廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 莫俊暉 許錦標(biāo)

利用STM32F103ZET6芯片作為硬件平臺(tái)，通過(guò)在基于嵌入式的PLC模塊中添加以太網(wǎng)模塊和HTTP協(xié)議層，構(gòu)建一個(gè)對(duì)嵌入式PLC模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)的WEB系統(tǒng)。

由于傳統(tǒng)PLC具有不方便拓展新模塊，而且成本較高等問(wèn)題，最近幾年已經(jīng)出現(xiàn)了許多基于嵌入式的PLC方面的研究。傳統(tǒng)PLC設(shè)備使用組態(tài)軟件來(lái)對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控或下載程序，然而傳統(tǒng)PLC在不同廠家之間使用不同的組態(tài)軟件，并且傳統(tǒng)PLC組態(tài)軟件無(wú)法應(yīng)用在新型嵌入式PLC上進(jìn)行監(jiān)控。

為了解決以上問(wèn)題，并為嵌入式PLC設(shè)備提供一種接入以太網(wǎng)的方式，本文在以STM32F103ZET6為核心控制器的嵌入式PLC模塊上增加HTTP協(xié)議層及WEB服務(wù)器的相關(guān)功能，使工程師可以通過(guò)瀏覽網(wǎng)頁(yè)的B/S方式對(duì)該嵌入式PLC的狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

1 基于嵌入式PLC模塊的WEB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該嵌入式PLC系統(tǒng)使用STM32F103ZET6作為核心控制器，主要包括STM32最小系統(tǒng)、輸入輸出電路、串口以及SPI等通信接口。該系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信部分使用以太網(wǎng)模塊W5500芯片完成TCP協(xié)議棧的功能，W5500以太網(wǎng)芯片通過(guò)SPI通信接口與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 基于嵌入式PLC模塊的WEB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本部分將對(duì)該模塊的軟件功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件功能包括硬件系統(tǒng)的初始化、通信接口處理、PLC指令執(zhí)行、WEB服務(wù)器等功能及網(wǎng)頁(yè)文件的設(shè)計(jì)。其中主要闡述WEB服務(wù)器的執(zhí)行過(guò)程和網(wǎng)頁(yè)文件的設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 基于嵌入式PLC模塊的WEB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 主函數(shù)流程示意圖

圖3 WEB服務(wù)器流程圖

2.1 主函數(shù)流程

系統(tǒng)主函數(shù)主要為一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，在每個(gè)循環(huán)中按順序執(zhí)行輸入輸出點(diǎn)位的刷新、PLC程序的執(zhí)行和WEB服務(wù)器程序等功能，如圖2所示。

2.2 WEB服務(wù)器程序

WEB服務(wù)器程序負(fù)責(zé)接收瀏覽器發(fā)送的HTTP報(bào)文，并根據(jù)報(bào)文 內(nèi)容做出響應(yīng)。HTTP協(xié)議是基于TCP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議，本文使用W5500以太網(wǎng)芯片完成TCP協(xié)議的傳輸，WEB服務(wù)器程序只需要按照HTTP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)SPI通信接口對(duì)從W5500中相關(guān)寄存器讀取的字符串內(nèi)容進(jìn)行解析處理即可。完成WEB服務(wù)器相關(guān)功能之后，STM32通過(guò)SPI通信接口將HTTP響應(yīng)報(bào)文寫入到W5500芯片的相應(yīng)寄存器中，由W5500芯片負(fù)責(zé)將報(bào)文返回到發(fā)起請(qǐng)求的瀏覽器中。如圖3所示。

2.2.1 HTTP報(bào)文的解析

超文本協(xié)議HTTP是一種基于TCP/IP通信協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議，常用于瀏覽器與服務(wù)器之間傳輸超文本文件。HTTP協(xié)議的請(qǐng)求報(bào)文包括請(qǐng)求行、報(bào)文頭和報(bào)文體。請(qǐng)求行中包括了請(qǐng)求方法、請(qǐng)求URL和HTTP協(xié)議版本，請(qǐng)求頭中包括服務(wù)器可以發(fā)送的編碼格式、報(bào)文體長(zhǎng)度等報(bào)文屬性信息。在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)嵌入式PLC模塊的WEB監(jiān)測(cè)功能，只需要關(guān)注請(qǐng)求方法和請(qǐng)求URL。

請(qǐng)求方法包括GET、POST、DELETE、HEAD、OPTION和PUT等，而在該系統(tǒng)中需要用到請(qǐng)求方法中最常用的GET方法和POST方法。GET方法主要用于瀏覽器向WEB服務(wù)器請(qǐng)求獲取數(shù)據(jù)，POST方法主要用于瀏覽器向WEB服務(wù)器提交數(shù)據(jù)，其中使用POST方法提交的數(shù)據(jù)會(huì)包含在HTTP協(xié)議的報(bào)文體中。請(qǐng)求URL是統(tǒng)一資源定位符，用于描述該報(bào)文所請(qǐng)求的資源在服務(wù)器中的位置，通常會(huì)指向一個(gè)HTML頁(yè)面或者一個(gè)圖像等文件。

當(dāng)該系統(tǒng)從W5500以太網(wǎng)芯片中以字符串的形式讀取到HTTP報(bào)文之后，WEB服務(wù)器程序通過(guò)對(duì)字符串進(jìn)行處理，提取和解析請(qǐng)求行中的請(qǐng)求方法和URL，可以得到該請(qǐng)求所指定的執(zhí)行動(dòng)作。

2.2.2 CGI程序

CGI是外部與WEB服務(wù)器之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)具體執(zhí)行HTTP的請(qǐng)求，執(zhí)行WEB服務(wù)器需要實(shí)現(xiàn)的功能，并按照?qǐng)?zhí)行結(jié)果生成網(wǎng)頁(yè)文件。在該系統(tǒng)中CGI是一段子程序的程序代碼。

當(dāng)系統(tǒng)解析HTTP報(bào)文獲得請(qǐng)求方法和URL之后，就可以確定該報(bào)文要求服務(wù)器所執(zhí)行的功能，得到瀏覽器向服務(wù)器請(qǐng)求何種數(shù)據(jù)。需要服務(wù)器執(zhí)行的CGI程序通常以文件路徑的形式在請(qǐng)求報(bào)文的URL中指定。根據(jù)接收到的URL，系統(tǒng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序，執(zhí)行該請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，包括查詢嵌入式PLC模塊的各輸入輸出點(diǎn)位狀態(tài)等。

然后CGI程序根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，生成HTTP響應(yīng)報(bào)文，通過(guò)SPI通信接口寫入W5500芯片的相應(yīng)寄存器，發(fā)送到發(fā)起請(qǐng)求的瀏覽器。HTTP響應(yīng)報(bào)文包括響應(yīng)行、響應(yīng)頭部和響應(yīng)體。響應(yīng)行和響應(yīng)頭部通常包含報(bào)文協(xié)議版本、狀態(tài)碼及狀態(tài)描述等信息，該系統(tǒng)將HTTP協(xié)議響應(yīng)行和響應(yīng)頭部以字符串?dāng)?shù)組保存起來(lái)。待CGI程序執(zhí)行完具體功能之后，根據(jù)執(zhí)行結(jié)果，在其中填充狀態(tài)碼及狀態(tài)描述等相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。最后將具體執(zhí)行結(jié)果或者嵌入式PLC模塊相關(guān)輸入輸出點(diǎn)位的數(shù)據(jù)填入網(wǎng)頁(yè)文件中生成對(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)作為響應(yīng)體，并且添加上HTTP響應(yīng)行和響應(yīng)報(bào)文頭部，合并為HTTP響應(yīng)報(bào)文，通過(guò)W5500芯片返回到發(fā)起請(qǐng)求的瀏覽器。

2.3 網(wǎng)頁(yè)文件設(shè)計(jì)

HTML是一種超文本標(biāo)記語(yǔ)言，是一種常用于編寫網(wǎng)頁(yè)文件的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記語(yǔ)言，HTML運(yùn)行在瀏覽器上，由瀏覽器來(lái)解析、渲染和執(zhí)行。由于在該嵌入式系統(tǒng)中沒有使用文件系統(tǒng)的相關(guān)功能，沒有文件的概念，所以網(wǎng)頁(yè)文件通過(guò)HTML語(yǔ)言編輯之后以字符串?dāng)?shù)組常量的形式保存到STM32芯片中。

在嵌入式PLC的WEB監(jiān)控系統(tǒng)中，工程師需要通過(guò)瀏覽器頁(yè)面對(duì)嵌入式PLC模塊的各個(gè)點(diǎn)位輸入和輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)需要實(shí)時(shí)返回嵌入式PLC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，所以需要在網(wǎng)頁(yè)文件中使用JavaScript網(wǎng)頁(yè)腳本每隔一段時(shí)間向WEB服務(wù)器請(qǐng)求相關(guān)的嵌入式PLC出入輸出數(shù)據(jù)。而這一過(guò)程將有大量時(shí)間花費(fèi)在等待服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)和返回?cái)?shù)據(jù)上，這將導(dǎo)致瀏覽器長(zhǎng)時(shí)間處在刷新的狀態(tài)。為了解決這個(gè)問(wèn)題就需要在網(wǎng)頁(yè)文件中使用AJAX技術(shù)，即異步的JavaScript和XML技術(shù)。它是一種瀏覽器的腳本技術(shù)，可以在不重新加載整個(gè)頁(yè)面的情況下，與WEB服務(wù)器交換數(shù)據(jù)并更新部分的網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容。利用AJAX技術(shù)向服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，瀏覽器將不再需要等待從WEB服務(wù)器中返回的數(shù)據(jù)，它可以在數(shù)據(jù)返回的時(shí)候再進(jìn)行處理。

并且通過(guò)AJAX技術(shù)向服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，可以只請(qǐng)求需要實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)，而服務(wù)器可以只返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)而不再需要返回整個(gè)網(wǎng)頁(yè)文件。這將大大提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩?jié)省了STM32嵌入式系統(tǒng)寶貴的運(yùn)行資源，同時(shí)WEB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也能夠得到保證。

結(jié)束語(yǔ)：本文分析了嵌入式PLC相關(guān)研究在目前存在的聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的主要問(wèn)題，并針對(duì)該問(wèn)題提出了一種解決方案。在基于STM32F103ZET6芯片的嵌入式PLC模塊的基礎(chǔ)之上增加了W5500以太網(wǎng)芯片，在嵌入式PLC模塊軟件中添加HTTP協(xié)議層和WEB服務(wù)器功能，為嵌入式PLC模塊提供一種接入以太網(wǎng)的方法，并且為工程師提供一種以B/S模式對(duì)嵌入式PLC模塊進(jìn)行監(jiān)控的方法。該解決方案使用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建，成本較低，客戶端使用瀏覽器，無(wú)需使用專用的組態(tài)軟件，利用現(xiàn)成的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，能夠大大降低系統(tǒng)組建的成本，并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)搭建的流程。