胡念祖 林曉煥 肖新帥

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710048）

1 引言

高低溫試驗(yàn)設(shè)備因能提供高低溫環(huán)境而用于測試產(chǎn)品性能、發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的缺陷［1]，其內(nèi)部用于表征溫度參數(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)往往面臨布線復(fù)雜、監(jiān)測環(huán)境具有氧化性還原性復(fù)雜多變、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸還需一定的維護(hù)成本等問題。傳統(tǒng)的基于485通訊、基于2G通訊的高低溫試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)暴露出了如下弊端：第一，為了把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，需要定制專屬的通訊協(xié)議和通訊方式；第二，需要建設(shè)專用的通訊線路與其相對應(yīng)的通訊硬件，接線復(fù)雜，移動性差；第三，不能隨時(shí)隨地地對監(jiān)測設(shè)備或者儀器進(jìn)行監(jiān)測和控制；第四，對于復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境不適合布置以太網(wǎng)接插件、集線器等物理傳輸介質(zhì)［2～5]；第五，以2G模塊作為無線通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)還需向運(yùn)行商支付一定的費(fèi)用［6]。

針對以上問題和不足，本文充分利用了現(xiàn)階段WIFI覆蓋的廣泛性和普遍性，提出嵌入式Web服務(wù)器（Embedded Web Server）這一解決方案，同時(shí)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)［7]。允許用戶或者工作人員只要通過Web瀏覽器接入網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)無線和遠(yuǎn)程溫度采集，同時(shí)還可以對傳感器進(jìn)行配置以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，傳輸協(xié)議使用LwIP協(xié)議，是精簡版的TCP/IP協(xié)議，具有開放性、公開性、靈活性、便捷性［8]，節(jié)約了定制通訊協(xié)議的開發(fā)成本；第二，充分利用WIFI信號的覆蓋與普及，免去了布線設(shè)計(jì)及其占用空間的煩惱；第三，成本低廉，在能滿足正常提供Web服務(wù)的基礎(chǔ)上節(jié)約硬件的配置、內(nèi)存空間的占用；第四，用戶只要擁有安裝Web瀏覽器的PC或者手機(jī)，就能夠隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)與該溫度采集板的雙向數(shù)據(jù)交互；第五，通過配置在網(wǎng)路由器端口映射和動態(tài)域名解析服務(wù)［9]，在手機(jī)上還可使用網(wǎng)絡(luò)移動數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測與配置，滿足無線和遠(yuǎn)程的雙重功能；第六，運(yùn)行維護(hù)成本低，不需要購買云空間，也不需要定期向運(yùn)行商支付費(fèi)用。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由三大部分組成：監(jiān)測終端部分、無線終端部分和用戶終端部分。其中監(jiān)測終端部分由MCU、傳感器模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、冷端補(bǔ)償模塊和電源模塊組成。無線終端部分由能提供網(wǎng)關(guān)服務(wù)無線通訊模塊組成。無線終端不但能與監(jiān)測終端部分通過串口全雙工雙向通信，還作為Web Server供用戶終端部分使用。無線終端在連接WIFI成功與測量終端部分通訊正常的基礎(chǔ)上，一方面要監(jiān)聽指定端口響應(yīng)外部服務(wù)器的請求，另一方面還要解析數(shù)據(jù)完成本地存儲，同時(shí)還要調(diào)用串口程序接收數(shù)據(jù)及其它處理程序。用戶終端部分可以為任意一臺安裝有Web瀏覽器的PC或者智能手機(jī)。最終用戶不但可以在局域網(wǎng)內(nèi)訪問溫度采集操作平臺，也可以在廣域網(wǎng)內(nèi)通過指定IP地址訪問溫度采集操作平臺。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)多種復(fù)雜的測試環(huán)境，滿足不同環(huán)境下溫度測量的需求，傳感器模塊采用多種類型的金屬熱電偶。金屬熱電偶傳感器由位于溫度采集板感應(yīng)室溫環(huán)境溫度的冷端和位于高低溫試驗(yàn)設(shè)備感應(yīng)試驗(yàn)溫度的熱端組成，其冷熱兩端的電勢差會因冷熱兩端的溫度差的變化而變化。本系統(tǒng)采用K型熱電偶用于氧化性環(huán)境中，測量范圍-50℃～130℃；采用J型熱電偶適用于具有氧化性或還原性的腐蝕性環(huán)境中，測量范圍0℃～760℃；T型熱電偶用于精度等級較高且測量范圍為-100℃～350℃的環(huán)境中。不同類型的金屬熱電偶傳感器可以根據(jù)實(shí)際的測量環(huán)境，通過用戶終端有選擇性的配置于模數(shù)轉(zhuǎn)換器以適用于不同的試驗(yàn)需求。

用于模數(shù)轉(zhuǎn)化的ADS1148具有高度集成特性，高度集成濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換于一體，有效地減少了組件的數(shù)量，同時(shí)可以多通路的模數(shù)轉(zhuǎn)換。其輸入前端由RC低通濾波器來消除噪聲，同時(shí)外接上拉電阻于VDD，下拉電阻于GND來嵌位輸入電壓的范圍。本設(shè)計(jì)中使用三片ADS1148，每片外接4個(gè)通道，共計(jì)12路通道。

考慮到熱電偶冷端所處室內(nèi)環(huán)境溫度的波動性，其絕對零點(diǎn)偏移不可忽略，對冷端必須進(jìn)行有效的補(bǔ)償才能提高監(jiān)測的可靠性［10]。對此，本系統(tǒng)采用簡單常用的溫度傳感器DS18B20對室內(nèi)溫度有一個(gè)明確的跟蹤，跟蹤的結(jié)果為把室溫溫度與絕對0℃的溫度差轉(zhuǎn)化成電壓差。在考慮DS18B20跟蹤電壓補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上再查找熱電偶兩端的電壓差與溫度的對應(yīng)關(guān)系，最終得出溫度值。

監(jiān)測終端MCU采用TI公司的STM32F103RCT6作為控制芯片，通過串口與無線終端進(jìn)行串行通訊，監(jiān)測終端部分設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

3.2 無線終端硬件設(shè)計(jì)

無線終端部分采用由樂鑫公司生產(chǎn)的WIFI模塊Esp8266作為中央通訊處理芯片。該芯片為超低功耗32位微型MCU，內(nèi)置LwIP協(xié)議棧，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，使開發(fā)者不必關(guān)心底層網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)，只需要專注于網(wǎng)絡(luò)通訊相關(guān)函數(shù)配置就可以通訊成功，極大程度提升了開發(fā)速度。設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括五個(gè)部分：監(jiān)測程序設(shè)計(jì)、Web服務(wù)器配網(wǎng)設(shè)計(jì)、Web前端設(shè)計(jì)、Web服務(wù)器搭建設(shè)計(jì)和CGI控制程序設(shè)計(jì)。因?yàn)閿?shù)據(jù)交互是雙方相互作用的結(jié)果，所以Web前端設(shè)計(jì)和Web服務(wù)器設(shè)計(jì)要同時(shí)開發(fā)同時(shí)進(jìn)行。CGI控制程序的設(shè)計(jì)包括了定義前端和后端的接口規(guī)范，也是Web服務(wù)器搭建當(dāng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

4.1 監(jiān)測程序設(shè)計(jì)

STM32F103RCT6首先要完成初始化操作，如內(nèi)部Flash的初始化、串口的初始化、IO口的初始化以及DS18B20的初始化等。其次要完成對ADS1148的配置工作。為了提高獲取溫度的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)多路采集按照并行的方式進(jìn)行配置，本設(shè)計(jì)先對3片ADS1148的第一通道進(jìn)行配置，然后對二三四通道進(jìn)行配置，待所有ADS1148所有通道配置完成后再進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的讀取，溫度數(shù)據(jù)的讀取也按照通道一二三四的順序。

對ADS1148的配置由SPI通訊來完成，通過CS片選信號線來完成對ADS1148編號的選擇，通過SCLK時(shí)鐘信號線在一個(gè)時(shí)鐘交換一個(gè)數(shù)據(jù)位，通過MISO、MOSI來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全雙工的輸入或輸出。

4.2 Web服務(wù)器配網(wǎng)設(shè)計(jì)

Esp8266支持透傳模式，能夠把串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合TCP/UDP通信協(xié)議的IP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，這就滿足了該中央控制芯片能夠作為TCP Server的一個(gè)重要的必要條件。Esp8266同樣也可以理解為一種DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）。當(dāng)它在透傳模式下支持三種工作模式：串口轉(zhuǎn)STA、串口轉(zhuǎn)AP和串口轉(zhuǎn)STA+AP［11]。本課題需要建立Web服務(wù)器，所以要初始化并且調(diào)用STA模式，具體流程圖如圖4所示。

4.3 Web前端設(shè)計(jì)

Web前端設(shè)計(jì)包括用戶登錄驗(yàn)證設(shè)計(jì)，定時(shí)更新采集數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，提交配置指令設(shè)計(jì)等。提交的配置指令包括“K”、“T”、“J”，分別對應(yīng)不同測量環(huán)境下該溫度采集板所外接的K型、T型、J型熱電偶。

HTML（HyperText Markup Language，超文本標(biāo)記語言）是一種描述性語言，使用簡單的標(biāo)記符可以把其要表現(xiàn)的內(nèi)容交給瀏覽器按順序讀取，不需要編譯就可以直接執(zhí)行。HTML是Web技術(shù)的基礎(chǔ)和重要組成結(jié)構(gòu)，可以很方便地使用戶使用任何一種Web瀏覽器讀取，增強(qiáng)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

From表單通過可以使用戶輸入有效信息的表單域采集有效信息并且傳輸給服務(wù)器端所對應(yīng)的CGI腳本程序。在用戶登錄設(shè)計(jì)和提交配置指令設(shè)計(jì)中，F(xiàn)rom表單的action屬性分別配置為“l(fā)og.php”、“set.php”來明確數(shù)據(jù)發(fā)向何處。為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)指令配置，表單域使用下拉列表來定義有效的控制符。

JavaScript出現(xiàn)和使用有效地彌補(bǔ)了HTML的不足，滿足了靜態(tài)網(wǎng)頁無法實(shí)現(xiàn)的功能。HTML和JS腳本的有機(jī)結(jié)合可以很巧妙地實(shí)現(xiàn)實(shí)體溫度數(shù)據(jù)、相關(guān)配置指令的動態(tài)交互以及無線終端操作界面實(shí)體溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，達(dá)到動態(tài)網(wǎng)頁的效果，同時(shí)還能減輕服務(wù)器端的工作壓力。

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝裕瑴p少不必要的客戶端、服務(wù)器端通訊壓力，降低中央通訊芯片負(fù)載，使用XMLHttpRequest異步調(diào)用模式不必在每一次獲取有效溫度數(shù)據(jù)時(shí)都向服務(wù)器發(fā)送請求，就能夠連續(xù)地接收有效實(shí)體數(shù)據(jù)，達(dá)到了在不更新整個(gè)網(wǎng)頁的情況下只刷新多節(jié)點(diǎn)采集溫度數(shù)據(jù)的效果，同時(shí)提升了用戶的感官感覺。

4.4 CGI控制程序設(shè)計(jì)

CGI（Common Gateway Interface，通用網(wǎng)關(guān)接口）是運(yùn)行在服務(wù)器端獨(dú)立的運(yùn)行程序，由CGI接口標(biāo)準(zhǔn)編寫的應(yīng)用程序使服務(wù)器端具備了與靜態(tài)網(wǎng)頁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的能力，增加了應(yīng)答前端請求的豐富性，擴(kuò)展了服務(wù)器的功能。本設(shè)計(jì)中CGI的工作流程如下：1）瀏覽器提交From表單或者直接發(fā)送請求頭，并明確其URL所指的CGI控制程序；2）服務(wù)器端接收請求頭并判斷報(bào)文格式是否正確，解析出請求方式并且保存，然后執(zhí)行一個(gè)確定的CGI程序；3）CGI程序調(diào)用外部應(yīng)用程序，讀取SPI Flash中的HTML網(wǎng)頁源碼，格式化HTML文檔，然后返回給服務(wù)器；4）服務(wù)器將返回報(bào)文打包成HTTP 報(bào)文，然后發(fā)送給瀏覽器［12～14]。為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，本設(shè)計(jì)中將登錄驗(yàn)證提交From表單和提交配置指令使用POST方法。為了增加傳輸?shù)母咝裕肎ET方法獲取多結(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)采集信息。CGI工作流程圖如圖5。

圖5 CGI工作流程圖

4.5 Web服務(wù)器的搭建

搭建Web服務(wù)器首先要進(jìn)行Web服務(wù)器的初始化。Esp8266支持四種工作模式，分別是UDP Client、UDP Server、TCP Server和 TCP Client。我們需要Esp8266提供Web服務(wù)供客戶端訪問，同時(shí)鑒于TCP使用三次握手保證連接的無差錯(cuò)性，本設(shè)計(jì)選擇TCP Server模式。配置Web服務(wù)器的地址為在網(wǎng)路由所分配的IP地址，配置端口號為85以免與默認(rèn)端口號80發(fā)生沖突，方便將來對外網(wǎng)的映射。然后啟動TCP Server監(jiān)聽指定端口號，等待瀏覽器的請求。如果成功接收請求，則判斷請求格式是否正確，解析請求包，然后響應(yīng)瀏覽器發(fā)送返回包。最后請求結(jié)束并成功響應(yīng)后，斷開TCP連接并釋放動態(tài)內(nèi)存，防止內(nèi)存崩潰。

圖6 Web服務(wù)器工作流程圖

本設(shè)計(jì)中Web服務(wù)器的主要工作是解析外部瀏覽器發(fā)送過來的請求報(bào)文，通過標(biāo)準(zhǔn)接口指定CGI腳本程序處理，并將處理結(jié)果打包成Http報(bào)文發(fā)送給客戶端；不斷解析上傳的串口串行溫度數(shù)據(jù)包并且采用TCP長連接的方式局部刷新到前端頁面；解析并存儲提交的配置命令到本地，同時(shí)下行傳輸該配置指令到監(jiān)測終端。具體工作流程圖如圖6所示。

5 系統(tǒng)搭建測試

在嵌入式服務(wù)器中，目前制作的網(wǎng)頁燒入芯片有以下三種方法：第一，直接復(fù)制網(wǎng)頁，同時(shí)進(jìn)行某些格式上的轉(zhuǎn)化，這種方法很麻煩已經(jīng)被淘汰；第二，把制作的網(wǎng)頁轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制代碼，以數(shù)組的形式保存，這樣不便于維護(hù)與擴(kuò)展［15]；第三，直接把制作的網(wǎng)頁下載到指定的分配的SPI Flash中，調(diào)用時(shí)通過讀取Flash函數(shù)獲得已存儲的超文本，本設(shè)計(jì)使用的就是此方法。把編譯好的服務(wù)器端bin文件和前端HTML文件分別下載到芯片指定的用戶數(shù)據(jù)區(qū)（User Data）中，此時(shí)要注意下載的扇區(qū)地址要與軟件編譯時(shí)所要讀取的扇區(qū)地址的一致性。

圖7 系統(tǒng)遠(yuǎn)程PC終端操作界面

下載完成后給該溫度采集板供電，保證本采集板在已知WIFI網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)，等待數(shù)秒無線終端連接WIFI成功并初始化Web服務(wù)器成功。在同一局域網(wǎng)內(nèi)選擇任意一臺安裝有Web瀏覽器的PC或者移動手機(jī)，登陸指定的IP地址和端口號進(jìn)行驗(yàn)證。考慮到將來擴(kuò)展廣域網(wǎng)的安全性，防止非法用戶惡意訪問，則需要輸入正確的用戶信息登陸驗(yàn)證，如果驗(yàn)證正確，則會提示錯(cuò)誤信息。手機(jī)終端訪問情況與此相同，在此不做展示。通過配置端口映射，還可以在廣域網(wǎng)不限時(shí)間不限地點(diǎn)訪問。

6 結(jié)語

本文在分析復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境及其與不同類型熱電偶匹配性的基礎(chǔ)上，介紹了高集成特性的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片多節(jié)點(diǎn)溫度采集的設(shè)計(jì)；在介紹支持透傳模式和支持網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的WIFI模塊的基礎(chǔ)上建立了可靠的無線連接，免去了布線規(guī)劃和通訊協(xié)議定制的煩惱；在配置TCP server模式的基礎(chǔ)上搭建了嵌入式Web服務(wù)器，設(shè)計(jì)了CGI程序；在HTML和JS運(yùn)用的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了前端操作平臺，實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)更新和遠(yuǎn)程熱電偶配置。經(jīng)系統(tǒng)搭建和實(shí)際現(xiàn)場測試，在無線和遠(yuǎn)程的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了復(fù)雜環(huán)境下的寬測溫范圍、強(qiáng)適應(yīng)性、強(qiáng)應(yīng)用性等特點(diǎn)，非常適用于高低溫試驗(yàn)設(shè)備，也可用于治金、化工等場合。