Современные информационные технологии/Компьютерная
инженерия
Мясищев А.А.
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.