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作者：山东理工大学 王守谦 侯金星 孙建东
指导教师：王建军

　　作品简介

　　一、研究目的
　　基于单片机的数据采集和控制技术目前已经得到了很好的发展，但对于在恶劣环境下的监测技术、多地域分布式数据采集技术等方面还存在很多难题，没有得到很好地解决。本研究中，我们将IAP15F2K61S2通过网络控制芯片接入互联网，通过编制单片机和服务器之间的网络通信协议，实现了通过数据中心网站来控制被控设备，并将由单片机采集到的测量数据实时存储到远端服务器数据中心。采用我们提出的解决方案，可以实现更加方便、快捷和高效的采集远程测量数据及控制被控对象，从而很好地解决了多地点测量及恶劣环境下的测量等难题。

　　二、系统说明　　

　　图1中，IAP15F2K61S2单片机开发板通过SPI总线与网络控制芯片ENC28J60相连，C语言编程通过模拟SPI时序的方式完成单片机与网络模块的通信，网络模块可通过固定IP或者DHCP的方式配置本地网络，然后再通过RJ-45双绞线接入路由器或其他上级网关设备，这样，只需要将其上级网关设备接入网络，单片机即可同时接入到以太网。
　　图2中，单片机接入到以太网以后，即可通过单片机编程操作温度传感器DS18B20采集到温度数据，然后将传感器数据通过HTTP请求的方式提交到远端托管的数据服务器，数据服务器会根据服务器端设定存储数据到MYSQL数据库，此时，用户可以通过任意可以上网的设备(手机、笔记本电脑、台式机电脑)查看数据报表;与此同时，用户也可以通过控制中心网站，打开远程控制操作页面，对单片机上的客户端设备进行操作，通过模拟开关操作，我们可以方便的操作本地浏览器控制机远程开关的开断。

　　三、实现功能及操作方法
　　1、功能：单片机设备接入以太网，将测量数据保存到远端数据服务器，用户可以通过本地浏览器间接控制接入网络的单片机设备。
　　2、操作：
　　(1)、注册数据中心账号，申请HTTP请求接口。
　　(2)、根据HTTP请求接口改写单片机程序，编译烧录。
　　(3)、将单片机在任意地点通过网络芯片接入以太网。
　　(4)、任意地点、上网设备打开数据中心网站管理你的单片机设备。

　　四、开发的作品图片
　　图3是由51单片机开发板开发的客户端，可实现本地被测对象的数据采集和控制技术。　　

　　这里我们通过一个5V转接3V的电源模块满足两个设备的供电需求，单片机P03~P07口通过杜邦线与网络模块相应SPI总线相连，网络模块通过RJ-45接口的双绞线连接路由器，路由器通过无线网络接入以太网，这样即可实现单片机客户端接入以太网。

　　平台选型说明

　　主要包括一些部件：
　　(1)单片机开发板(以STC15F2K61S2芯片为控制核心)
　　(2)网络模块(ENC28J60网络控制芯片)
　　(3)温度传感器(DS18B20温度传感器芯片)
　　(4)RJ-45接口双绞线(普通有线网络双绞线)
　　(5)LINUX VPS服务器(提供WEB服务和HTTP接口的远端数据中心服务器)

　　设计说明

　　一、设计方案：
　　硬件设计：片上资源至少2K RAM+16K ROM的51单片机，连接10M带宽的网卡模块，即可在任意地点，通过任意方式接入互联网。
　　使用方法：一旦单片机设备通过网卡模块接入网络，对于用户来讲，只需要到指定数据中心网站注册登录，并添加设备和传感器，即可获取API地址，查看API使用方法即可在单片机上编写对应设备的操作方法，这样，数据中心就成为了一个多用户的使用平台。

　　二、具体的设计内容
　　(一)单片机客户端系统接口图：　　

　　网络控制芯片的SPI总线接口与单片机P0口的高5位线相连，使用IAP15F2K60S2单片机模拟SPI总线时序，与ENC28J60通信，ENC28J60则通过与一个RJ-45接口通过普通双绞线接入到以太网网络中。
　　(二)、单片机和网络服务器的通信协议编程技术实现：
　　1.高性能的IAP15F系列单片机
　　IAP15F2K61S2单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机，是高速、低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，而速度快8~12倍，内部集成硬件高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口、2 KB EEPROM、A/D转换模块和MAX810专用复位电路。工作电压2.4~3.8 V，因此可用电池工作，并可长时间工作。器件在少于6 μs的时间内可以从低功耗模式迅速唤醒。IAP15F2K61S2的超小封装、高度集成、精简外部电路可设计出更小的节点，超低的价格可以大规模铺设传感器节点。IAP15F2K61S2单片机的这些特征，非常适合应用在对单片机性能有一定要求的网络应用中。 下图为单片机选型参考表　　

　　2.嵌入式TCP/IP 协议栈
　　UIP将TCP/IP协议栈的实现仅仅使用几百字节代码大小和RAM即可实现了TCP/IP协议栈的大部分常用功能，而传统的TCP/IP协议栈无论是代码容量还是内存占用上都需要大量硬件资源，因而无法使用在小型 8 或16位系统，UIP通过少量的代码实现了TCP/IP协议栈的一些基本功能，其中比如UDP、ARP，还有IP、ICMP和TCP协议，全部有几百字节的C语言代码编写实现。
　　本文经过对UIP协议栈的进一步优化，代码容量缩减到1.2KB之小，RAM占用更甚是缩减到了500B以内，这样就更加有利于充分利用IAP15F2K61S2单片机片上资源了。
　　3.UIP 设备驱动接口和网络应用接口
　　UIP 是一个仅包含三层网络层核心协议的协议栈，uIP 自身不包含任何类型的底层网络驱动和上层应用程序，它只提供接口函数供用户开发使用。因此为了完成与网络设备的交互，用户必须根据网络设备的类型，在uIP 中自行实现对底层网络设备的驱动。　　

　　具体的编程设计如下：
　　①　设备驱动接口编程
　　本次使用的硬件设备是IAP15F系列单片机和ENC28J60网络模块，获取UIP源码后需要将设备将ENC28J60的驱动程序与UIP的接口进行整合，具体操作如下：