Современные информационные технологии/Компьютерная инженерия
Хмельницкий национальный университет, Украина
О возможности построения универсального Web-сервера на Arduino для отображения информации и управления по TCP/IP сети
Рассмотрим построение web – сервера на микроконтроллере AVR (ATmega328) и Ethernet контроллере w5100 производителя WIZNET. На устройстве должна быть установлена SD карта памяти, на которой располагаются HTML файлы, файлы JPG и PDF. К серверу также должен быть подключен температурный датчик DS18B20 и мобильный телефон. При обращении к серверу по Интернет браузер должен отображать HTML документы, температуру в помещении, выполнять дозвон с подключенного к нему мобильного телефона на заданный мобильный телефон. Сервер также должен работать с концевым выключателем с целью возможности оповещения клиента через мобильный телефон при замыкании выключателя (например, при открытии входной двери помещения). Для изучения возможности решения такой задачи воспользуемся платформой Arduino[1].
Arduino - аппаратная вычислительная платформа, основными компонентам которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Плата Arduino состоит из микроконтроллера Atmel AVR (например, ATmega328 и ATmega1280) и элементной обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На каждой плате обязательно присутствуют линейный стабилизатор напряжения 5 В и 16 МГц кварцевый генератор. В микроконтроллер предварительно прошит загрузчик, поэтому внешний программатор не используется и прошивка выполняется с USB порта компьютера. Платы Arduino позволяют использовать большую часть I/O выводов микроконтроллера во внешних схемах. Например, в плате Arduino UNO (рис.1) доступно 14 цифровых вводов/выводов (уровни "LOW" -0В и "HIGH" -5В), 6 из которых могут выдавать ШИМ сигнал, и 6 аналоговых входов(0-5В). На рынке доступны несколько внешних плат расширения, известных как "shields".
Рис.1. Arduino UNO
Интегрированная среда разработки Arduino (рис.2) - это кроссплатформенное приложение на Java, включающее в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату. Среда разработки основана на языке программирования Processing, а язык программирования микроконтроллеров аналогичен языку, используемому в проекте Wiring. Здесь программы обрабатываются с помощью препроцессора, а затем компилируется с помощью AVR-GCC. Программное обеспечение включает много библиотек для работы с внешними устройствами.
Рис.2. Интегрированная среда разработки Arduino
Для функционирования web – сервера необходим контроллер Ethernet Shield W5100 (рис.3), который устанавливается с помощью разъемов на плате Arduino. Контроллер основан на Ethernet –микросхеме Wiznet W5100, которая также поддерживает стеки TCP/IP и UDP в IP-сети. Для создания программ, которые подключают Arduino к сети при помощи данного контроллера, используется библиотека Ethernet. Плата Ethernet Shield W5100 имеет стандартный разъём RJ-45 для подключения к сети.
Рис.4. Arduino Ethernet Shield W5100
Контроллер также имеет разъём для карт памяти типа micro-SD, которая может использоваться для хранения файлов. Разъем micro-SD доступен при помощи библиотеки SD Library.
Arduino осуществляет связь с W5100 и картой SD посредством шины SPI (через разъём ICSP, расположенный справа на рис.1). При использовании библиотек Ethernet и SD вывод № 10 платы Arduino(формирует сигнал SS шины SPI) используется для выбора W5100, а ввод № 4 - для карты SD. Эти выводы не могут быть использованы для другого ввода-вывода. Необходимо учитывать, что на плате Arduino Mega, аппаратный вывод SS № 53, не используется для выбора ни W5100, ни карты SD, но он должен быть сконфигурирован как вывод, иначе интерфейс SPI не будет работать.
Микросхема W5100 и карта SD разделяют шину SPI, поэтому одновременно они работать не могут. Если используются оба этих периферийных устройства в программе, следует использовать соответствующие им библиотеки. Однако если не используется ни одно из этих периферийных устройств, следует явно отключить их. Чтобы это сделать, необходимо сконфигурировать вывод платы № 4 для SD как выход и записать в него "1". Для W5100 необходимо сделать то же самое но для вывода № 10.
В работе представлена устойчиво работающая программа универсального web - сервера на Arduino UNO (ATmega328)[2] , которая отображает web - страницы с иллюстрациями и аппаратно с помощью реле сбрасывает сама себя примерно каждые две минуты, выполняет дозвон и считывает показания температурного датчика. Сброс необходим для выхода из "зависаний", которые наблюдаются при интенсивном обращении со стороны клиента. Такие "зависания" наблюдались на платах Arduino UNO и Arduino Mega. Анализ показал, что зависания возникают при передаче значительных объёмов данных при активном обращении к серверу как со стороны одного клиента, так и со стороны нескольких. Если web – страничка имеет размер в пределах одного Ethernet пакета, "зависаний" не наблюдалось. Анализ показал, что зависает контроллер Ethernet Shield W5100. Для обеспечения устойчивой работы сервера была использована библиотека VEduino[3] предназначенная для программирования счетчиков – таймеров. Согласно программе через определенный интервал времени выполнялось прерывание от таймера – счетчика 1. Управление передавалось функции обработки прерывания ISR(TIMER1_COMPA_vect). Каждое обращение к этой функции приводило к увеличению на единицу переменной s. Как только ее значение превышало 500, на 7-м выводе платы Arduino устанавливался высокий уровень, сигнал поступал на базу транзистора, который с помощью реле замыкал RESET микроконтроллера на “землю” (рис.4). В этом случае происходил аппаратный сброс всего устройства и если контроллер до этого "зависал", то после RESET работа всего устройства возобновлялась.
Сервер также с помощью датчика DS18B20 определяет температуру в помещении и передает ее браузеру после нажатия на ссылку "информация". При замыкании концевого выключателя, например при открывании входной двери, на выводе 5 платы Arduino дважды устанавливается высокий уровень, поступающий на вход транзистора, замыкающего реле два раза (рис. 4). Контакты реле подключены к кнопке мобильного телефона “поднять трубку”, после чего телефон дозванивается по последнему номеру, по которому он ранее дозванивался. Программа сервера также дает возможность принудительно выполнить дозвон при условии подключения к нему по адресу: http://192.168.1.100/tele.
Рис.4. Схема подключения к Arduino
Представленная ниже программа web - сервера имеет подробные комментарии, поэтому нет необходимости ее детального описания.
#include <SPI. h>
#include <SD. h>
#include <Ethernet. h>
#include <OneWire. h>
#include <ve_avr. h> // Библиотека VEduino для программирования
//счетчиков - таймеров
unsigned int potValue; volatile int s=0; OneWire ds(6);
byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED };
IPAddress ip(192,168,1,100); IPAddress gateway(192,168,1,1);
IPAddress subnet(255,255,255,0);
EthernetServer server(80); // Создаем сервер, слушающий 80 порт
File myFile;
float temp() // Функция определения температуры с датчика DS18B20
{
byte i; byte data[10]; byte addr[8]; float celsius;
ds. search(addr); ds. reset(); ds. select(addr);
ds. write(0x44,1); // start conversion, with parasite power on at the end
delay(1000); ds. reset(); ds. select(addr);
ds. write(0xBE); // Read Scratchpad
for ( i = 0; i < 9; i++) { // we need 9 bytes
data[i] = ds. read();}
int raw = (data[1] << 8) | data[0];
unsigned char t_mask[4] = {0x7, 0x3, 0x1, 0x0};
byte cfg = (data[4] & 0x60) >> 5; raw &= ~t_mask[cfg];
celsius = (float)raw / 16; return celsius;
}
void setup() {
pinMode(2,INPUT); // Сигнализация
digitalWrite(2, HIGH); // Сигнализация
pinMode(5,OUTPUT); // Telephone
digitalWrite(5, LOW); // Telephone
pinMode(7,OUTPUT); // Reset
digitalWrite(7, LOW); // Reset
Serial. begin(9600);
SD. begin(4); // Инициализация SD модуля и выборка SD 4-м выводом
Serial. print("Free RAM: "); // Распечатка свободной памяти SRAM
Serial. println(FreeRam());
pinMode(10, OUTPUT); // Установить SS вывод как выходящий
digitalWrite(10, HIGH); // Выключить чип w5100
// Запускаем сервер. Шлюз выбран 192.168.1.1, маска 255.255.255.0
Ethernet. begin(mac, ip, gateway, subnet);
server. begin(); // Ожидаем соединение на 80-м порту
// Настройка прерывания от таймера - счетчика 1
potValue = 65535;
DEV_TIMER1.setClockSelect(TimerW::Prescaler_64);// Тактовая
//частота - 16МГц / 64 = 250 кГц. Таймер-счётчик 1 будет
// увеличивать значение регистра TCNT1 на единицу
// каждые 4 микросекунды.
DEV_TIMER1.setWaveGenMode(TimerW::FastPWM_OCRA);// Таймер-
//счётчик 1 будет сравнивать значение регистров
// TCNT1 и OCR1A и когда они будут равны,
DEV_TICTRL1.outCompIntEnableA();// будет вызываться функция-
//обработчик прерывания TIMER1_COM
interrupts(); // Включить прерывания.
}
// Выбираем размер буфера 100 символов, где находится имя файла.
#define BUF 100
void loop()
{
if(digitalRead(2)==LOW) //Проверяем, сработал ли концевой выключатель
// на 2-м выводе
{
delay(500); // Даем задержку
if(digitalRead(2)==LOW) // И еще раз проверяем срабатывание
//концевого выключателя
{ digitalWrite(5, HIGH); delay(100); digitalWrite(5, LOW);
delay(1000);digitalWrite(5, HIGH);delay(100);
digitalWrite(5, LOW); delay(60000); }
}
char clientline[BUF]; char *filename=0; int index = 0;
// В программе выполняется чтение только первой строки
//заголовка от браузера. После ее чтения
// выделяется имя файла для чтения его с SD карты памяти,
//считывается этот файл, пересылается
// браузеру и после этого соединение закрывается.
//Весь запрос не анализируется.
EthernetClient client = server. available();
if (client) { // Если client=1, то существует соединение с сервером
// reset the input buffer
index = 0;
while (client. connected())//Если есть несчитанные данные то client. connected()=1
{
if (client. available()) //В client. available() хранится количество полученных
// символов от клиента
{
char c = client. read();// Посимвольное чтение данных с клиента
// Сбросить соединение, если пришел непонятный символ от клиента.
// Например, наблюдались зависания от браузера
// Safary (IPad 2), который посылал "непонятные" символы
if ( c==0x0A || c==0x0D ) goto aa;
if ( c<0x20 || c>0x7E ) break;
aa:
// Если символ от клиента правильный, записываем его в буфер
// Если идет чтение не новой строки, то продолжаем ее символы
//записывать в буфер.
if (c!= '\n' && c!= '\r') {
clientline[index] = c;
index++;
// Идем на продолжение считывать новый символ.
continue;
}
// Заканчиваем строку символом 0, если следующая
// строка новая ( получили \n или \r )
clientline[index] = 0;
// Распечатываем прочитанную строку.
Serial. println(clientline);
// Если запрос http://192.168.1.100/temp распечатываем на браузере температуру
if (strstr(clientline, "GET /temp") != 0) {client. println("HTTP/1.1 200 OK");
client. println("Content-Type: text"); client. println();
client. print("Temp="); client. print(temp());
// Выходим с цикла while
break;
}
// Если запрос http://192.168.1.100/tele то звоним
if (strstr(clientline, "GET /tele") != 0) {client. println("HTTP/1.1 200 OK");
client. println("Content-Type: text"); client. println(); client. print("Ring...");
digitalWrite(5, HIGH); delay(100); digitalWrite(5, LOW);
delay(1000);digitalWrite(5, HIGH);delay(100); digitalWrite(5, LOW);
// Выходим с цикла while
break;
}
// Если первая строка запроса клиента подобна этой GET / HTTP/1.1 то
// имя файла для чтения с SD карты - index. htm
if (strstr(clientline, "GET / ") != 0) { filename = "index. htm"; }
if (strstr(clientline, "GET /") != 0) {
// Если пробела после "/" нет, то определяем имя файла
if (!filename) filename = clientline + 5; Serial. println(filename);
// Просматриваем строку после "GET /" (5 символов),
//присваиваем filename
// все символы строки clientline, которые идут за 5-й позицией.
// Ищем " HTTP" в полученной подстроке и там где пробел,
//ставим "0". Строка,
// записанная в filename отрезается (т. е. удаляется HTTP/1.1).
char *fil;
fil= strstr(filename, " HTTP");
fil[0]=0;
// Окончательно распечатываем имя файла, который
// считывается с SD карты памяти
Serial. println(filename);
// Открываем файл
myFile = SD. open(filename);
if (!myFile ) { client. println("HTTP/1.1 404 Not Found");
client. println("Content-Type: text/html"); client. println();
client. println("<h2>File Not Found!</h2>");
break; }
// и передаем его содержимое браузеру вместе с заголовком,
//который формируется в зависимости
// от расширения файла
Serial. println("Opened!");
client. println("HTTP/1.1 200 OK");
if (strstr(filename, ".htm") != 0)
client. println("Content-Type: text/html; charset=Windows-1251");
else if (strstr(filename, ".jpg") != 0) client. println("Content-Type: image/jpeg");
else if (strstr(filename, ".pdf") != 0) client. println("Content-Type: application/pdf");
else
client. println("Content-Type: text");
client. println();
// Для ускорения чтения данных с SD карты чтение и передачу
// выполняем 64-байтными блоками
byte cB[64]; int cC=0;
while (myFile. available())
{
cB[cC]=myFile. read(); cC++;
if(cC > 63)
{ client. write(cB,64); cC=0; }
}
if(cC > 0) client. write(cB, cC);
myFile. close();
} else {
// everything else is a 404
client. println("HTTP/1.1 404 Not Found");
client. println("Content-Type: text/html");
client. println(); client. println("<h2>File Not Found!</h2>");
}
// Выходим из цикла while
break;
}
}
// Даем браузеру время для получения данных и закрываем соединение
delay(1); client. stop();
}
}
ISR(TIMER1_COMPA_vect) // Функция обработки прерывания
{
DEV_TIMER1.setOutputCompareA(potValue); // Установить значение
// следующего прерывания от переменной Val
s++; // После каждого прерывания увеличиваем s
if (s>500) { s=0; digitalWrite(7, HIGH);} // Примерно через 2 минуты
// идет обнуление Reset (с помощью релле)
// (аппаратный сброс)
}
Выводы.
1. Показана возможность на базе микроконтроллеров AVR построение универсальных web – серверов, позволяющих не только отображать достаточно большие объёмы информации, но и выполнять управление устройствами по TCP/IP сети, что характерно для микроконтроллеров.
2. Использование платформы Arduino значительно упрощает и ускоряет создание подобных достаточно сложных проектов из-за наличия увеличивающегося набора библиотек и достаточно дешёвых плат Arduino с минимальным набором электронных компонентов.
3. Обнаруженным существенным недостатком является нестабильная работа представленного здесь web – сервера, который периодически “виснет” при интенсивном к нему обращении. Анализ показал нестабильность работы именно контроллера w5100 совместно с его набором библиотек.
4. Недостатком также является довольно медленная совместная работа по шине SPI памяти SD и контроллера w5100. Несмотря на использовании в программе блочного способа чтения данных с SD, скорость передачи данных по сети не превышала 17.5Кбайт/с.
Литература.
1. Arduino. Официальный сайт. [Electronic resource]. - Mode of access: http://arduino. cc/ , 2013.
