基于Nut/OS的城市路灯远程控制系统的设计

【摘要】借助嵌入式web技术，通过B/S架构实现计算机远程控制路灯等设备已经变成现实。然而这样的实现往往需要将路灯的每一个控制节点作为一个web服务器，至少运行有简单的web服务功能。通常这样的系统不仅架构复杂，而且造价成本高。本文在此基础上提出一种基于Nut/OS的城市路灯远程控制系统，该系统将路灯控制节点和嵌入式web服务器进行分离。路灯控制节点只运行TCP/IP基本通信功能而没有web服务功能，嵌入式web服务器通过UDP通信来管理和控制各个路灯控制节点，远端计算机通过嵌入式web服务器管理路灯系统。该方案不仅实现远程管理和控制路灯，同时降低了系统的复杂度和硬件成本。

【关键词】嵌入式web；Nut/OS；B/S架构；路灯管理

1.引言

目前城市路灯远程控制系统流行C/S架构和B/S架构模式。C/S架构可靠，造价高，系统不方便维护。而B/S架构不需要监控计算机安装有特定的服务器软件和客户端软件，不需要专机专用，而且配置监控计算机位置不需要固定，只需要能与监控的路灯远端的web服务器网络相通，即可实现远程监控。因此B/S架构越来越流行。

然而，当前的B/S架构，往往都是监控区域里，一个路灯控制节点作为一个嵌入式web服务器处理，控制节点硬件不仅需要运行基本的网络通信协议TCP/IP，还要在此基础上运行web服务，以便远程监控PC机访问嵌入式网页进行相应的监控。这样的设计架构方便每一个节点的编程和控制，但是推高了系统的硬件成本，同时整个系统的软件架构复杂。

本文在现有架构基础上，将路灯控制节点的控制功能和嵌入式web服务功能进行分离，控制节点主要运行基本的TCP/IP通信协议和路灯控制和信号采样，从而实现简化控制节点的电路。嵌入式web服务器主要运行web服务功能，对远端的PC机提供相应的web服务。嵌入式web服务器的路灯管理和控制室数据，是通过UDP协议与控制节点进行数据交换，通过UDP对控制节点进行控制操作。该方案降低了硬件资源需求，从设计可靠上，采用内核小巧的Nut/OS作为操作系统。

2.Nut/OS介绍

Nut/OS是一款开源的优秀的嵌入式系统，适合在硬件资源不是很充裕的控制系统里应用。Nut/OS实时操作系统包括Nut/OS实时内核和Nut/Net协议栈，除了非常少量与硬件相关的源代码使用汇编语言编写外，剩下的都是使用C语言编写的，具有很高的可移植性。Nut/OS实时内核是一个相对独立的组件，可以单独分拆出来当作一个小型实时操作系统使用，也可以很容易地移植到其他MCU上。

Nut/OS提供了I/O管理功能，不仅包含了大多数应用所需的I/O接口API函数，如文件管理系统、串行通信驱动、网络驱动、声卡和显示驱动等。更重要的是它和免费的TCP/IP协议栈，NUT/NET无缝集成，NUT/NET除了支持ARP、IP、ICMP、UDP和TCP等协议外，还支持DHCP、PPP、DNS和HTTP用户协议，是8位MCU中支持协议最多的免费TCP/IP协议栈。

3.远程控制系统的系统架构设计

当前，很多的B/S路灯控制系统架构如图1（a）中所示，即控制节点是通过嵌入式web实现对路灯的监控，然后通过交换机连接到监控中心。该架构增加了控制节点的硬件成本。本文的架构体系在此基础上，进行改进，如图1（b）所示。

改进的架构体系中如图1（b）所示，将嵌入式web服务器从原来的各个控制节点抽出来单独作为一个模块，与远程监控中心的计算机机进行交互。

在硬件设计上，嵌入式web服务器资源相对充裕些，它一方面与远程监控中心进行web服务交互，一方面它与路灯控制节点进行UDP通信，对路灯控制节点进行相关的操作和控制。由于控制节点只要运行基本的TCP/IP通信协议，不需要运行web服务功能，大大降低的控制节点对硬件的要求，可以用低成本的芯片组来实现。

同时，由于路灯的采样和控制的内容不多，采用低速的网络的芯片组足以满足系统性能的要求，而且可靠，降低了系统的软件、硬件复杂度。

4.远程控制系统的硬件模块设计

4.1 嵌入式web服务器设计

嵌入式web服务器的硬件设计CPU采用LM3S8962，该芯片是德州仪器（TI）公司提供基于ARM CortexTM-M3的控制器，它们为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。芯片内部集成了256kB的单周期flash，64kB单周期访问的SRAM，芯片的内存和flash足够运行Nut/OS系统。而芯片的价格和中端的8/16位芯片差不多。内部集成的资源也很丰富，包括10M/100M以太网控制器等。

由于该芯片已经集成了以太网控制器MAC层和物流层PHY，所以不需要外接其他以太网控制器比如CS9000、RTL8019等。只需要芯片引脚TXOP/TXON、RXIP/RXIN引脚外接网络变压器然后通过RJ45网口即可实现对外的网络连接。

4.2 控制节点电路设计

控制节点由于不需要运行web服务功能，所以只需要能运行基本UDP通信功能即可。因此采用mega16芯片作为控制几点的CPU，通过外接ENC28J60实现与web服务器的通信。ENC28J60与CPU通信接口SPI，而Mega16自身就集成了SPI接口，从而大大简化控制节点网络接口的设计。

5.远程控制系统的软件模块设计

嵌入式web服务器，其主要功能是对远端监控PC提供web服务功能，对控制节点，要进行相应的控制。所以嵌入式web服务器运行了相应的远程管理网页，远端通过访问页面实现对系统的管理。应用层运行两个服务任务，一个任务是web服务，对外提供网页输出和获取相应的web输入内容，并根据http协议获取相应的输入后，执行相应的操作。当远端请求操作控制节点时，web服务通过CGI执行与节点UDP通信程序，对控制节点发送相关的消息实现对控制节点相关的硬件控制，比如路灯的打开和关闭，路灯状态的检测等等。

控制节点主要执行web服务器发送来的命令，并根据相应的命令执行后，把结果返回给web服务器。由于控制节点只运行基本的UDP通信，而且通信数据量不大，所以对Nut/OS进行裁剪，只保留基本的任务管理和TCP/IP协议栈，在这基础上，增加一个UDP应用任务。该任务接收来自web服务器的命令，并将相关的命令翻译成相关的动作并执行。主要执行的web服务器发来的开灯、关灯、电流/电压采样。并将执行的结果通过UDP方式传给web服务器。

整个路灯远程控制系统软件模块架构如图2所示。

远端计算机（或PC机）通过http协议访问嵌入式web服务器，执行相应的web操作后，web服务器将操作转换为相应的命令，并通过调用CGI接口来启动UDP服务器程序，UDP服务器程序将相关的操作命令通过UDP的方式发送给控制节点。控制节点的UDP应用程序接收到相关的UDP报文后，将其翻译为具体的操作命令，操作命令通过调用相应的I/O控制函数，实现对路灯的开、关控制以及相关的环境数据的采集，并将执行的结果通过UDP方式发回web服务器。Web服务器收到相关的反馈结果后，对web页面的相关控制条目进行响应和修改，然后把修改的结果传回给远端的监控PC机。

6.结束语

本文介绍了基于Nut/OS的远程路灯控制系统B/S软件架构和硬件实现方法，该方案在原有的B/S控制系统架构上进行改进，将嵌入式web服务器和控制节点控制电路分离，简化了系统架构，尤其是简化了控制节点终端的软件体系，同时降低了设备的硬件成本。

当然，该方案降低了硬件性能和实现成本，但增加了一定的软件设计难度，主要的难点在Nut/OS的裁剪后运行于控制节点的处理上。总体上，该方案同时降低了整个系统的软件复杂度和硬件复杂度，仍然利大于弊。

参考文献

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作者简介：潘承毅（1981―），男，贵州剑河人，助教，主要研究方向：计算机应用和嵌入式系统。