2014年05月21日

基于嵌入式Web的远程可控电源插座设计

  互联网的迅速发展,实现了信息的高速传输和资源共享,极大地方便了人们的生活。嵌入式系统广泛应用于各种电器产品、智能仪表和控制设备中,它与互联网的结合是一种必然的趋势。

  嵌入式系统和网络技术的快速发展,为网络远程控制的发展和完善提供了技术基础。

  笔者综合运用嵌入式系统和Web技术,设计了一种可通过互联网进行远程控制的电源插座系统,实现对家用或工业电器的远程实时控制。用户通过网页浏览器访问该系统,对各插座进行打开或关闭的操作,实现对与其相连接的电器的远程控制。

  嵌入式Web的体系结构如图1所示。客户端和嵌入式系统中Web服务器之间的通信协议采用HTTP(超文本传输协议)。嵌入式操作系统提供TCP/IP协议支持。嵌入式Web服务器提供静态网页,也可以通过CGI(Common GatewayInterface,公共网关接口)与后台程序或嵌入式数据库交互,进行数据访问或处理。

  嵌入式Web的工作流程如图2所示。嵌入式Web服务器的主要任务是接收客户端请求、解析客户端请求、响应客户端请求、向客户端回送请求的结果。客户端与Web服务器交换数据之前,首先用TCP/IP建立连接,服务器端程序建立TCP类型的Socket套接字;服务器在接收到用户端的请求后,解析客户请求的HTTP协议头,分析客户的请求,根据客户的请求做相应的处理并返回结果。

  文中设计采用ARM-Linux架构。ARM处理器县有小体积、低功耗、低成本、高性能等特点。嵌入式Linux操作系统内核精悍,运行所需资源少,十分适合嵌入式系统应用。

  嵌入式Web服务器实现对用户的身份验证、页面解析与交互,根据用户请求产生对电源插座的控制信号。存储器存放系统的程序和页面文件。

  控制模块实现对连接在市电AC220 V的插座各开关的“打开、关闭”操作,进而控制相连接的电器的工作。由于嵌入式系统使用的DC3.3V电源,且电流较小,控制模块须实现弱电对强电的控制。考虑到响应速度、电功耗、使用寿命等因素,控制模块设计选用光电耦合器和可控硅。控制模块可控制电源插座的4开关,其中一的电原理如图4所示。

  光电耦合器选用MOC3062,它集光电隔离、过零检测和过零触发为一体,可以自动检测交流电压的过零信息。可控硅选用Q4010NH5,是大功率开关型半导体器件,具有耐压高、容量大、体积小、无噪音等优点。

  ARM处理器的GPIO端口输出电平不足以使光耦元件U1(MOC3062)正常工作,需要信号放大。电阻R2和下拉电阻R3组成三极管电。当GPIO端口输出为高电平时,三极管T1(9013)导通,使电阻R1和光耦U1形成通,U1正常工作,GPIO输入信号得到放大,双向可控硅K1(Q401O NH5)的G控制端得到高电压,K1导通,插座220 V供电打开;当GPIO端口输出为低电平时,三极管T1截止,使电阻R1和光耦U1形成断。此时U1不工作,K1断,插座供电被关闭。

  在嵌入式Linux操作系统下,设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节。在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。

  文中使用GPIO口作为控制端口,每一位信息控制一个电源插座开关。以连接1号插座开关的GP10为例,说明其驱动程序的编写。

  将GP10定义为输出状态,并预设插座开关断开时输出0,此时GP10将输出0,输出低电平,并使图4中的三极管T1截止,光耦U1不工作,K1不导通,220 V供电断开;打开供电时,将GP10置1,即输出高电平,T1导通,220 V供电打开。

  本文选用了意法半导体公司基于ARM最新Cortex—M3内核的STM32F103RB作为主控芯片,通过选择合适的液晶模块,构建了一个高性能低功耗的中文人机界面系统。

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