄存器）：

该寄存器配置4个Socket端口的发送

缓存大小，默认值为0x55，即每个端口2K缓存。

●PATR（PPPOE模式下的认证类型）：

在与PPPOE服务器连接时，改寄存器

指示已经被通过的安全认证方法。

W5100支持PAP和CHAP。

●PTIMER（PPPLCP请求计时寄存器）：

该寄存器表示发出LCPEcho所

需要的时间间隔。

每单位约25ms。

●PMAGIC（PPPLCP模数寄存器）：

该寄存器用于LCP握手时采用的模数选

项。

●UIPR（不可到达的IP地址寄存器）：

不可到达的IP地址寄存器。

●UPORT（不可到达的端口号寄存器）：

不可到达的端口号寄存器[11]。

2.2.5W5100与MCU的连接方式

W5100与MCU的连接方式主要有直接总线连接、间接总线连接、SPI总线连接这三种连接方法，不同的连接方法适应于不同的场合，应该按需选择最恰当的连接方式。

1）直接总线连接：

直接总线连接方式是最直观的一种连接方式，它采用15位地址线，8位数据线，另加/CS，/RD，/WR及/INT等信号线。

如图2-5所示：

图2-5：

W5100与MCU直接总线接口方式

2）间接总线连接：

采用2位地址线，8位数据线，另加/CS,/RD,/WR及/INT等信号线。

2~14这十三根没用到的地址线通过电阻接地。

如图2-6所示：

图2-6：

W5100与MCU间接总线接口方式

间接总线接口相关的寄存器说明如表2-7所示：

表2-7：

间接总线接口相关寄存器

数值

符号

说明

0x00

MR

它选择间接总线接口，以及地址自动增加。

0x01

0x02

IDM_AR0

IDM_AR1

间接总线模式下的地址寄存器，只在大端模式（Big-endian）下使用。

0X01

0X02

IDM_AR0:

MSB

IDM_AR1:

LSB

例：

读取端口0的命令寄存器SO_CR（0X0401）,则

0x01（IDM_AR0）

0x02（IDM_AR1）

0X04

0X01

0x03

IDM_DR

间接总线接口模式下的数据寄存器

读/写内部寄存器或存储器的过程：

●将要读写的地址写入到IDM_AR0和IDM_AR1寄