應(yīng)時彥，朱獻康，朱　華，應(yīng)劼立

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.西安交通大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049)

基于嵌入式Web服務(wù)器的停車場管理系統(tǒng)

應(yīng)時彥1，朱獻康1，朱華1，應(yīng)劼立2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.西安交通大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049)

摘要：針對近年來出現(xiàn)的停車難現(xiàn)象，設(shè)計了一款基于嵌入式Web服務(wù)器的停車場管理系統(tǒng).該管理系統(tǒng)的核心是通過在STM32F207ZG中移植開源的FreeRTOS操作系統(tǒng)、LwIP協(xié)議棧和FatFS文件系統(tǒng)，搭建了一個實時多任務(wù)、帶有Web接口以及支持SD卡數(shù)據(jù)存儲的嵌入式Web服務(wù)器.結(jié)果表明：嵌入式Web服務(wù)器和瀏覽器通過HTTP協(xié)議可以精確穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù).用戶利用平板電腦、手機等移動式設(shè)備可以對停車場硬件設(shè)備進行設(shè)置和監(jiān)控.與傳統(tǒng)的停車場管理系統(tǒng)相比，基于嵌入式Web服務(wù)器的停車場管理系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強、開發(fā)成本低和移動式管理等特點，有良好的市場應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞：嵌入式Web服務(wù)器；停車場管理系統(tǒng)；STM32F207ZG；移動式管理

目前，市場上的停車場管理系統(tǒng)絕大多數(shù)是運行在PC上的C/S架構(gòu)的管理系統(tǒng)[1].C/S架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)存在軟件重用性差、系統(tǒng)維護工作量大的問題[2].目前應(yīng)用系統(tǒng)正在向分布式的Web應(yīng)用方向發(fā)展，設(shè)計了一款B/S架構(gòu)的停車場管理系統(tǒng).該系統(tǒng)具有操作簡單、成本低升級維護方便的特點.不僅如此，另一個重要的優(yōu)勢還在于更低的功耗和更加穩(wěn)定的性能，解決了以往運行在PC機上的停車場管理系統(tǒng)由于運行工作任務(wù)繁重而出現(xiàn)的經(jīng)常死機問題.

本停車場管理系統(tǒng)設(shè)計定位成一進一出閘道停車場管理系統(tǒng).通過局域網(wǎng)可以使用普通的平板電腦、手機等移動式設(shè)備實現(xiàn)停車場管理，移動式管理可以更大提升管理效率.

1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于嵌入式Web服務(wù)器的停車場管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示.其中停車場系統(tǒng)主要外圍硬件設(shè)備包括無線射頻識別(Radio frequency identification，RFID)讀卡器、1個與停車場出入口單閘門相連的繼電器以及蜂鳴器等.用戶利用手機、平板電腦和筆記本等移動式設(shè)備可以通過瀏覽器登陸客戶端網(wǎng)頁對STM32F207ZG微控制器以及微控制器外圍的硬件設(shè)備進行監(jiān)控.

圖1　停車場管理系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1　The architecture of park management system

2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個停車場管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，硬件結(jié)構(gòu)的核心是STM32F207ZG微控制器、以太網(wǎng)接口和讀卡器電路.

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Hardware structure of system

2.1STM32F207ZG主控制器與以太網(wǎng)接口

32位微控制器采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32F207ZG.該控制器最高工作頻率為120 MHz，擁有先進的Cortex-M3內(nèi)核、哈佛結(jié)構(gòu)存儲器和三級流水線功能，可以在同時需要以太網(wǎng)、USB、CAN和音頻級I2S接口的產(chǎn)品設(shè)計中發(fā)揮工業(yè)標準的優(yōu)異性能[3].該控制器提供了豐富的外設(shè)接口，包括SPI，USART，GPIO，ETH(以太網(wǎng)10/100 M MAC模塊)等.

STM32F207ZG微控制器中的以太網(wǎng)模塊如圖3所示.包括一個符合IEEE802.3協(xié)議的介質(zhì)訪問控制器(Media access control，MAC)、介質(zhì)獨立接口(Media independent interface，MII)和專用的直接內(nèi)存訪問(Directional memory access，DMA)控制器.使用MII接口與以太網(wǎng)物理接口收發(fā)器DP83848進行連接.RJ45與無線路由器通過雙絞線進行連接.

圖3　以太網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Hardware structure of ethernet

通過這種電路設(shè)計不僅降低了設(shè)計成本，而且更高效的利用了STM32本身內(nèi)部的以太網(wǎng)外設(shè)資源，使用DMA控制器可以實現(xiàn)以太網(wǎng)接口和系統(tǒng)存儲器之間自動成批交換數(shù)據(jù)而減小CPU干預(yù)，從而大大提高了STM32的運行效率.

2.2讀卡器電路

讀卡器模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，控制器是基于STM8內(nèi)核的STM8S003F3單片機，通過SPI串行接口與MFRC522非接觸式讀寫卡芯片實現(xiàn)通訊，可以讀取類型為Mifare One S50的電子標簽[4].控制器STM8S003F3與STM32F207ZG通過RS485串口進行通訊.

圖4　讀卡器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Hardware structure of card reader

3軟件設(shè)計

停車場管理系統(tǒng)的軟件主要可分為3個主模塊，STM8S003F3讀卡程序、STM32F207ZG微控制器搭建的Web服務(wù)器程序和網(wǎng)頁的腳本.

由于停車場系統(tǒng)實時性要求高，所以在微控制器中移植了FreeRTOS操作系統(tǒng).FreeRTOS作為一個輕量級嵌入式操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減和調(diào)度策略靈活的特點.因為大量的數(shù)據(jù)存儲需要用到SD卡存儲器，所以又在STM32微控制器中移植了FatFS文件系統(tǒng).FatFS文件系統(tǒng)是一個通用的文件系統(tǒng)模塊，它支持FAT12，F(xiàn)AT16，F(xiàn)AT32等格式，主要用于小型的嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)[5].由于需要建立服務(wù)器與網(wǎng)頁進行數(shù)據(jù)交互，在STM32控制器中又移植了小型開源的TCP/IP協(xié)議棧LwIP，并在LwIP中建立了兩個主要的應(yīng)用程序服務(wù)器端包含(Server side includes，SSI)和通用網(wǎng)關(guān)接口(Common gateway interface，CGI).

瀏覽器運行了多個JavaScript、HTML腳本文件，使用異步JavaScript和XML(Asynchronous javascript and XML，Ajax)技術(shù)進行異步訪問Web服務(wù)器，結(jié)合Web服務(wù)器端的SSI和CGI應(yīng)用程序，實現(xiàn)了動態(tài)Web功能.

3.1讀卡協(xié)議

整個停車場管理系統(tǒng)需要三個STM8S003F3讀卡模塊，分別對應(yīng)進出門刷卡和辦卡(注冊、注銷卡)，所以使用了3個RS485接口與STM32F207ZG進行通訊，讀卡發(fā)送的數(shù)據(jù)幀如表1所示.

表1　讀卡器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀

其中ID分別為進出門讀卡器和辦卡讀卡器的3個ID號，用于區(qū)別讀卡器功能型號.卡號則是類型為Mifare One S50的電子標簽的ID號.CRC校驗則是一種循環(huán)冗余校驗算法，可以通過此校驗來確定數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)目煽啃?

3.2嵌入式Web服務(wù)器的底層硬件驅(qū)動協(xié)議

LwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個開放源代碼實現(xiàn)，由瑞士計算機科學(xué)院的Adam Dunkels等開發(fā)，目的是減少內(nèi)存的使用率和代碼空間大小，因此LwIP適用于運行在資源受限的嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對于不同配置的LwIP協(xié)議棧，LwIP可以在幾百字或者幾十KB的RAM空間中運行[6].停車場管理系統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)用層使用了HTTP(超文本傳輸)協(xié)議，而傳輸層則使用了TCP協(xié)議.

LwIP協(xié)議棧產(chǎn)用分層的軟件結(jié)構(gòu)，從上往下主要可分為應(yīng)用層RAW API接口、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層.其中RAW API接口、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層等關(guān)鍵性代碼都以庫的形式封裝，不能隨便修改.鏈路層主要是基于IEEE802.3標準的，位于協(xié)議棧底層，需要根據(jù)實際的硬件情況編寫硬件驅(qū)動程序.LwIP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖5所示.

LwIP鏈路層的函數(shù)調(diào)用了底層硬件驅(qū)動函數(shù).其中和底層硬件驅(qū)動函數(shù)有關(guān)的函數(shù)分別是以太網(wǎng)鏈路初始化函數(shù)Low_level_init，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀接收和發(fā)送函數(shù)Low_level_input和Low_level_output.除此之外還有幾個以太網(wǎng)物理接口驅(qū)動函數(shù).

以太網(wǎng)物理接口驅(qū)動包括ETH_GPIO_Config、ETH_NVIC_Cofig和ETH_MACDMA_Config函數(shù).ETH_GPIO_Config實現(xiàn)了STM32F207ZG控制器與以太網(wǎng)物理接口收發(fā)器DP83848CV所連接的相應(yīng)引腳的配置.ETH_NVIC_Cofig函數(shù)配置和使能了以太網(wǎng)模塊的中斷.ETH_MACDMA_Config函數(shù)則對介質(zhì)獨立接口、介質(zhì)訪問控制器和DMA控制器進行了配置.關(guān)于這些硬件配置對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

Low_level_init函數(shù)則是對鏈路層硬件驅(qū)動進行了初始化設(shè)置，包括ETH_DMARxDescChainInit, ETH_DMARxDescChainInit和ETH_Start函數(shù).前兩個函數(shù)主要是對DMA接收和發(fā)送控制器對應(yīng)的系統(tǒng)存儲區(qū)進行初始化.ETH_Start函數(shù)則使能了MAC控制器在MII總線上的發(fā)送和接收功能，并使能了DMA控制器的發(fā)送和接收功能.

圖5　LwIP協(xié)議棧Fig.5　LwIP protocol stack

Low_level_input函數(shù)則需要從存儲器中讀取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，判斷是否接收到了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀并向上傳遞給函數(shù)ethernet_input進行處理.其中讀取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時需要調(diào)用ETH_Get_Received_Frame函數(shù)，該函數(shù)將DMA接收控制器中接收到的以太網(wǎng)物理接口數(shù)據(jù)存放到系統(tǒng)存儲區(qū).

Low_level_output函數(shù)接收來自網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)解析處理后存放在系統(tǒng)存儲器中，并調(diào)用ETH_Prepare_Transmit_Descriptors函數(shù)通過DMA發(fā)送控制器發(fā)送系統(tǒng)存儲器中待發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀.

3.3動態(tài)Web技術(shù)

傳統(tǒng)的Web應(yīng)用使用的是同步交互方式.如果需要更新網(wǎng)頁的內(nèi)容，必須重新加載整個HTML頁面.Ajax是一種用于創(chuàng)建快速動態(tài)網(wǎng)頁的技術(shù)，通過在后臺與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，可以使網(wǎng)頁實現(xiàn)異步更新，即可以在不重新加載整個網(wǎng)頁的情況下對網(wǎng)頁的部分內(nèi)容進行更新.其核心在于異步通信，不必刷新頁面從而減少了數(shù)據(jù)傳輸量，提高了Web應(yīng)用的響應(yīng)速度，從而給用戶帶來了良好的體驗.Ajax可以在頁面內(nèi)與嵌入式Web服務(wù)器通信，通過XMLHttpRequest對象，可以獲取服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，并可緩沖和處理數(shù)據(jù)，這使得許多工作可以在客戶端完成，例如數(shù)據(jù)校驗、表單驗證等[7].

通用網(wǎng)關(guān)接口(CGI)在物理上是一段運行在嵌入式Web服務(wù)器上的程序.CGI技術(shù)用于在服務(wù)器端發(fā)布網(wǎng)頁，與客戶端瀏覽器的XmlHttpRequest組件進行數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)動態(tài)Web功能.

3.4系統(tǒng)流程描述

STM32F207ZG主控制器是整個停車場管理系統(tǒng)運行的核心CPU模塊.它不僅承載了整個Web服務(wù)器，而且還運行了多個停車場系統(tǒng)的操作和監(jiān)控任務(wù)，更是與外設(shè)存儲器進行數(shù)據(jù)訪問和存儲的主要紐帶.

停車場系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)首先需要進行外設(shè)存儲器接口(包括FRAM、SRAM和SD)、定時器、看門狗、蜂鳴器、繼電器、CRC、UART串口、實時時鐘RTC以及SPI接口等初始化配置.其次要對LwIP底層硬件進行配置.除此以外，還需要對系統(tǒng)啟動記錄、車戶資料、車戶進出記錄以及停車場場內(nèi)等信息進行掃描和初始化處理.

在停車場系統(tǒng)中通過移植FreeRTOS操作系統(tǒng)主要建立了5個停車場管理系統(tǒng)任務(wù)，主要包括以太網(wǎng)任務(wù)、系統(tǒng)設(shè)置任務(wù)、辦卡與進出控制任務(wù)、看門狗任務(wù)以及記錄存儲刷新任務(wù).

以太網(wǎng)任務(wù)主要是基于LwIP協(xié)議，從而使STM32主控制器帶有Web接口，通過CGI應(yīng)用程序接口與瀏覽器端的網(wǎng)頁進行數(shù)據(jù)交互，從而可以使停車場管理員通過網(wǎng)頁對STM32主控器的其他任務(wù)進行實時控制和監(jiān)測.

圖6　停車場主程序流程圖Fig.6　Program flow chart of park management system

記錄存儲刷新任務(wù)是最需要注意安全性的任務(wù)，考慮到數(shù)據(jù)存儲的安全性，網(wǎng)頁管理員賬號信息、車戶卡號信息、場內(nèi)車輛信息以及近期的車戶進出記錄存儲在FRAM和SRAM存儲器中.由于車輛進出記錄的數(shù)據(jù)容量過大，所有的車戶進出記錄則保存到SD卡中.

看門狗任務(wù)則防止服務(wù)器死機或者程序跑飛從而可以利用軟件復(fù)位控制器.

STM8S003F3讀卡器模塊則根據(jù)STM32主控制器刷卡任務(wù)需要進行卡號讀取并發(fā)送讀卡數(shù)據(jù)幀.讀卡程序如圖7所示.

圖7　讀卡器程序流程圖Fig.7　Program flow chart of card reader

4系統(tǒng)演示

整個停車場管理系統(tǒng)的Web頁面分為兩種操作權(quán)限，分別是管理員和操作員.管理員擁有整個停車場管理系統(tǒng)的所有操作權(quán)限，而操作員只擁有其中監(jiān)控部分的權(quán)限.

整個Web頁面分為四個網(wǎng)頁功能，分別是賬戶設(shè)置、客戶資料、進出管理和系統(tǒng)設(shè)置.賬戶設(shè)置是針對停車場管理系統(tǒng)的管理權(quán)限而設(shè)定的管理員和操作員賬號設(shè)置.客戶資料則是停車場客戶的辦卡和查詢等操作.進出管理則用于緊急開關(guān)閘門、場內(nèi)信息監(jiān)督和進出記錄查詢等.系統(tǒng)設(shè)置則用于網(wǎng)絡(luò)IP地址的修改、嵌入式設(shè)備系統(tǒng)時間的校準、出入門閘的測試以及數(shù)據(jù)備份操作等.

在平板電腦上打開瀏覽器，輸入網(wǎng)址192.168.1.58可以進入該停車場管理系統(tǒng)的管理頁面.圖8(a)展示了管理系統(tǒng)的登陸頁面.在登陸界面中輸入用戶名和密碼，選擇登錄類型就可以進入系統(tǒng)首頁，選擇進入管理菜單，如圖8(b)所示,可以看到有三個模塊，分別是進出控制、場內(nèi)信息和進出記錄.圖8(b)中顯示的是停車場內(nèi)的車輛信息情況，包括用戶名、電話、卡號、車牌、車輛類型和入場時間等.這些信息可以方便管理員或操作員對停車場內(nèi)的車輛信息進行監(jiān)督.圖8(c)顯示的是系統(tǒng)設(shè)置頁面，系統(tǒng)設(shè)置頁面主要是方便管理嵌入式設(shè)備的某些設(shè)置，包括系統(tǒng)的IP設(shè)置，門閘開關(guān)時間設(shè)置以及其他設(shè)置等，圖8(c)中展示的是其中的系統(tǒng)時間校準設(shè)置，將電腦本地時間通過同步時間按鈕同步到嵌入式設(shè)備.

圖8　Web頁面Fig.8　Web page

由于使用嵌入式設(shè)備作為服務(wù)器，所以該瘦身型服務(wù)器的功能相對比較簡單，HTTP傳輸速率也受到硬件模塊的制約，在打開網(wǎng)頁會有一定的延時(大約有1～2 s).同時受到系統(tǒng)框架的制約，每張網(wǎng)頁的大小不能超過30 k，否則傳輸時延遲會更大.另外要盡量減小HTTP的請求，防止用戶體驗過差.

5結(jié)論

設(shè)計了一款基于嵌入式Web服務(wù)器的停車場管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的停車場管理系統(tǒng)相比，采用帶有Web服務(wù)器功能的嵌入式設(shè)備長期運行更穩(wěn)定，開發(fā)成本更低，升級維護更方便.通過路由器構(gòu)建局域網(wǎng)，使平板和手機等移動式設(shè)備可以使用網(wǎng)頁的形式來管理停車場，可以擺脫傳統(tǒng)的崗位式管理方式，從而實現(xiàn)更高效率、更加方便的移動式管理方式.

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(責任編輯：陳石平)

Park management system based on embedded Web server

YING Shiyan1, ZHU Xiankang1, ZHU Hua1, YING Jieli2

(1.College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China;2.College of Life Science and Biotechnology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Abstract:In view of the parking problems in recent years, a park management system which is based on embedded Web server is designed. The core of the management system is the embedded Web server with real-time multi task, Web interface and SD card data storage. It is set up on the open source FreeRTOS operating system, LwIP protocol stack and FatFS file system in the STM32F207ZG. The experimental results show that the embedded Web server and client can accurately and stably transmit data through the HTTP protocol. The park facilities can be set and monitored through the mobile device such as tablet PC, mobile phone and so on. Compared with the traditional park management system, this park system based on embedded Web server has strong stability, low development cost and mobile management. It will have good applications in the market.

Keywords:embedded Web server; park management system; STM32F207ZG; mobile management

收稿日期：2016-01-15

作者簡介：應(yīng)時彥(1964—)，男，浙江嵊州人，教授，研究方向為信息技術(shù)應(yīng)用，E-mail：ysy@zjut.edu.cn.

中圖分類號：TP32

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)04-0383-05