Встроенный веб-сервер с использованием процессора ARM

Встроенный веб-сервер представляет собой комбинацию встроенных устройств, таких как микроконтроллер, микропроцессор и т. д., а также интернет-технологий. Основная цель использования встроенных устройств заключается в том, что к ним можно получить доступ, контролировать и управлять ими через удаленные устройства через Интернет [3]. В этой статье представлен проект встроенного веб-сервера с использованием процессора ARM920T. Сервер реализован на Visual Basic (VB) с использованием Active Server Page (ASP) [5]. После успешной разработки сервера его пересаживают на процессор ARM. Windows Embedded Compact (WIN CE) — операционная система, используемая в процессоре ARM, специально разработанная для встраиваемых систем [1]. Существующий метод проектирования веб-сервера включает в себя программу Java, которая успешна только if, требования удовлетворяются [2]. Основными препятствиями при использовании сервлета Java являются необходимость установки содержимого подключаемого модуля Java как на клиенте, так и на сервере, веб-сервер не является динамическим и, следовательно, он просто обменивается данными с клиентом, конфигурация программы Java сложна, и ее трудно изменить [2]. В этой статье представлен взгляд на преодоление этих недостатков Java-апплета с помощью встроенного веб-сервера.  AVR ATmega324 — это микроконтроллер, который используется для управления беспроводной связью между процессором ARM и клиентом [4].

Введение

Встроенная система — это устройство, обладающее компьютерным интеллектом и предназначенное для выполнения одной задачи или группы связанных задач [3]. Встроенные системы часто выполняют функции мониторинга и управления, такие как сбор и отчетность о показаниях датчиков или управление двигателями и переключателями [3]. Веб-сервер — это система, которая размещает веб-сайты и предоставляет услуги любым запрашивающим клиентам. Веб-сервер общего назначения состоит из операционной системы, веб-страниц или веб-приложений, огромного объема памяти, а иногда и специального оборудования. На рис.1 представлена простая схема встроенного веб-сервера.

Встроенный веб-сервер представляет собой сочетание встроенного устройства и интернет-технологии, которое обеспечивает гибкую функцию удаленного мониторинга и управления устройством на основе интернет-браузера и стало передовой тенденцией развития встроенных технологий [3].

Существующая система

В существующих системах ПК является центральной частью системы удаленного мониторинга. Проект может сократить цикл разработки с помощью зрелых инструментов разработки на платформе ПК. Цель веб-сервисов заключается в создании распределенной среды, в которой любое количество приложений или компонентов приложений может беспрепятственно взаимодействовать между организациями независимо от платформы и языка. Такое взаимодействие раз и навсегда вносит неоднородность в мир распределенных вычислений. На рис.2 показана существующая система.

В процессе веб-сервиса участвуют два компьютера, один из которых действует как браузер, а другой — как сервер для клиента. Клиент сначала отправляет запрос на основе необходимой ему информации через Java Servlet [2]. Java-сервлет — это специальный протокол, который преобразует машинный язык в язык программ Java. Запрос отправляется на веб-сервер через Интернет. Веб-сервер также представляет собой персональный компьютер, содержащий Java-сервлет для расшифровки запроса и передачи ответа клиенту [2].

Препятствия с JAVA-сервлетами

Java — один из наиболее часто используемых языков программирования для разработки корпоративных приложений и приложений электронной коммерции.  Язык программирования Java предлагал нейтральную к платформе альтернативу, позволяющую разработчикам программировать объектно-ориентированные приложения независимым от платформы способом. Хотя языки программирования, такие как C и C++, были достаточно гибкими для разработки множества сложных приложений, им не хватало базовой архитектуры для интеграции требований программирования в Интернете. Сервлет Java пытается удовлетворить эти потребности на уровне инфраструктуры [2]. Используя Java-сервлет, можно легко контролировать сервер независимо, а также возможны запросы и ответы для нескольких клиентов. Он также обеспечивает правильный баланс нагрузки между клиентом и веб-сервером [2]. Хотя он имеет много преимуществ по сравнению с другими протоколами программирования веб-серверов, он также имеет несколько конфликтов, упомянутых ниже:

1. Нагрузка на обслуживание сервера будет тяжелой, поскольку Java-сервлет должен быть установлен на каждом удаленном терминале [2].
2. Он просто обменивается данными с веб-сервера клиенту и не предоставляет никакой дополнительной информации на основе запроса клиента [2].
3. Сервлету Java требуется подключаемый модуль Java, который сложен в настройке. Следовательно, сложно изменить содержимое Java-сервлета [2].

Предлагаемый метод

В этом документе представлен проект встроенной системы веб-сервера, с помощью которой можно управлять и контролировать удаленное устройство. Сервер реализован на этом процессоре. 32-разрядный процессор Advanced RISC Machine (ARM) имеет мощный полный набор инструкций, кэш инструкций 16 КБ, кэш данных 16 КБ, блок управления полной памятью, буфер записи [1]. Дружественный процессор ARM, также известный как мини-процессор S3C2440, представляет собой полноценный миникомпьютер. Он поддерживает операционные системы Linux и Win CE. Предлагаемый дизайн основан на операционной системе Win CE.net 5.0. Сервер реализован на ASP, что позволяет решить проблемы, возникающие при использовании Java-сервлета [5]. После успешной реализации сервера на плате mini2440 эту серверную систему можно использовать для мониторинга и управления удаленным устройством. Плата расширения датчика используется для отправки беспроводного сигнала с сервера на устройство. Для беспроводной связи к каждому устройству присоединяется RF-модуль, который постоянно отправляет данные об устройстве на сервер через плату расширения датчиков. Плата расширения датчика на базе AVR ATmega324, поскольку она имеет два UART, один порт UART подключен к процессору ARM, а второй порт подключен к RF-модулю [1]. Частота ВЧ модуля 433 МГц. Датчик LM35 используется в каждом радиочастотном модуле [4]. Он измеряет температуру окружающей среды. Температура используется в качестве порогового значения. На основании этого порогового значения устройство будет включаться или выключаться. Каждый ВЧ-модуль управляется микроконтроллерами AVR AT mega 8 [4].

Системный компонент

В конструкции, описанной в этой статье, применяется 32-битный микропроцессор ARM MINI2440, ядром которого является ARM920T. Плата разработки MINI2440 основана на микропроцессоре Samsung S3C2440 [1]. Его PCB имеет 4-слойную плату и оснащен профессиональной проводкой одинаковой длины, обеспечивающей целостность сигнала. Макетная плата MINI2440 оснащена широким набором разъемов, интерфейсов и портов [1]. На рис. 3 показаны общие порты Samsung S3C2400.



Ключевая технология, использованная для реализации

Частота Samsung S3C2440AL составляет 400 МГц и может достигать 533 МГц в максимуме [1]. В соответствии с режимом внутренней цепи. Для кристалла выбрано 12МГц. JTAG (Joint Test Action Group) — это международный стандарт протокола тестирования. Моделирование программного обеспечения, одноэтапная отладка и загрузка u-boot могут осуществляться через порт JTAG, это простое и эффективное средство разработки и отладки встроенных систем. Емкость SDRAM в системе составляет 64 МБ, рабочее напряжение 3,3 В, шина данных 32 бита, тактовая частота до 533 МГц. Поддерживаются как автоматическое обновление, так и самообновление [1]. Для поддержки загрузчика в NAND Flash в SDRAM предусмотрен буфер с именем Steppingstone. При запуске системы первые 4 КБ содержимого NAND Flash загружаются в Steppingstone и выполняются. При запуске кода содержимое NAND Flash обычно копируется в SDRAM. Данные в NAND Flash проверяются при использовании ECC. Основная программа будет выполнена SDRAM после завершения копирования. S3C2440AL UART предоставляет три последовательных порта ввода-вывода, каждый порт может работать в режиме прерывания или DMA [1]. UART может поддерживать максимальную скорость передачи данных 115,2 Кбит/с при использовании системных часов. Каждый канал UART для приемника и передатчика включает два 64-битных FIFO. Веб-сервер реализован на этой платформе. В предлагаемой работе веб-сервер используется для управления и мониторинга удаленного устройства. Для обеспечения удаленной связи с устройствами плата расширения датчиков подключается к плате mini2440 через порт COM1 со скоростью передачи данных 2400 бод с использованием стандарта последовательной связи RS232 [1]. В плате расширения датчиков AVR используется микроконтроллер ATmega324 для обеспечения беспроводной связи через радиочастотный модуль [4]. AVR представляет собой 8-битный однокристальный микроконтроллер (μC) с модифицированной гарвардской архитектурой, разработанный компанией Atmel в 1996 году. AVR ATmega 324 — это 8-битный (μC) микроконтроллер с двумя портами UART. В предлагаемой конструкции используются оба порта, один порт подключен к плате mini2440 для связи с веб-сервером, другой порт подключен к RF-модулю [4]. Частота радиочастотного модуля составляет 433 МГц. Расширение датчика действует как контроллер для удаленного устройства. На каждом устройстве реле используется для включения или выключения устройства switch [3]. Каждое устройство управляется через микроконтроллер ATmega 8. К PORT D AVR ATmega 8 (μC) подключается ВЧ-модуль, а к PORT B устройство подключается через реле [3].



На рис.4 показана блок-схема создания динамической веб-страницы и активации удаленных устройств путем назначения параметров управления в ASP.NET. Программа мониторинга платы расширения датчиков и программа мониторинга платы mini2440 составляют компоненты программного обеспечения системы. Центр управления, процессор ARM920T, использует в качестве операционной системы Win CE. Таким образом, его ядро ​​можно уменьшить и оно занимает небольшую часть системной памяти. Языками разработки системной программы являются ASP (Active Server Page), VB (Visual Basic), а в процессе разработки использовалась среда разработки Microsoft Visual Studio-2008. Программа мониторинга включает в себя программу сбора, обработки, отправки и получения информации и программу отображения информации. Он имеет следующие две основные функции: 

i) Связь с платой расширения датчиков, включая данные об окружающей среде в режиме реального времени, считывание, управление параметрами и т. д. 

ii) Хранение, обработка и отображение данных, связь с удаленным устройством через плату расширения датчика 

В программе сбора информации сначала открывается последовательное устройство, выполняется инициализация простого последовательного порта и устанавливается скорость передачи данных и другая информация, которая обеспечивает последовательную связь между сервером на базе S3C2440 и платой расширения датчика. Затем, считывая последовательные данные, данные, собранные датчиками, будут сохранены в S3C2440, а сервер обработает эту информацию и отправит ее на удаленные устройства с помощью программ обработки и доставки информации. 

За отображение параметров управления отвечает программа отображения информации, которая разработана с использованием кроссплатформенной GUI. Программа отображения информации отделена от других, поскольку она продолжает считывать такие параметры, как температура, с удаленного устройства и постоянно обновлять температуру. Если полученная температура больше или равна минимальному пороговому значению и меньше или равна максимальному пороговому значению, устройство включится, в противном случае устройство выключится. К каждому устройству подключен радиочастотный модуль, который постоянно отправляет информацию на плату расширения датчика. 

Архитектура системы

Представлена системная архитектура системы встроенного веб-сервера, которая управляет и контролирует удаленные устройства. В системе используется 32-битный RISC-процессор Samsung S3C2440 с различными функциями и периферийными устройствами. Он основан на ядре ARM 920T и поддерживает встроенные Linux, WinCE, VxWorks и другие встроенные операционные системы. В системной архитектуре представлена ​​система встроенного веб-сервера, которая управляет и контролирует удаленные устройства. В системе используется 32-битный RISC-процессор Samsung S3C2440 с различными функциями и периферийными устройствами [1]. Он основан на ядре ARM 920T и поддерживает встроенные Linux, WinCE, VxWorks и другие встроенные операционные системы [1]. В этой статье операционная система Win CE трансплантирована на процессор S3C2440. Аппаратное обеспечение системы состоит из четырех частей: 

• Первая часть — ядро архитектуры на базе процессора ARM 920T. Операционная система Win CE.net5.0 пересажена на плату mini2440 на базе ARM. Пользовательский интерфейс разработан по технологии ASP (Active server page). После этого веб-сервер пересаживается на ARM-процессор S3C2440.
• Второй частью архитектуры системы является плата расширения датчиков, основанная на микроконтроллере AVR ATmega324. Он имеет специальную функцию сброса питания при включении. Он связан со встроенным веб-сервером через последовательный интерфейс RS232 и отправляет информацию об удаленных устройствах на веб-сервер.
• Третьей частью системной архитектуры является модуль беспроводной связи. В этом модуле удаленные устройства подключаются к плате расширения датчиков через радиочастотный модуль. Радиочастотный трансивер отличается от обычного беспроводного трансивера для вещания небольшими размерами, низким энергопотреблением, поддержкой устройств с батарейным питанием. Радиочастотный трансивер в основном отвечает за модуляцию, демодуляцию, отправку и прием сигнала. Он в основном используется для обработки радиочастотных сигналов, управления, координации всех частей устройства и связи с внешними устройствами через последовательный порт.
• В четвертой части система встроенного веб-сервера будет подключена к локальной сети или Интернету через интерфейс Ethernet. На клиентском ПК удаленный пользователь может получить доступ к информации удаленных устройств через веб-страницы, которые будут передаваться веб-сервером. Система основана на архитектуре браузер/сервер.

На рис.5 показана архитектура системы, которая используется для создания встроенного веб-сервера с использованием процессора ARM.



Схема реле



На рис.6 показана схема реле, используемая для включения switch и выключения switch электрического устройства с использованием npn-транзистора. Плата расширения датчика действует как посредник между удаленным устройством и сервером. Он получает весь запрос от сервера и на основе этого запроса пересылает его на радиочастотный модуль, подключенный к удаленному устройству. На основании полученного запроса реле срабатывает, и устройство включается или выключается. Беспроводной сенсорный узел управляется микроконтроллером AVR ATmega8 [4]. Это 28-контактная микросхема. К порту D подключен RF-модуль (RF-трансивер), а к порту B подключено реле. Через реле подключено электрическое устройство. На рисунке показана внутренняя структура реле [3]. Когда отмеченная температура превышает максимальную пороговую температуру, реле действует как короткое замыкание и замыкает путь между устройством и основным switch [3]. Устройство будет включено. Если отмеченная температура ниже минимальной пороговой температуры, то транзистор будет смещён в обратном направлении и будет действовать как разомкнутая цепь [3]. Следовательно, устройство через реле будет выключено [3].

Заключение

В этом документе представлена конструкция системы встроенного веб-сервера, с помощью которой можно управлять и контролировать удаленные устройства. В статье представлена ​​система, с помощью которой можно управлять и контролировать любое электрическое устройство. В различных интернет-приложениях, основанных на архитектуре клиент-сервер, лучше использовать встроенный веб-сервер, отличный от сервера ПК, что снижает объем, стоимость и энергопотребление. Система удаленного мониторинга на базе встроенного веб-сервера. Этот дизайн позволит преодолеть недостатки Java Servlet [2]. Вместо Java Servlet для разработки пользовательского интерфейса используется Visual Basic [5]. Пользователь может контролировать, отслеживать и диагностировать проблемы с удаленными устройствами. В основе конструкции лежит операционная система ARM-Win CE [1]. Вместо использования компьютеров для создания веб-сервера мы можем использовать простую встроенную систему с процессором ARM, что значительно снизит стоимость и уменьшит сложность. Разработанная система применима в промышленности, исследовательских, образовательных учреждениях и т. д. Вся система имеет низкую стоимость, хорошую открытость и мобильность, ее легко обслуживать и обновлять. Внедрив эту встроенную систему, можно заменить персональные компьютеры, поскольку общая стоимость создания встроенного веб-сервера снизится на 50 процентов. Следовательно, используя технологию встроенного веб-сервера, можно значительно сократить энергопотребление, время и рабочую нагрузку на человека. 

Ссылки

1. Основы микропроцессора ARM, «ВВЕДЕНИЕ В ПРОЦЕССОР ARM», Embeddedcraft.
2. Субраманьям Алмараджу, «ПРОГРАММИРОВАНИЕ JAVA-СЕРВЕРА».
3.  Скотт Р. Литтл, «Проектирование встраиваемых систем».
4. Дхананджай В. Гадре, «ПРОГРАММИРОВАНИЕ И НАСТРОЙКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА AVR».
5. Эндрю Дж. Беннистон, «ВИЗУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ДЛЯ ASP.NET».