Материал: Создание системы Internet управления на базе микроконтроллера

Создание системы Internet управления на базе микроконтроллера

Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

Кафедра ИС

Реферат на тему дипломной работы

«Создание системы Internet управления на базе микроконтроллера»

Выполнил:

Курсеитов Р.

Научный руководитель:

Заикина Е.Н.

Севастополь

Содержание

Введение

. Постановка задачи

2. Анализ способов решения поставленной задачи

.1 Анализ существующих систем

.2 Анализ способов реализации связи с системой удаленного управления

.3 Анализ взаимодействия пользователя с системой удаленного управления

. Техническая часть проекта

.1 Разработка структурной схемы

3.2 Разработка схемы электрической принципиальной

.2.1 Обоснование выбора микроконтроллера

.2.2 Обоснование выбора чипа ENC28J60

3.2.3 Обоснование выбора Wi-Fi модуля

.3 Описание исполнительного устройства

.4 Разработка программного обеспечения

3.5 Обоснование выбора компилятора

Выводы

Библиографический список

Введение

Если в первые годы развития Интернет был предназначен для обмена данными между компьютерами, то сегодня все больше и больше интеллектуальных устройств, не основывающихся на персональных компьютерах, подключают к самой развитой из мировых сетей. Каждое такое отдельное устройство может быть названо сетевым или прикладным узлом. Прогнозы таковы, что к 2015 г. количество некомпьютерных пользователей сети Интернет значительно превысит число компьютерных.

Возможность подключения исполнительного устройства в локальную сеть или Интернет уже давно стало необходимостью, а для рынка сетевого оборудования - изначальным требованием.

Для управления исполнительными устройствами в большинстве случаев применяются микроконтроллеры, которые на порядок дешевле персональных компьютеров и имеют узкоспециализированный профиль для решения той или иной задачи.

Сегодня микро-контроллеры управляют промышленными машинами, заменяют тяжелый человеческий труд, облегчают условия жизни. Повсеместно осваивается и внедряется управление с помощью микроконтроллеров во всех сферах быта, досуга и производства. В связи с этим разработка новых систем управления на базе микроконтроллеров преобретает большую актуальность.

Идея создания системы удаленного управления и контроля устройств появилась при решении задач по реализации управления подвижной моделью технического объекта с помощью ЭВМ.

Конечно, не обязательно в качестве управляемого устройства использовать модель “виртуального объекта”, можно управлять реальным устройством, будь то станок или комбайн, необходимо лишь довести комплект устройств управления до необходимого уровня (обеспечить безопасность, хорошее качество связи, высокую дальность связи, надежность и безотказность системы).

Использовать такой законченный комплекс можно везде, где необходимо обеспечить связь устройств какой угодно сложности. А также в тех сферах человеческого труда, где присутствие и управление непосредственно специалистом невозможно по ряду обстоятельств: высокий уровень радиации, неблагоприятная температура, химические и бактериологические загрязнения и др.

В настоящее время существуют множество подобных систем. Начиная от управления домашними бытовыми приборами и заканчивая сложными космическими комплексами.

Например, система AVIOSYS IP Power 9212 [234] предназначена для удаленного (через Internet или локальную сеть) контроля за объектом и управления всевозможным оборудованием. Основное направление - управление домашними электрическими приборами в доме, которое позволяет включать и выключать бытовые устройства, будто чайник, тостер, кондиционер и др. Данная система поддерживает восемь различных устройств. Для ее работы не требуется наличия компьютера в помещении, т.к. система имеет встроенный Web-сервер и систему управления через Web-браузер.

Кроме того, для каждого устройства, подключенного к сети Интернет, требуется собственный адрес в сети, что быстро приведет к исчерпанию возможных адресов и необходимости замены существующей системы адресов. Но данная проблема решается в другой системе под названием EmWare. Разработчики данной системы - сотрудники компании Motorola, предлагают использование распределенной сети, в которой индивидуальные узлы подключены к сети Интернет не непосредственно, а с помощью шлюза. Этим шлюзом может быть персональный компьютер, если он есть в доме, или отдельное специализированное устройство. Шлюз необязательно должен располагаться в доме, он может находиться на территории провайдера услуг Интернет. Узел может быть подключен к шлюзу посредством модема.

На сегодняшний день наиболее распространенным типом связи является Ethernet с присущим ему сложным интерфейсом. Все Ethernet чипы имели до сегодняшнего дня 100 и более контактов, их было тяжело найти в маленьких количествах и ими было тяжело управлять с помощью маленького микроконтроллера с небольшим количеством памяти. Компания Microchip изменила мир с появлением нового Ethernet чипа - ENC28J60 <#"786102.files/image001.gif">

Рисунок 1 - Классификация сети в зависимости от среды передачи

Современные беспроводные системы передачи данных способны обеспечивать пользователя данными с достаточно большими скоростями - до нескольких десятков Мбит/сек. Однако, данные системы редко используются для передачи важной управляющей информации. Рассмотрим подробнее некоторые из них:

Wi-Fi. Данная система, в общем, удобна, если использовать ее на территории одного предприятия (в среднем, 45 м для закрытого помещения, 400-450 м для открытых пространств), однако, для передачи данных на большие расстояния она не подходит. Кроме того, оборудование для создания WLAN стоит дорого, а сама беспроводная сеть очень подвержена влиянию внешних факторов, таких, как излучение, физические преграды (например, железобетон) и т.д. Также, для создания и продвижения на рынок управляющей/передающей информационной системы важно, чтобы она работала во всех странах одинаково хорошо, но частотный диапазон и эксплуатационные ограничения Wi-Fi в различных странах неодинаковы.

Bluetooth. Радиосвязь Bluetooth предназначена для передачи, в основном, мультимедийной информации на короткие расстояния (10-100 м), очень сильно подвержена внешним помехам, поэтому в качестве основы для системы передачи данных она не подходит.

Спутниковая связь. Метод передачи данных через спутник (например, системы VSAT) чрезвычайно удобен т.к. спутник имеет большое покрытие и способен передавать данные практически в любую точку земного шара. Недостатками данной связи является, в первую очередь, слабая помехозащищенность из-за высокого влияния атмосферных, тропосферных и ионосферных эффектов. Также крайне важно то, что задержки при передаче данных системами, использующими спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите, очень большие (могут достигать 1 сек). Кроме того, приемно-передающие устройства очень громоздкие и имеют большую стоимость.

GSM. GSM (от названия группы Groupe Spйcial Mobile) - глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA и средней степенью безопасности. Данный стандарт обеспечивает поддержку таких услуг, как услуги передачи данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных - GPRS), передача речевой информации, передача коротких сообщений (SMS), передача факсимильных сообщений и ряд дополнительных услуг. Положительными качествами GSM в качестве основы для передачи данных является то, что сеть GSM имеет широкое покрытие (по данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82 % мирового рынка мобильной связи, 29 % населения земного шара использует глобальные технологии GSM, в GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий), малые габариты приемных/передающих устройств, хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций, большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений, низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах. Плюсом является и то, что стоимость приемно-передающих устройств и оплата услуг относительно дешевая. Из недостатков можно отметить то, что связь можно организовать на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Также к недостатком можно отнести плохую защищенность сети.

Как уже упоминалось выше, беспроводные сети не применяются для передачи важной информации, т.к. им присущи следующие недостатки:

опасность взлома;

низкий уровень помехоустойчивости;

высокая стоимость;

высокий уровень расхода энергии;

несовместимость оборудования;

ограниченная дальность действия;

низкая скорость передачи данных;

При использовании проводной сети на основе витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна можно добиться высокой скорости передачи, высокого уровня помехоустойчивости, увеличить дальность действия. Стоимость же проводных сетей на порядок ниже стоимости беспроводных.

.3 Анализ взаимодействия пользователя с системой удаленного управления

Существует два варианта реализации взаимодействия с системой удаленного управления.

Первый вариант основывается в использовании системы удаленного управления в качестве WEB - сервера, обменивающегося данными с браузером пользователя. Принцип работы представлен на рисунке 2:

Рисунок 2. - Взаимодействие пользователя с системой удаленного управления

- пользователь с использованием WEB - браузера устанавливает соединение с системой удаленного управления.

- получение страницы с WEB - сервера

- посылка команды управления WEB - серверу и получения результатов выполнения

- интерпретация полученной команды от пользователя и подачу необходимых сигналов управления исполнительному устройству.

- сигналы подтверждения выполнения команды исполнительным устройством.

Второй вариант взаимодействия основывается на сетевом приложении, установленном на стороне клиента, которое предоставляет интерфейс взаимодействия пользователя с системой удаленного управления, посылая команды управления и обрабатывая результаты выполнения команд. Принцип работы представлен на рисунке 3:

Рисунок 3 - Взаимодействие пользователя с системой удаленного управления

- посылка команды управления WEB - серверу и получения результатов выполнения

- интерпретация полученной команды от пользователя и подачу необходимых сигналов управления исполнительному устройству.

- сигналы подтверждения выполнения команды исполнительным устройством.

Основное отличие данного варианта от предыдущего в том, что роль браузера выполняет сетевое приложение. Недостатком второго варианта является то, что для взаимодействия пользователя с системой необходимо инсталлировать дополнительное сетевого приложения. Т.е. удаленное управление можно реализовать только в том случае, если присутствует данное приложение.

Достоинством первого варианта является его мобильность, т.е. можно осуществлять взаимодействие с системой с любого персонального компьютера, что является наиболее предпочтительным вариантом.

3. Техническая часть проекта

.1 Разработка структурной схемы

Рисунок 4 - Структурная схема разрабатываемой системы

В структурную схему входят следующие блоки:

·        Устройтва сопряжения с сетью Ethernet. Необходимо для связи устройства управления с сетью Ethernet для удаленного управления исполнительным устройством;

·        Устройтва сопряжения с сетью Wi-Fi. Необходимо для связи устройства управления с сетью Wi-Fi для удаленного управления исполнительным устройством;

·        Устройство управления. Данный блок обрабатывает комманды с удаленного терминала и оперирует действиями исполнительного устройства;

·        Исполнительное устройство. Непосредственно объект управления;

·        INTERNET. Сеть необходима для осуществления управления исполнительным устройством удаленно.

3.2 Разработка схемы электрической принципиальной

.2.1 Обоснование выбора микроконтроллера

Основным элементом, обеспечивающим управление всеми узлами настоящей системы передачи данных, является микроконтроллер. На рынке присутствует большое количество фирм - производителей микроконтроллеров, лидирующей фирмой является Atmel, производящая микроконтроллеры AVR.

Микроконтроллеры AVR фирмы Atmel - это 8-битные RISC-микроконтроллеры для встраиваемых приложений, представляют собой мощный инструмент, прекрасную основу для создания современных высокопроизводительных и экономичных встраиваемых контроллеров многоцелевого назначения.

Популярность микроконтроллеров AVR очень высока благодаря соотношению показателей цена/быстродействие/энергопотребление, до сих пор являющееся едва ли не лучшим на рынке 8-битных микроконтроллеров. Кроме того, постоянно растет число выпускаемых сторонними производителями разнообразных программных и аппаратных средств поддержки разработок устройств на их основе. Все это позволяет говорить о микроконтроллерах AVR как об индустриальном стандарте среди 8-битных микроконтроллеров.

В настоящее время в рамках единой базовой архитектуры микроконтроллеры AVR подразделяются на несколько семейств:

• TinyAVR;

• Mega AVR;

• Mega AVR для специальных применений;

• ASIC/FPGAAVR.

При создании образца системы управления предполагается использовать микроконтроллер семейства Mega. Микроконтроллеры этого семейства имеют наиболее развитую периферию, наибольшие среди всех микроконтроллеров AVR объемы памяти программ и данных. Они предназначены для использования в мобильных телефонах, в контроллерах различного периферийного оборудования (такого как принтеры, сканеры, современные дисковые накопители, приводы CD-ROM/DVD-ROM и т. п.), в сложной офисной технике и т. д.

Микроконтроллеры семейства Mega поддерживают несколько режимов пониженного энергопотребления, имеют блок прерываний, сторожевой таймер и допускают программирование непосредственно в готовом устройстве. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения стоимость/быстродействие/энергопотребление. Микроконтроллеры семейства Mega являются наиболее развитыми представителями микроконтроллеров AVR общего применения.

К особенностям микроконтроллеров AVR семейства Mega можно отнести:

• FLASH-память программ объемом от 8 до 256 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 10 000);

• оперативная память (статическое ОЗУ) объемом от 512 байт до 8 Кбайт;

• память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом от 256 байт до 4 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 100 000);

• возможность защиты от чтения и модификации памяти программ и данных;

• возможность программирования непосредственно в системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;