左岐 趙玉杰 王碩 杜春寶 北方工業(yè)大學(xué)

1 引言

能源危機、環(huán)境污染等問題正危及人類的生產(chǎn)與生活。以氫氣作為能源，因其來源廣、安全環(huán)保、具有高能量、密度小易存儲等諸多優(yōu)點，成為最有希望解決這一系列問題的方案之一。制氫過程存在一定的危險，為了使制氫過程更加安全，借助遠(yuǎn)程監(jiān)測，能實現(xiàn)對制氫設(shè)備狀態(tài)及時掌握。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，降低制氫生產(chǎn)成本提高勞動效率，增強制氫企業(yè)的競爭實力。

2 電解水制氫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計以電解水制氫項目為研究背景，實現(xiàn)了嵌入式web服務(wù)器的設(shè)計。系統(tǒng)以STM32F103ZE單片機為控制核心，利用ENC28J6以太網(wǎng)控制器接接入局域網(wǎng)。移植μC/OSII操作系統(tǒng)和UIP協(xié)議棧，利用協(xié)議棧提供的函數(shù)在STM32上建立服務(wù)器。

建立服務(wù)器后可以通過PC上的瀏覽器對所設(shè)計的嵌入式WEB進行訪問，獲得采集的實時模擬量數(shù)據(jù)網(wǎng)頁，實現(xiàn)對電解水制氫過程中各個參數(shù)傳感器信號采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計

采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZE芯片作為嵌入式WEB服務(wù)器的核心處理器，采用STM32外接常用的嵌入式以太網(wǎng)控制器ENC28J60并通過RJ45接入因特網(wǎng)。

硬件部分主要包括信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊模塊、電源模塊、以太網(wǎng)接口模塊以及STM32單片機模塊。其總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件整體結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 嵌入式WEB服務(wù)器硬件設(shè)計

本設(shè)計使用的師STM32F103ZET6型號的MCU，該單片機沒有集成以太網(wǎng)控制器，所以采用STM32外接常用的嵌入式以太網(wǎng)控制器ENC28J60接入網(wǎng)絡(luò)。ENC28J60芯片兼容IEEE802.3的以太網(wǎng)控制器，集成MAC控制器和10BASE-TPHY控制器，自帶緩沖區(qū)、DMA，使用SPI接口與MCU進行通信。MCU使用SPI接口對ENC28J60芯片的寄存器寫入控制參數(shù)和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)以太網(wǎng)功能。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計

軟件設(shè)計方面主要采用C語言完成系統(tǒng)程序的編寫，本設(shè)計完成了ENC28J60網(wǎng)卡驅(qū)動程序編寫，移植了uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)和UIP協(xié)議棧，最后完成HTTP服務(wù)程序的編寫，構(gòu)成嵌入式web服務(wù)器。程序能夠?qū)鞲衅鱾鞒鲂盘柾瓿蓴?shù)據(jù)采集、處理、存儲與網(wǎng)頁發(fā)送功能。根據(jù)前端知識完成了登錄系統(tǒng)界面網(wǎng)頁及電解水制氫主界面網(wǎng)頁的設(shè)計。采集數(shù)據(jù)超過規(guī)定值時系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，提示設(shè)備異常并在電解水制氫的主界面網(wǎng)頁上顯示。

2.3.2 UC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植

UC/OS-Ⅱ是一個微型實時操作系統(tǒng)，包括了一個操作系統(tǒng)最基本的一些特性，如任務(wù)調(diào)度、任務(wù)通訊、內(nèi)存管理、中斷管理、定時管理等。簡單明了的代碼，而且代碼完全開放。UC/OS-Ⅱ移植后運行UC/OS系統(tǒng)的設(shè)備上，程序執(zhí)行時會初始化系統(tǒng)任務(wù)管理所需要的各種鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，接著根據(jù)應(yīng)用程序需求創(chuàng)建任務(wù)，由調(diào)度器管理各個任務(wù)，中斷可由操作系統(tǒng)使能和除能，若使能中斷則可以在其他任務(wù)運行時跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。

2.3.3 UIP協(xié)議棧移植

uIP協(xié)議棧去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，簡化了通訊流程，但保留了網(wǎng)絡(luò)通信必須使用的協(xié)議，設(shè)計重點放在了IP/TCP/ICMP/UDP/ARP這些網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議上，保證了其代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

向STM32移植UIP協(xié)議棧首先實現(xiàn)tapdev_init()、tapdev_read()及tapdev_send()這三個函數(shù)，tapdev_init()用于初始化網(wǎng)卡；tapdev_read()函數(shù)用于從網(wǎng)卡讀取一包數(shù)據(jù)；tapdev_send()函數(shù)用于向網(wǎng)卡發(fā)送一包數(shù)據(jù)；這三個函數(shù)實現(xiàn)了最底層的網(wǎng)卡操作。 其次需要STM32提供一個定時器做時鐘，提供10ms計時，通過colockarch.c里面的clock_time()函數(shù)返回給uip使用。最后配置uipconf.h里面的宏定義選項。

通過以上三步的修改，我們基本上就完成了uip的移植。在使用uip的時候，一般通過如下順序：1.實現(xiàn)接口函數(shù)（回調(diào)函數(shù)）UIP_APPCALL；2.調(diào)用tapdev_init()函數(shù)，初始化網(wǎng)卡，配置MAC地址；3.調(diào)用uip_init()函數(shù)，初始化uip協(xié)議棧；4.通過uip_ipaddr()、uip_sethostaddr()、uip_setdraddr()和 uip_setnetmask()等函數(shù)實現(xiàn)IP地址、網(wǎng)關(guān)以及掩碼 的設(shè)置；5.設(shè)置監(jiān)聽端口；

6.uip通過uip_polling函數(shù)輪訓(xùn)處理uip事件。

3 系統(tǒng)測試

本設(shè)計在實驗室條件下進行了測試，通過測試本設(shè)計初步實現(xiàn)對電解水工程工藝的多路數(shù)據(jù)采集、處理和存儲，并通過WEB服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上，通過電腦瀏覽器輸入http：//192.168.1.16，進入電解水制氫登錄界面，輸入正確的用戶名和密碼提交可到電解水制氫監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面，該界面可以顯示各個參數(shù)的采集數(shù)據(jù)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過規(guī)定值時，該網(wǎng)頁會顯示具體報警信息。

4 總結(jié)

該測控系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、實時顯示、報警及遠(yuǎn)程監(jiān)測等工程要求。但僅僅只在實驗室進行了模擬測試，還未進行現(xiàn)場的測試。下一步工作將與現(xiàn)場設(shè)備進行連接、測試。