以太网远程监测运动物体的研究

第1页以太网远程监测运动物体的研究摘要：当今社会，人们的生活水平越来越高，城市生活的节奏也愈来愈快。特别是一线城市，一些景点和商圈的人流量会非常大。统计人流量以及对人流量的变化做出相应的应对措施，对商场的管理、公园和景点等地点的旅客流量监测等非常有益。对人流量的监测可以引申到对运动物体的监测上。本文基于STM32Cortex-M3芯片，利用以太网进行远程监控，详尽阐述了作者设计的超声波监测运动物体的系统设计，以及它的三大模块超声波模块、以太网模块和网页服务器的主要设计思想和实现方法，论文中着重研究超声波的生成、超声波模块布局的设计、LwIP协议栈的移植、TCP/IP协议的实现和DHCP协议的实现，对LMC6034IM、EM78P153和MAX232芯片作了详细的说明，说明和研究了声波的范围。在最后，论文还探讨了对该系统进行进一步开发的展望。关键词：DHCP，以太网，超声波，TCP/IP，LwIP第1章绪论第1.1节任务与目标以太网网络接口以太网中各个节点的通信基础，处于TCP/IP协议栈的数据链路层，是信息传递和管理的重要环节。本课题基于Cortex-M3芯片，运用以太网技术，将超声波监测到的信号实时传输给PC机，以达到远程监测的目的，实现以太网监测运动物体系统。要求完成以下工作：（1）、TCP/IP协议的实现。TCP是一种运输层协议，且它是面向连接的；每一条TCP连接只能像线段一样，有两个连接的端点。TCP提供可靠交付的服务；TCP提供全双工通信；面向字节流。（2）、网页的设计与实现。设计网页显示的界面，运用HTML语言，能够采集Cortex-M3传输过来的信号并且在网页中显示；WebSever可以向Cortex-M3拿取(GET)采集到的数据进行实时显示。如若可以扩展，可以写入动态脚本。（3）、DHCP协议的实现。DHCP协议有无操作系统的支持都可以运行。DHCP协议是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作。DHCP的UDP67和UDP68端口分别为第2页DHCPSever和DHCPClient的服务端口。由于该系统无需偏上OS操作系统的运动物体监测系统，所以本课题强调实时性、精确性和稳定性。实时性：系统必须实时的将运动物体监测数据发送到控制室，将实时的数据发送到电脑屏幕上。精确性：对运动物体的监测必须精确到位，以便商场等场所应对统计的人流量，避免造成不必要的损失。稳定性：当发生一些突发事件时，该系统会做出报警，要求该系统必须稳定，以免出现死机或乱报警现象，造成不必要的损失。第1.2节以太网IEEE802委员会的802.3工作组在1983年制定了IEEE的第一个以太网标准，为IEEE802.3。局域网的数据链路层拆分成了两个子层，即逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层和媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。如图1-1所示。局域网物理层LLC网络层MAC逻辑链路控制媒体接入控制物理层LLC网络层MAC站点一站点二数据链路层图1-1局域网对LLC子层透明MAC子层是属于数据链路层的下半部分，它主要负责与物理层进行数据交换，如是否发送数据、发送的数据是否正确、对数据流进行控制等。以太网MAC帧格式常用的有两种标准，一种是以太网V2标准，另一种是IEEE的802.3标准。如图1-2所示。图1-2以太网V2的MAC帧格式第3页IEEE对以太网上传输的数据包格式也进行了统一规定，该数据包被称为MAC数据包。MAC数据包由前导字段、帧起始定界符、目标地址、源地址、数据包类型、数据域、填充域、校验和域组成。如图1-3所示。前导字段SFDDASA类型/长度数据填充FCS（1）用于计算FCS461500426617被MAC滤除帧起始定界符（被MAC滤除）目标地址，例如组插、广播或单插地址源地址数据包的类型或数据包长度数据包的有效负载（和可选的填充字段）帧校验序列-CRC字节数字段注释图1-3MAC数据包格式LwIP是LightWeightInternetProtocol的缩写，是由瑞士计算机科学院AdamDunkels等开发的适用于嵌入式领域的轻量级TCP/IP协议栈。构成网络应用的软件有不同的结构，有B/S结构(浏览器/服务器)和C/S结构(客户端/服务器)。基于B/S结构的应用程序以网页形式存放于服务器上，通俗来说就是存在Cortex-M3里，用户运行应用程序时通过Web调用服务器也就是Cortex-M3的应用程序，并通过浏览器把结果显示给用户，用户只需要浏览器即可运行所有服务器中提供的应用模块。而基于C/S结构的软件需要针对不同的应用程序对客户端进行更改。本实验工程中的HTTP服务器是基于B/S结构的，而Telnet程序是基于C/S结构的。第1.3节TCP网络应用基于TCP协议的网络应用十分常见。TCP应用的服务器流程如图1-4，例如要把STM32作为网页服务器，其程序就是根据该流程编写的。第4页创建连接绑定IP和端口回调函数响应接收数据报监听连接通知接收到连接请求图1-4建立TCP应用流程当服务器开始监听连接时，客户端或浏览器就可以向服务器提出连接请求，然后服务器做出响应。利用LwIP编写的TCP类型应用程序，它在各个层次的处理过程如图1-5。APPlicationtcp_receive()tcp_process()tcp_input()netifinput()ip_input()tcp_write()tcp_enqueue()tcp_output()ip_output_if()ip_route()netifoutput()应用层传输层网络层（IP层）网络接口层图1-5TCP处理过程第1.4节DHCP协议在实际分配IP地址的过程中，为了方便，我们在客户端配置了DHCP协议。这样，服务器又变成了客户端，等待DHCP分配IP。DHCP协议，全称为动态主机配置协议(DynamicHostConfigurationProtocol)。该协议提供了一种特殊的机制，称为即插即用连网。第1.5节网页服务器HTTP是TCP协议的典型应用，客户端是终端用户，服务器端是网站5。利用LwIP编写的网页服务器是由main函数中调用的http_init()函数实现的。其中网页是用HTML语言在Dreamweaver环境下编写的。第5页第2章运动物体监测系统总体设计第2.1节运动物体监测系统总体结构框图从总体功能上看，运动物体监测系统主要由超声波检测信号、STM32、ENC28J60模块和网页服务器四部分组成。本章主要介绍各个模块系统的硬件设计，软体设计则在第四章介绍。系统的总体框图如图2-1所示。图2-1系统总体结构框图超声波模块采用了收发电路分开的方案,电路原理图如图2-2所示。103C105C95pFC12102610273O-2+3V4567890GNDULM6IR482/4759R1335R103R46873R109Q1NPGDLSGNDP5016723VD4/OSCIRT89N10234UEM82C763102R15C4GNDGD2RYHz1pGGND105C61036124PN103R582RQ2PNC1+V2-3456TOU7RIN890234GD56MAX10CGD0415NLS2图2-2超声波模块硬件电路原理图本次系统的设计是基于Waveshare公司的Open107v型开发板。其中，以太网模块采用了SPI通信协议，开发板上的是SPI2总线。以太网模块基于ENC28J60芯片，是一个独立的以太网控制器。该控制器与IEEE820.3标准兼容，集成了物理地址和10BASE-TPHY，有接收器和冲突抑制电路等。以太网模块硬件电路原理图如图2-3所示。第3章运动物体监测系统软体设计第3.1节软体流程图第6页软体流程图如图3-1所示。1234567890PSPI3.VGNDMIOCK3.VGNDITWOLRES12Y5MHz0pFXTAL.20pTL.C0XTAL.R1GNDCIOSUTD+1-2R3C45678G910Y+12314JNET_PORA150%VCAP1S2LKOUT3IN4W5S6I7C89RET10RX1PI-12+3BI4D15OU-617T8R920LO23SE2678EN8J60104C21043C1045.VGNDOSUTIDITMI2K1%R0uFCGND3.V10C63C7GNDNGD48.V30LED.R130.2ABN图2-3以太网模块硬件电路原理图开始系统嘀嗒时钟初始化初始化SPI总线初始化LwIP协议栈初始化网页显示程序LwIP定时轮询循环图3-1软体流程图第7页第3.2节初始化LwIP协议栈函数流程图LwIP协议栈包含了TCP/IP协议，DHCP协议和DNS域名解析系统等，其初始化程序流程图如图3-2所示。开始定义IP地址定义子网掩码定义网关调用LwIP初始化函数初始化网络接口结构体链表、内存池、pbuf结构体是否使用DHCP协议IP地址给0子网掩码给0网关地址给0IPv4给地址：8IPv4子网掩码：IPv4网关：初始化enc28j60与LWIP的接口参数为网络接口结构体、ip地址、子网掩码、网关、网卡信息指针、初始化函数、输入函数将ENC28J60设为默认网卡启动DHCPYN使能ENC28J50接口结束图3-2LwIP协议栈初始化流程图第4章系统调试第4.1节DHCP服务器设置早期的电脑中都有一个系统称为DOS系统。该系统中有一个指令叫做Ping命令，该命令也是一种通信协议，是TCP/IP协议的一部分。我们可以利用Ping命令检查我们的第8页网络是否畅通。如果Ping之后没有Ping通，说明网络通信有故障，需要修复。接下来在浏览器输入客户端地址03，进入系统主界面，进行运动物体监测，如图4-1所示。图4-1主系统界面结论以太网远程监测运动物体系统，有很大的晋升空间。在2015年CES国际消费类电子产品展览会上，奔驰推出的一款未来智能概念车系统中，对路上行人的监测来让车停止还是继续前行的控制和本课题的系统有些类似，在物联网领域，以太网远程监测也有很大的用武之地。所以，该系统的发展前景很广大。本次系统的实现现象表明，该系统运行稳定，实现了以太网的通信功能。此次的设计，成功完成了CM3与PC两者基于TCP/IP协议的通信，同时，IP地址的分配任务也是交给DHCP服务器完成的，形成了一个小范围的以太网远程监测系统。该系统如若再加上DNS域名解析系统，则可以连接入万维网，实行真正意义上的远程监控。在本系统的基础上，以后再加入片上系统，则该设计的编程将会变得更加灵活，有了系统的加入，内存的分配，进程的管理，也会变得更加方便，这是该系统以后扩展的目标。参考文献1.欧全梅.基于ARM核嵌入式微处理器的以太网应用J.现代电子技术,2006,(15).2.赵莲清,李海涛,王树东,金兴文.基于以太网的嵌入式远程电力自动抄表系统J.中国农村水利水电,2008,(6).第9页3.徐萍,卿粼波,李金平,何小海.基于ARM的温度采集与以太网传输系统的设计J.成都信息工程学院学报,2008,(4).4.杨啸宇,孙杰,熊瑛.基于STM32的无线传感器网关设计J.天津理工大学学报,2011,(2).5.于春雪.基于STM32F107的高速以太网接口设计与应用J.电声技术,2011,(9).6.于春雪.STM32F103的高速以太网接口设计J.单片机与嵌入式系统应用,2011,(9).7.陈聪.基于STM32的网络门禁控制系统设计D.苏州大学,2013.8.程子乾.基于Cortex-M3内核微控制器的嵌入式Web服务器的设计与实现D.云南大学,2012.9.肖军,韩党群,储海燕,毕杨.基于ARM的嵌入式TCP/IP协议的实现J.现代电子技术,2009,(2).10.姜韶军,陈少克