第1頁以太網遠程監測運動物體的研究摘要：當今社會，人們的生活水平越來越高，城市生活的節奏也愈來愈快。特別是一線城市，一些景點和商圈的人流量會非常大。統計人流量以及對人流量的變化做出相應的應對措施，對商場的管理、公園和景點等地點的旅客流量監測等非常有益。對人流量的監測可以引申到對運動物體的監測上。本文基于STM32Cortex-M3芯片，利用以太網進行遠程監控，詳盡闡述了作者設計的超聲波監測運動物體的系統設計，以及它的三大模塊——超聲波模塊、以太網模塊和網頁服務器的主要設計思想和實現方法，論文中著重研究超聲波的生成、超聲波模塊布局的設計、LwIP協議棧的移植、TCP/IP協議的實現和DHCP協議的實現，對LMC6034IM、EM78P153和MAX232芯片作了詳細的說明，說明和研究了聲波的范圍。在最后，論文還探討了對該系統進行進一步開發的展望。關鍵詞：DHCP，以太網，超聲波，TCP/IP，LwIP緒論任務與目標以太網網絡接口以太網中各個節點的通信基礎，處于TCP/IP協議棧的數據鏈路層，是信息傳遞和管理的重要環節。本課題基于Cortex-M3芯片，運用以太網技術，將超聲波監測到的信號實時傳輸給PC機，以達到遠程監測的目的，實現以太網監測運動物體系統。要求完成以下工作：（1）、TCP/IP協議的實現。TCP是一種運輸層協議，且它是面向連接的；每一條TCP連接只能像線段一樣，有兩個連接的端點。TCP提供可靠交付的服務；TCP提供全雙工通信；面向字節流。（2）、網頁的設計與實現。設計網頁顯示的界面，運用HTML語言，能夠采集Cortex-M3傳輸過來的信號并且在網頁中顯示；WebSever可以向Cortex-M3拿取(GET)采集到的數據進行實時顯示。如若可以擴展，可以寫入動態腳本。（3）、DHCP協議的實現。DHCP協議有無操作系統的支持都可以運行。DHCP協議是一個局域網的網絡協議，使用UDP協議工作。DHCP的UDP67和UDP68端口分別為DHCPSever和DHCPClient的服務端口。由于該系統無需偏上OS操作系統的運動物體監測系統，所以本課題強調實時性、精確性和穩定性。實時性：系統必須實時的將運動物體監測數據發送到控制室，將實時的數據發送到電腦屏幕上。精確性：對運動物體的監測必須精確到位，以便商場等場所應對統計的人流量，避免造成不必要的損失。穩定性：當發生一些突發事件時，該系統會做出報警，要求該系統必須穩定，以免出現死機或亂報警現象，造成不必要的損失。以太網IEEE802委員會的802.3工作組在1983年制定了IEEE的第一個以太網標準，為IEEE802.3。局域網的數據鏈路層拆分成了兩個子層，即邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層和媒體接入控制MAC(MediumAccessControl)子層。如圖1-1所示。圖1-1局域網對LLC子層透明MAC子層是屬于數據鏈路層的下半部分，它主要負責與物理層進行數據交換，如是否發送數據、發送的數據是否正確、對數據流進行控制等。以太網MAC幀格式常用的有兩種標準，一種是以太網V2標準，另一種是IEEE的802.3標準。如圖1-2所示。圖1-2以太網V2的MAC幀格式IEEE對以太網上傳輸的數據包格式也進行了統一規定，該數據包被稱為MAC數據包。MAC數據包由前導字段、幀起始定界符、目標地址、源地址、數據包類型、數據域、填充域、校驗和域組成。如圖1-3所示。圖1-3MAC數據包格式LwIP是LightWeightInternetProtocol的縮寫，是由瑞士計算機科學院AdamDunkels等開發的適用于嵌入式領域的輕量級TCP/IP協議棧。構成網絡應用的軟件有不同的結構，有B/S結構(瀏覽器/服務器)和C/S結構(客戶端/服務器)。基于B/S結構的應用程序以網頁形式存放于服務器上，通俗來說就是存在Cortex-M3里，用戶運行應用程序時通過Web調用服務器也就是Cortex-M3的應用程序，并通過瀏覽器把結果顯示給用戶，用戶只需要瀏覽器即可運行所有服務器中提供的應用模塊。而基于C/S結構的軟件需要針對不同的應用程序對客戶端進行更改。本實驗工程中的HTTP服務器是基于B/S結構的，而Telnet程序是基于C/S結構的。TCP網絡應用基于TCP協議的網絡應用十分常見。TCP應用的服務器流程如圖1-4，例如要把STM32作為網頁服務器，其程序就是根據該流程編寫的。圖1-4建立TCP應用流程當服務器開始監聽連接時，客戶端或瀏覽器就可以向服務器提出連接請求，然后服務器做出響應。利用LwIP編寫的TCP類型應用程序，它在各個層次的處理過程如圖1-5。圖1-5TCP處理過程DHCP協議在實際分配IP地址的過程中，為了方便，我們在客戶端配置了DHCP協議。這樣，服務器又變成了客戶端，等待DHCP分配IP。DHCP協議，全稱為動態主機配置協議(DynamicHostConfigurationProtocol)。該協議提供了一種特殊的機制，稱為即插即用連網。網頁服務器HTTP是TCP協議的典型應用，客戶端是終端用戶，服務器端是網站[5]。利用LwIP編寫的網頁服務器是由main函數中調用的http_init()函數實現的。其中網頁是用HTML語言在Dreamweaver環境下編寫的。運動物體監測系統總體設計運動物體監測系統總體結構框圖從總體功能上看，運動物體監測系統主要由超聲波檢測信號、STM32、ENC28J60模塊和網頁服務器四部分組成。本章主要介紹各個模塊系統的硬件設計，軟體設計則在第四章介紹。系統的總體框圖如圖2-1所示。圖2-1系統總體結構框圖超聲波模塊采用了收發電路分開的方案,電路原理圖如圖2-2所示。圖2-2超聲波模塊硬件電路原理圖本次系統的設計是基于Waveshare公司的Open107v型開發板。其中，以太網模塊采用了SPI通信協議，開發板上的是SPI2總線。以太網模塊基于ENC28J60芯片，是一個獨立的以太網控制器。該控制器與IEEE820.3標準兼容，集成了物理地址和10BASE-TPHY，有接收器和沖突抑制電路等。以太網模塊硬件電路原理圖如圖2-3所示。運動物體監測系統軟體設計軟體流程圖軟體流程圖如圖3-1所示。圖2-3以太網模塊硬件電路原理圖圖3-1軟體流程圖初始化LwIP協議棧函數流程圖LwIP協議棧包含了TCP/IP協議，DHCP協議和DNS域名解析系統等，其初始化程序流程圖如圖3-2所示。圖3-2LwIP協議棧初始化流程圖系統調試DHCP服務器設置早期的電腦中都有一個系統稱為DOS系統。該系統中有一個指令叫做Ping命令，該命令也是一種通信協議，是TCP/IP協議的一部分。我們可以利用"Ping"命令檢查我們的網絡是否暢通。如果"Ping"之后沒有"Ping"通，說明網絡通信有故障，需要修復。。接下來在瀏覽器輸入客戶端地址03，進入系統主界面，進行運動物體監測，如圖4-1所示。圖4-1主系統界面結論以太網遠程監測運動物體系統，有很大的晉升空間。在2015年CES國際消費類電子產品展覽會上，奔馳推出的一款未來智能概念車系統中，對路上行人的監測來讓車停止還是繼續前行的控制和本課題的系統有些類似，在物聯網領域，以太網遠程監測也有很大的用武之地。所以，該系統的發展前景很廣大。本次系統的實現現象表明，該系統運行穩定，實現了以太網的通信功能。此次的設計，成功完成了CM3與PC兩者基于TCP/IP協議的通信，同時，IP地址的分配任務也是交給DHCP服務器完成的，形成了一個小范圍的以太網遠程監測系統。該系統如若再加上DNS域名解析系統，則可以連接入萬維網，實行真正意義上的遠程監控。在本系統的基礎上，以后再加入片上系統，則該設計的編程將會變得更加靈活，有了系統的加入，內存的分配，進程的管理，也會變得更加方便，這是該系統以后擴展的目標。參考文獻歐全梅.基于ARM核嵌入式微處理器的以太網應用[J].現代電子技術,2006,(15).趙蓮清,李海濤,王樹東,金興文.基于以太網的嵌入式遠程電力自動抄表系統[J].中國農村水利水電,2008,(6).徐萍,卿粼波,李金平,何小海.基于ARM的溫度采集與以太網傳輸系統的設計[J].成都信息工程學院學報,2008,(4).楊嘯宇,孫杰,熊瑛.基于STM32的無線傳感器網關設計[J].天津理工大學學報,2011,(2).于春雪.基于STM32F107的高速以太網接口設計與應用[J].電聲技術,2011,(9).于春雪.STM32F103的高速以太網接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2011,(9).陳聰.基于STM32的網絡門禁控制系統設計[D].蘇州大學,2013.程子乾.基于Cortex-M3內核微控制器的嵌入式Web服務器的設計與實現[D].云南大學,2012.肖軍,韓黨群,儲海燕,畢楊.基于ARM的嵌入式TCP/IP協議的實現[J].現代電子技術,2009,(2).姜韶軍,陳少克,張杰.基于ARM的嵌入式網絡接口控制器設計[J].微計算機信息,2008,(17).王桂云,侯思祖.基于ARM7的以太網接口的