原创 由W3100A构成嵌入式网关的家庭智能系统【转】

    关键词：W3100A 嵌入式网关 DNS DHCP

当今社会逐渐入网络时代，因特网已成为重要的基础信息设施。目前，大部分网络终端仍以PC的形式出现，但是从计算机应用普及的情况看，嵌入式系
统更为普及，过去大量的浩如烟海的8位/16位单片机的嵌入式设备，已经到了享受网络方便的时候了。近来的统计证明：PC机CPU的产量仅是MCU产量的
1/100，并且由于MCU的成本低廉，应用非常普及。在工业测控、智能仪器、智能家庭领域，MCU应用系统已无处不在。在这些场合中，以MCU为核心的
设备同样也需要解决接入因特网的问题。本文在分析嵌入式系统与常规计算机系统研发不同点的基础上，介绍一种新型家庭智能系统。

1 家庭智能系统的体系结构

家庭智能系统体系结构的总体框图如图1所示。从大的方面看，家庭智能系统可由三部分组成：家庭自动化外部接口模块、家庭自动化图像模块、家庭智
能化内部无线收发与控制模块。未来的家庭中，多件家用电器与各种报警器将组成一个家庭的内部网，并通过内部网的网关接入因特网。一方面，内部网中的家电可
以通过网关访问因特网上资源。如网络电视机每天早晨自动访问用户喜欢的某个电视台的网站，自动下载晚上的节目表。另一方面，用户可以在因特网任务一点通过
浏览器对家里的家用电器与报警器进行远程控制。如用户出门在外，可以在外地上网，通过浏览器，启动家里的摄像机实时监察家里的安全。家庭自动化内部无线网
模块要由消息处理模块和基于工频的无线收模块（NRF401）构成。它将成为Internet网的发展沃土，顺应“网络服务”向“网络应用”扩展的大潮。
本文主要介绍嵌入式网关，以及如何在远程访问具有静态或动态IP地址嵌入式网关的技术。

目前，国内外嵌入式网关的设计有二种方案：第一种方案，是基于软件来实现TCP/IP协议栈；第二种是直接利用TCP/IP协议栈芯片。本文介绍的嵌入式网关采用第二种方案，它由W3100A、RTL8201、MCU组成，如图2所示。

图2中，DLC为数据链路控制，MAC为媒体访问控制，IP为网际协议，ICMP为因特网控制报文协议，TCP为传输控制协议，UDP为用户数据摄协议，DPRAM为双端口存储器。

第一种方案在大批量生产时，具有成本低的优点，因为用软件设计的TCP/IP协议栈，是一次投交多次使用；但开始投次比较大且设计复杂，因为需
要实时操作系统的支持，而第二种方案，尽管在大指生产时成本高，因为每个智能设备都要嵌入TCP/IP协议栈芯片；但是在非大批量生产时具有投次比较大，
设计简单、灵活的特点，因为不需要实时操作系统的支持。本文采用的TCP/IP协议栈芯片是W3100A.它有如下特点：首先，它自带TCP/IP协议栈
（如TCP、UDP、Ipver.4、ICMP、ARP、DLC、MAC协议）；其次，它能同时支持四个独立的连接通道，具有高速传输速率（如网关的
MCU用Atmel
8951，那么网关的传输速率是200b/s；若用Intel386，那么网关的传输速率是3Mb/s）同时，它具有与MCU和物理层电路接口。从图2可
以看到；W3100A除了具有上述特点外，还提供了Socket应用程序编程接口，为那种需要进行因特网连接的智能设备，提供了一种简便、廉价、高效的方
案，只要将W3100嵌入智能设备就可以了。这样，大大减少了软件研发费用，减轻了MCU的工作量，同时便利该产品具有竞争力，并符合嵌入式系统设计原
则：①价格。由于嵌入式设备对价格非常敏感，通常要求价廉质优，故在设计产品时，在满足功能要求的情况下尽量降低成本。②环境。在功能要求满足的同时，要
考虑到该产品在恶劣环境下，能否正常工作，比如温度、电源功耗等等。③使用。用户在使用时，操作应尽量简单。

RTL8201是单口10/100Mb/s以太网收发器，超低耗和少于180mA/3.3V操作电压，支持全双工和半双工操作，提供一个LED
显示器指示一个网络回环存在。由于上述的优点，该嵌入式网关可以用在IP电话、网络MP3、网络相机和工业控制总线上。图3是嵌入式网关的原理图。

为了适应分组到达的随机性，系统必须具有能够从网络接口读取分组的能力，故本系统采用“软件中断”的机制。当一个分组到达时，产生一个硬件中
断，设备驱动程序接收分组重置接口设备。在中断返回之前，设备驱动程序会通知硬件安排下一个较低优先级的中断；在此次硬件中断结束后，低优先级的中断会继
续执行。下面结合“软件中断”的机制、动态主机配置协议（DHCP）和域名系统（DNS），来说明如何在远程访问具有静态或动态IP地址嵌入式网关的技术
（主要说明如何在远程访问具有动态IP地址嵌入式网关的技术）。在介绍该技术前，先介绍几个概念。

    （1）DHCP原理

当一台设置为自动获取IP地址的计算机在登录网络时，会向网络上发送“租”一个IP地址的请求，专门负责提供IP地址的DHCP服务器回应这个
请求，为这台计算机提供一个空闲的IP地址。DHCP的主要用途是：通过服务器的伺服进程协助来控管各个主机（执行中的用户端）上不可缺少的网络连线参
数。

(2)DNS

DNS（Domain Name
System，域名系统）是一种组织成域层次结构的计算机和网络服务命名系统，用于TCP/IP网络。它主要是通过用户亲切而友好的名称代替枯燥而难记的
IP地址，以定位相应的计算机和相应服务。DNS就是完成在名称和IP地址之间的映射。对于动态分配IP，做一个DHCP程序来绑定用户网关的MAC地址
和IP地址，然后再根据不同IP设定权限，防止IP地址盗用。

（3）HTTP协议的作用原理

WWW是以Internet作为传输媒介的一个应用系统，WWW网上最基本的传输单位是Web网络。WWW的工作基于客户机/服务器计算模型，
由Web浏览器（客户机）和Web服务器（服务器）构成，两者之间采用超文本传送协议（HTTP）进行通信。HTTP协议是基础TCP/IP协议之上的协
议，是Web浏览器来Web服务器之间的应用层协议，是通用的、无状态的、面向对象的协议。

图4 基于嵌入式网关的服务器与远程浏览器的请求与应答示意图

   
根据上述HTTP协议的作用原理，本文实现了基于浏览器/嵌入式Web服务器模式的家庭智能系统。首先初始化W3100ATRTL8201，通过UDP传
输DHCP报文，获取动态IP地址，再得到DNS服务器支持，由DNS服务器负责建立IP地址与域名（别名）映射；同时，创建进程负责IP地址与域名（别
名）映射更新，确保通过别名就可以访问该嵌入式设备。初始化完成后，远程浏览器就可以进行TCP链接了。建立TCP链接后，服务器等待远程浏览器的请求，
是一个被动的设备。当接收到建立TCP链接的请求后，来识别随后收到的来自远程客户机浏览器的数据包。通过软件中断，监听W3100A、等待、接受客户机
连接到RTL8201后，在W3100A体现出来的标志；创建与Socket字相关联的输入流和输出流；然后读取客户机的请求信息。在用户登录前，远程浏
览器必须获得存储在Flash内部的网页，由此才能进行登录和控制。GET为其请求数据包中的第一个词，表
示这个请求是用来接收Web资源的。该服务器仅对HTTP请求的第一行Get/home.html/HTTP.1进行检查和解释。因为除了数据外，所有响
应信息数据都是常量。服务器的响应数据包已经由程序定制好，存放在服务器中。响应的HTTP数据头和资源一起存放在Flash中。服务器与浏览器链接建立
后，服务器检查接收的请求数据，然后调用8051内部的程序模块，将相应的home.html发送给远程浏览器。Web页的存储范围为
0000H～7FF0H，大约32KB，而8字节的用户名和8字节的密码可以存放在外围Flash存储区未端。在处理浏览器提交的数据信息时，按照两个步
骤进行程序设计。首先，服务器根据远程浏览器传送过来的数据信息，决定服务器的HTTP服务的方式。其实，将Web资源发送给远程浏览器或使用函数来处理
浏览器提交的数据，并将此数据传递给消息处理模块。该消息处理模块根据所要控制设备类型查表，然后启动无线收发模块将表中的消息发送出去。每个智能设备根
据此消息启动相应的操作，并借助于设计合理的数据结构和函数实现软件设计。上述过程可用图4和图5形象地说明。

结语

本文介绍的嵌入式网关有很大的发展前途，它以以太网为通信媒介，利用嵌入式网关进行家庭内外信息交换；通过浏览器对家庭的各种信息进行实时、有效的管理和调度，为现代家庭生活提供智能服务。