設備監(jiān)控系統(tǒng)可獲得設備的工作環(huán)境參數和設備運行狀況，對確保設備安全正常運行、充分發(fā)揮設備效能、提高企業(yè)經濟效益有極其重要的作用[1]。目前已有許多企業(yè)構建了設備監(jiān)控系統(tǒng)，但大部分是通過RS232、RS485和CAN總線等協(xié)議進行通信，不僅在數據傳輸距離和傳輸速度上有很大限制，而且無法直接接入互聯(lián)網，無法滿足信息化條件下對企業(yè)生產作業(yè)管理的要求[2]。本文將結合嵌入式技術和網絡技術，設計一種遠程設備監(jiān)控方案，保證設備工作狀態(tài)的準確采集和快速傳遞，同時輔助工作人員實現對現場設備的及時維護與管理。

    瑞士計算機科學院的Adam Dunkels等開發(fā)了一套用于嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧-LwIP，這是一種既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以獨立運行的輕型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，其主要特點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少了對RAM的占用[2-3]。LwIP作為一種嵌入式網絡協(xié)議棧，具有相對齊全的功能，并提供一套非常完善的內存管理方法，適合在32位的低端嵌入式系統(tǒng)中使用。
    在綜合考慮設計成本和穩(wěn)定性等多方面因素后，本文在32位ARM處理器 STM32F207和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II組成的軟硬件平臺上移植和改進LwIP協(xié)議棧，從而實現了對遠端設備的監(jiān)控與管理。
1 系統(tǒng)硬件平臺
    設備監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以太網通信和本地數據采集兩大模塊。采用STM32F207系列作為開發(fā)板核心處理器，硬件功能模塊主要包括網絡功能模塊、串口設備驅動模塊、A/D模塊、看門狗定時器功能模塊、Flash數據讀寫模塊等，通過各模塊之間的互相輔助與合作，保證監(jiān)控終端的穩(wěn)定可靠工作，實現配電狀態(tài)檢測、網絡狀態(tài)檢測以及環(huán)境溫濕度數據采集等功能，并通過以太網向上位機傳遞現場設備信息[4]。硬件電路結構框圖如圖1所示。

3 LwIP協(xié)議的移植與改進
3.1 LwIP協(xié)議進程模式
    LwIP的設計與實現采用分層模式，每層協(xié)議都解決網絡通信的一部分問題并作為獨立的模塊來實現，提供一些與其他協(xié)議的接口函數。各層之間通過共享內存的方式實現通信，從而減少了內存拷貝開銷，提高其性能[5]。LwIP所支持的協(xié)議主要包括IP、ICMP、UDP和TCP等協(xié)議，這些模塊能夠完成網絡通信的主要功能。除此之外，還設計了一些輔助模塊，主要包括內存管理子系統(tǒng)、操作系統(tǒng)模擬層、網絡API函數等[6]。
3.2 LwIP協(xié)議的移植
    (1)與CPU或編譯器相關的文件移植
    修改/include/arch目錄下cc.h文件中有關數據長度、字的高低位順序等的宏定義。同時，使用_packed關鍵字聲明結構體struct，以便LwIP讀取pbuf結構體中不同長度的數據[2]。
    (2)與操作系統(tǒng)相關的部分
    LwIP中使用信號量通信，所以在 sys_arch.h、sys_arch.c中應實現信號量結構體sys_sem_t和相關的信號量處理函數，包括sys_sem_new()、sys_ sem _free()、sys_sem_signal()、sys_arch_sem_wait()等，完成信號量的建立、釋放、發(fā)送和等待接收功能。同時，LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數據報文, 因此需要實現消息隊列結構體sys_mbox_t以及相應的操作函數（包括sys_mbox_new()、sys_mbox_free()、sys_mbox_post()等），從而實現消息隊列的創(chuàng)建、釋放、發(fā)送和獲取等功能。
    LwIP與外界網絡連接的線程都有獨立的等待超時時間，也就要求在移植過程中用戶要實現sys_arch_
timeouts()函數, 返回當前該線程所對應的timeout隊列指針。另外，LwIP 中網絡數據的處理需要新建任務來完成操作, 有必要實現sys_thread_new()函數來保證數據處理任務在操作系統(tǒng)中能夠被建立。
    (3)相關庫函數的實現
    LwIP協(xié)議棧中用到了8個外部函數，主要完成16 bit數據的高低字節(jié)交換、32 bit數據的大小頭對調、返回字符串長度、字符串比較、內存數據塊拷貝、指定長度的數據塊清零等功能，與系統(tǒng)或編譯器有關，需要用戶實現。
    (4)網絡設備驅動程序
    在LwIP中可以有多個網絡接口，每個網絡接口都對應了一個struct netif結構，這個netif包含了相應網絡接口的屬性、收發(fā)函數。在網絡設備驅動程序中主要是實現4個網絡接口函數：網卡初始化、網卡接收數據、網卡發(fā)送數據以及網卡中斷處理函數。
3.3 LwIP問題分析
    LwIP中對ICMP協(xié)議的數據處理比較簡單，基本流程如圖3所示。底層物理接口將接收ICMP包并向上傳送至網絡層，經由IP模塊中的ip_input()函數移交到ICMP層處理，在ICMP協(xié)議中調用icmp_input()函數解析出IP包頭、ICMP包頭及數據內容。一些ICMP信息被傳遞到更高協(xié)議層并被傳輸層的一些特殊函數處理，其中函數icmp_dest_unreach()用來通過傳輸層的UDP協(xié)議發(fā)送目標無法到達消息[7]。通常情況下，使用ICMP ECHO信息來探測LwIP協(xié)議移植情況，主要在函數icmp_input()中完成對ICMP ECHO信息的響應，包括地址信息驗證、目的與源地址進行交換、修改ICMP數據類型、求取校驗和，然后通過IP層協(xié)議中的ip_output()將應答信息回傳。

    但是在設備監(jiān)控中，要求LwIP能夠識別ICMP_ER類型的回送報文。因此，需要對LwIP中的ICMP模塊進行補充，以滿足嵌入式終端對局域網中設備網絡狀態(tài)的監(jiān)控。另外，為了模擬類似Linux系統(tǒng)中ping功能系統(tǒng)調用，需要開發(fā)相應的功能接口函數來組成所需IP數據包，并通過IP層的報文發(fā)送函數ip_output()或者原始套接字將數據包發(fā)送到目的主機，以達到監(jiān)控網絡狀態(tài)的目的。
3.4 LwIP改進方法
    根據以上所述問題，本文所采取的改進方法主要包括合成ICMP報文、建立套接字并發(fā)送報文到目的地址、添加ICMP協(xié)議支持這三個基本步驟。
    (1)ping指令簡介
    因特網包探索器ping(packet internet groper)，是用來檢查網絡是否通暢或者網絡連接速度的命令。ping發(fā)送一個ICMP包，發(fā)送請求消息給目的主機并報告是否收到所希望的ICMP應答。ping本質上屬于IP協(xié)議層，并且根據用戶輸入不同的指令參數返回網絡狀態(tài)信息。
    (2)合成ICMP_ER報文
    LwIP本身具有一套較為完善的內存管理機制，利用pbuf結構實現數據傳遞，這與BSD中的Mbuf 很相似。pbuf主要用于保存用戶應用程序與LwIP之間互相傳遞的用戶數據。利用LwIP提供的內存分配函數pbuf_alloc()，在RAM中分配一塊空間存儲IP數據包，數據大小為sizeof(struct icmp_echo_hdr)，然后填充icmp_echo_hdr類型對象iecho。基本過程如下：
    q=pbuf_alloc(PBUF_IP,sizeof(struct IcmpHeader),
PBUF_RAM);
    iecho=q->payload;
    iecho->type=ICMP_ECHO;
    iecho->code=0;
    iecho->seqno=htons(1);
    iecho->id=htons(13);
    iecho->chksum=0;  //由硬件求取校驗和
    (3)通過RAW套接字發(fā)送請求
    RAW SOCKET可以接收本機網卡上的所有數據幀或者數據包，這對于監(jiān)聽網絡的流量和分析是很有作用的。所以選擇利用LwIP提供的API套接字函數操作建立RAW SOCKET，并調用lwip_sendto()函數將數據通過RAW SOCKET發(fā)送到目的IP。基本過程如下：
    sockfd=socket(AF_INET，SOCK_RAW，IPPROTO_ICMP)；
    lwip_sendto(sockfd,q->payload, sizeof(q->payload), 0,
(struct sockaddr *) & dest_addr,sizeof(dest_addr));
    (4)修改ICMP協(xié)議文件
    為了實現對ICMP_ER消息的監(jiān)聽和處理，需要對/src/core/ipv4目錄下的icmp.c文件做補充修改。在主要的報文處理函數icmp_input()中，添加ICMP_ER消息中斷響應方法，由于IP包頭已經被剝離，所以需要在switch(type){}框架中添加case ICMP_ER:單元，主要處理是計算響應時間和消息存活時間，并提取icmp_seq、對方IP地址等相關信息，主要實現方法如下：
    case ICMP_ER:
    timeofrecv = OSTimeGet();
    iechr = (struct IcmpHeader *)p->payload;
    timeofsend = iechr->timestamp;
    timeofrecv = (timeofrecv - timeofsend) * 1000 /
OS_TICKS_PER_SEC;
    printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=
%u ms \n\r",ntohs(iphdr->_len),ip_ntoa(&(iphdr->src)),
ntohs(iecho->seqno),IPH_TTL(iphdr),timeofrecv);
4 實驗分析
4.1 LwIP移植情況測試
    移植情況測試是通過設備監(jiān)控終端與PC之間的網絡ping指令實現的。監(jiān)控終端IP地址為：172.20.36.93，主機IP地址為：172.20.36.72。從圖4中可以看出，終端響應時間為1 ms，可以滿足數據快速收發(fā)的要求，數據存活時間為ttl=255 ms，丟包率為0，說明LwIP協(xié)議已經移植成功。

4.2 改進后設備監(jiān)控功能測試
    在地址為172.20.36.72的主機上使用IP Sinffer軟件偵聽網絡中傳遞上來的ICMP報文，如圖5所示。分析圖5可知，主機接收到了多條由終端發(fā)送上來的ICMP報文，數據包具體內容顯示在右側邊框中，IP數據包的內容是ICMP_ER類型的ICMP報文；ID號0x0D與終端中所設置的報文ID相等，即iecho->id=htons(13)；序號為1與終端中所設置的報文序號相等，即iecho->seqno=htons(1)。由此說明終端中所合成的ICMP_ER類型的IP報文已經成功發(fā)送到了目的地址，并且目的主機立刻返回了ICMP請求。

    對實驗環(huán)境的具體要求：通過監(jiān)控終端監(jiān)測IP尾數為204和128的設備網絡狀態(tài)，同時監(jiān)測設備電源配電狀況并回顯配電狀態(tài)參數。分析圖6可知，局域網內被監(jiān)控設備網絡連接正常，能快速響應網絡檢測數據包，丟包率為0，說明對LwIP的協(xié)議棧優(yōu)化后，能夠發(fā)送網絡狀態(tài)檢測數據，并獲得對方主機響應。另外，監(jiān)控終端與主機網絡連接正常，可以將設備狀態(tài)參數通過網絡及時上傳到控制中心。

    本文在分析設備遠程監(jiān)控實際需求的基礎上，以32位微處理器STM32F207系列的處理器為核心，完成了LwIP嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的移植與改進，設計并實現了一個基于改進LwIP的設備監(jiān)控方案。該方案已經在實驗室環(huán)境下完成了樣機的研制并驗證了其功能。實踐表明，改進后的LwIP彌補了原有協(xié)議棧對ICMP協(xié)議功能支持上的不足，滿足了用戶需要，相信在未來的設備監(jiān)控等領域必將有著廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 孫彩云，李世中，李麗麗，等.基于ZigBee技術的設備監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].水電能源科學，2010，11(28)：125-127.
[2] 張亞魁.基于LwIP的嵌入式WEB服務器的研究與實現[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2009：14-19.
[3] 楊曄.實時操作系統(tǒng)的μC/OS-Ⅱ下TCP/IP協(xié)議棧的實現[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2003(7)：80-83.
[4] 王暉，周巧娣，章雪挺，等.基于LwIP的海洋數據采集與傳輸系統(tǒng)[J].電子技術應用，2012，38(8)：26-29.
[5] Duan Zhiyu，Zhao Zhaowang.A study of the Ethernet  throughput performance of the embedded system[J].Astronomical Research and Technology，2007，4(3)：266-275.
[6] DUNKELS A.Design and implementation of the LwIP TCP/IP stack[EB/OL].(2001-2-1)[2004-2-1].http：//www.ece.ualberta.ca/~cmpe401/fall2004/labs/docs/lwip.pdf.
[7] 徐鑫，曹奇英.基于LwIP協(xié)議棧的UDP協(xié)議分析與優(yōu)化[J].計算機應用與軟件，2011，28(3)：246-249.