袁 英，于艷艷，王 磊，梁 川，楊 軍

(云南大學 信息學院，昆明 650091)

遠程控制是在網(wǎng)絡上由一臺電腦(主控端Remote/客戶端)遠距離去控制另一臺電腦(被控端Host/服務器端)的技術［1］。電腦中的遠程控制技術始于DOS時代，隨著信息技術和網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，遠程操作及控制技術越來越引起人們的關注，并廣泛應用于人們的日常工作和生活中，如遠程辦公、遠程教育、遠程維護、遠程協(xié)助等［2－3］。遠程控制將不僅極大地方便人們的日常生活，而且對整個社會生產(chǎn)活動將產(chǎn)生巨大的影響。

在傳統(tǒng)遠程控制系統(tǒng)中，由于遠程用戶與智能控制中心間的通信方式多采用電話線或網(wǎng)線，因而網(wǎng)絡布線復雜、網(wǎng)絡延時較大、可靠性較差，給用戶帶來極大的不便。本文設計的遠程智能控制系統(tǒng)是基于實時操作系統(tǒng)并采用無線通信技術組建控制終端網(wǎng)絡，系統(tǒng)實時性較好;用戶可通過瀏覽器登錄服務器來監(jiān)測控制遠程終端，方便用戶使用。該系統(tǒng)便于應用在智能家居、工業(yè)控制等相關領域，實現(xiàn)家居設備、工業(yè)設備等的智能化控制，對改善人們的日常生活方式，提高人們的工作效率具有一定的意義。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)設計的功能是通過PC機或移動設備登錄服務器系統(tǒng)，訪問和控制多個遠程控制終端。根據(jù)其功能特點，該系統(tǒng)由無線控制終端和主控系統(tǒng)兩個部分組成。

1)無線控制終端由微控制器、傳感器模塊、無線收發(fā)模塊和控制電路模塊構成。微控制器通過無線收發(fā)模塊與主控系統(tǒng)平臺進行信息交互，傳感器模塊將采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息傳給微控制器進行處理，并將處理結果發(fā)送給主控系統(tǒng)進一步分析，實現(xiàn)智能化控制。

2)主控系統(tǒng)由主控模塊、Web服務器、網(wǎng)絡通信模塊、無線收發(fā)模塊與現(xiàn)場控制模塊構成。

主控模塊以Cortex－M3為核心處理器，搭載uCOSⅡ實時操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)對各項任務進行管理和維護。Web服務器存儲網(wǎng)頁數(shù)據(jù)和無線控制終端的數(shù)據(jù)信息。網(wǎng)絡通信模塊采用ENC28J60網(wǎng)絡接口芯片設計，通過移植TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)主控系統(tǒng)與Internet的連接。無線收發(fā)模塊實現(xiàn)與控制終端的信息交互?，F(xiàn)場控制模塊以TFT_LCD觸屏液晶建立良好的人機交互界面，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備信息的控制和查看，并對控制終端進行參數(shù)配置、初始化以及設置服務器遠程功能的權限，防止非法訪問和操作，確保系統(tǒng)安全。系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊以Cortex－M3為核心處理器。Cortex－M3是基于ARM公司ARMv7－Mz體系結構的32位微處理器芯片，其處理器在結構上包括處理器內核、嵌套向量中斷控制器、存儲器保護單元、總線接口單元和跟蹤調試單元等，有以下特點［4－5］:

1)采用了基于哈佛(Harvard)架構的3級流水線內核，集成了分支預測、單周期乘法、硬件除法等功能，可達到1.25 DMIPS/MHz的運算速度，而功耗僅為0.19 mW/MHz。

2)采用的Thumb－2指令集結合了16位指令代碼密度和32位指令的性能，具有更高的指令效率和更強的性能。

3)Cortex－M3處理器總線矩陣將處理器核、調試接口與外部總線相連接，采用非對齊數(shù)據(jù)訪問和位段技術，使得處理器的片上外圍設備訪問速度大大提高。

因此，Cortex－M3與ARM7、ARM9等其他系類相比，在相同時鐘頻率下的運行速度可提高35，代碼可節(jié)省45，具有高性能、低功耗等特點。

2.2 網(wǎng)絡通信模塊

網(wǎng)絡通信模塊采用ENC28J60網(wǎng)絡接口芯片設計。ENC28J60是全球目前最小封裝的以太網(wǎng)控制器，符合IEEE 802.3協(xié)議，且只有28引腳，體積小、設計簡單、容易使用［6］。它采用標準的SPI串行接口，只需4條連線即可與MCU連接，速度可達10 Mb/s。

2.3 控制終端硬件電路設計

遠程控制終端采用STC11L02E單片機作為微控制器，通過無線收發(fā)模塊NRF2401收發(fā)數(shù)據(jù)信息，繼電器控制設備的工作狀態(tài)，并將傳感器檢測的設備狀態(tài)信息發(fā)送給主控模塊。本系統(tǒng)的控制終端實驗測控對象為電熱水器，采用DS18B20傳感器對水溫進行測量。其中，STC11L02是一款高性能、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，既兼容傳統(tǒng)8051單片機，且運行速度快8～12倍，被廣泛應用于高速通信、智能控制與強干擾場合［7］。DS18B20是美國新一代“一線總線”的溫度傳感器，體積小、價格低、使用靈活，測溫范圍為－55℃ ～125℃，精度為±0.5℃。

3 系統(tǒng)軟件設計

uCOSII是一種源代碼公開、結構小巧的實時操作系統(tǒng)，包含了任務調度、時間管理、內存管理、任務間的通信和同步等基本功能。CPU硬件相關部分用匯編語言編寫，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和擴展性強等特點，最小內核可編譯至2 KB［8］。本系統(tǒng)的設計實現(xiàn)需移植uCOSII操作系統(tǒng)來管理維護各項任務。

3.1 主控系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件的設計是基于uCOSII實時操作系統(tǒng)創(chuàng)建信號集和各項任務，通過信號集完成任務間的通信和同步功能。在系統(tǒng)初始化后創(chuàng)建MyTask()任務，然后，在其任務內創(chuàng)建3個子任務，分別是MyTask1、MyTask2、MyTask3。MyTask1任務完成和控制終端的信息交互，并將數(shù)據(jù)信息存儲于Web服務器;MyTask2任務負責以太網(wǎng)信息的交互，發(fā)送Web服務器的網(wǎng)頁數(shù)據(jù);MyTask3任務完成現(xiàn)場控制系統(tǒng)的功能，顯示終端設備的運行狀態(tài)，對控制終端直接操作以及遠程用戶的權限設置。

3.2 網(wǎng)絡驅動程序的設計

網(wǎng)絡驅動程序由TCP/IP協(xié)議棧和ENC28J60硬件驅動程序兩部分組成。TCP/IP協(xié)議負責與應用程序之間的數(shù)據(jù)交換，ENC28J60驅動程序負責TCP/IP與Internet網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸。TCP/IP協(xié)議采用開源、非常小巧的uIP協(xié)議棧。uIP協(xié)議去掉了TCP/IP中不常用的功能，簡化了通信流程;其硬件處理層、協(xié)議棧層和應用層共用一個全局緩存區(qū)，節(jié)省了空間和時間，其關系如圖2所示。

圖2 uIP協(xié)議棧

由上圖知，uIP協(xié)議通過API函數(shù)實現(xiàn)底層硬件和高層應用程序的通信，即uip_init()，uip_input()和uip_periodic()，其與應用程序的主要接口是UIP_APPCALL()函數(shù)。

3.3 嵌入式Web服務器的設計

嵌入式Web服務器設計需移植Boa服務器。Boa服務器是一款單任務的HTTP服務器，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，具有處理速度快和效率高等特點［9］。

Boa服務器的移植主要修改和配置mime.type和boa.conf文件，配置CGI腳本的存放路徑，創(chuàng)建CGI腳本目錄和HTML文檔目錄。當Web服務器收到請求時，CGI程序處理瀏覽器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將相應的HTML頁面發(fā)送給遠程用戶。

Web服務器共設計兩個頁面，分別是用戶登錄認證頁面和遠程監(jiān)測控制頁面，通過Web瀏覽器輸入服務器IP地址，顯示登錄頁面，輸入用戶名和密碼進入遠程控制系統(tǒng)頁面。Boa服務器的執(zhí)行流程如圖3所示。

3.4 控制終端程序設計

控制終端程序設計采用PID控制算法設計的PID控制器結合了比例、積分、微分三種控制方式的優(yōu)點，使閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應盡可能地穩(wěn)、準、快。

圖3 Boa服務器執(zhí)行流程圖

PID控制算式為:其傳遞函數(shù)可表示為:

式中:KP、Ti、Td分別是控制器的比例增益、積分時間和微分時間系數(shù);u0是控制器初始時輸出值，一般情況下為0;u(t)是控制器在t時刻的輸出值;e(t)是t時刻設定值與測量值之間的偏差值。其控制原理框圖如圖4所示。

圖4 控制原理框圖

控制終端通過無線收發(fā)模塊接收上位機的指令信息來執(zhí)行相應的操作，并將設備的運行狀態(tài)發(fā)送給上位機系統(tǒng)。其控制程序采用PID控制算法進行設計，通過傳感器將運行狀態(tài)反饋給PID控制器，控制器輸出控制信號執(zhí)行操作。

4 系統(tǒng)測試結果與分析

本系統(tǒng)基于Cortex－M3處理器和Keil_MDK軟件平臺設計開發(fā)完成，無線控制終端基于STC11XX系列微控制器設計，便于擴展，可對多種設備進行監(jiān)測和控制。為了測試遠程智能控制系統(tǒng)的性能參數(shù)，本系統(tǒng)實驗測試對象為電熱水器，實現(xiàn)對電熱水器的遠程控制和水溫監(jiān)測。用戶通過Web瀏覽器發(fā)出指令信息，終端熱水器接收到指令信息后，其水溫和加熱狀態(tài)情況如表1所示。

表1 熱水器的指示燈及水溫情況

分析上表得出該系統(tǒng)的控制延遲Ts=0.18 s，系統(tǒng)誤差Er=0，穩(wěn)定系數(shù) λ=79.5/80=0.993 7。經(jīng)實驗驗證，結合上述參數(shù)指標可看出本系統(tǒng)實時性好、誤差低、可靠性高且性能穩(wěn)定。

5 結束語

本系統(tǒng)在高性能、低功耗的Cortex－M3處理器和uCOSII操作系統(tǒng)的基礎上，結合PID算法的穩(wěn)、準、快特點，設計實現(xiàn)了可通過PC機或移動終端的Web瀏覽器登錄服務器來控制及監(jiān)測遠程控制終端的、簡單實用的遠程智能控制系統(tǒng)。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實時性好、設計成本低，在智能家居與工業(yè)遠程監(jiān)測控制等領域具有廣泛的應用前景，對改善人們的生活方式，提高工作效率具有一定的意義。

［1］ 林承華，覃青生.基于GSM的遠程控制系統(tǒng)［J］.電氣自動化，2012，34(1):40－42.

［2］ 孫增雷，黃俊年，孫敏.基于GSM的遠程報警系統(tǒng)的研制［J］.武漢理工大學學報，2008，30(6):122－125.

［3］ 黃慧萍，孟祥印，肖世德.基于B/S模式的步進電機遠程系統(tǒng)實驗平臺［J］.實驗科學與技術，2010，8(2):184－186.

［4］ 杜明州，劉春生，張紹杰.基于Web的遠程控制實驗室平臺設計［J］.電子電氣教學學報，2011，33(1):117－110.

［5］ 王明陽，裴浩東.基于uCOSⅡ和多總線的多傳感器控制系統(tǒng)設計［J］.科學技術與工程，2012，12(12):2845－2848.

［6］ 趙曉東，丁岳偉.基于Linux嵌入式的智能家居系統(tǒng)設計［J］.計算機技術與發(fā)展，2012，23(1):201－203.

［7］ 李江權，張興敢.基于Cortex－M3處理器的智能家居控制系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2012，35(7):47－49.

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［9］ Hande Alemda，Cem Ersoy.Wireless sensor network for healthcare［J］.A Survey Computer Network，2010(54):2688－2710.