Web網(wǎng)絡傳感器的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

　隨著網(wǎng)絡技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，將嵌入式系統(tǒng)與Internet相結(jié)合對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)、圖像監(jiān)控和管理，成為重要研究方向之一。嵌入式Web網(wǎng)絡傳感器技術(shù)是傳感器、嵌入式、分布式信息處理和Internet等相關技術(shù)交叉結(jié)合的技術(shù)，它是在智能傳感器的基礎上把TCP／IP協(xié)議作為一種嵌入式應用，嵌入現(xiàn)成智能服務器的ROM中，利用傳感器內(nèi)建的Web服務器，用戶可以通過瀏覽器采集遠程監(jiān)控對象的信息。

　　1 Web網(wǎng)絡傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理

　　用戶通過瀏覽器訪問Web服務器上的數(shù)據(jù)，將遠程采集到的數(shù)據(jù)實時顯示到Internet網(wǎng)頁上。用戶需要實時看到數(shù)據(jù)的變化，而HTML網(wǎng)頁通常只能是靜態(tài)的數(shù)據(jù)，為此在Web服務器上應用動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)是必要的。動態(tài)網(wǎng)頁的實現(xiàn)技術(shù)有CGI和HTML腳本嵌入技術(shù)（如ASr、PHP、JSP等），由于網(wǎng)絡傳感器嵌入式系統(tǒng)采用的是單片機來實現(xiàn)，其資源有限，為此采用CGI技術(shù)來實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁。

　　1.1 CGI原理

　　CGI（Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關接口）提供給Web服務器一個外部程序的通道，實現(xiàn)處理器與瀏覽器之間的通信。CGI是一種接口規(guī)范，可以處理客戶端（一般是瀏覽器）輸入的數(shù)據(jù)，完成瀏覽器和服務器之間的交互操作。CGI是運行在Web服務器上的程序，由瀏覽器的輸入觸發(fā)，是服務器和系統(tǒng)中其他程序的橋梁。CGI程序?qū)儆谝粋€外部程序，是運行在服務器端的一個可執(zhí)行文件。

　　CGI程序的工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 CGI程序的工作原理示意圖

　　客戶端的Web瀏覽器瀏覽到某個主頁后，利用一定的方式提交數(shù)據(jù)，并通過HTTP協(xié)議向Web服務器發(fā)出請求。服務器端的HTTP Daemon（守護進程）將描述的主頁信息通過標準輸入（STDIN）和環(huán)境變量（environment variable）傳遞給主頁指定的CGI程序，并啟動此應用程序進行處理（包括對數(shù)據(jù)庫的處理）。處理結(jié)果通過標準輸出（STDOUT）返回給HTTP Daemon，再通過HTTP協(xié)議返回給客戶端的瀏覽器，由瀏覽器負責解釋執(zhí)行，將最終的結(jié)果顯示給用戶。

　　1.2 基于CGI的數(shù)據(jù)采集流程

　　CGI的數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。當用CGI實現(xiàn)遠程傳感器溫度數(shù)據(jù)采集時，CGI程序可以通過直接訪問硬件或調(diào)用驅(qū)動程序的方式獲得數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)采集完畢后，CGI程序?qū)?shù)據(jù)組織成HTTP流并發(fā)送到Web服務器上，由Web服務器負責送到客戶端。

圖2 CGI的數(shù)據(jù)采集流程圖

　　2 實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)

　　2.1 連續(xù)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)方法

　　由于HTTP是基于請求／響應模式的，客戶端和服務端進行一次交互時，開始于客戶提出的一個請求，并在服務器給出響應后結(jié)束。而一次交互只能得到一組數(shù)據(jù)，那么如何實現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集呢？ 一般有兩種方法：即客戶端牽引和建立TCP連接。

　　客戶端牽引就是在網(wǎng)頁中插入定時刷新功能，它的數(shù)量級為s，可以使用戶看到數(shù)據(jù)的變化，但不能滿足強實時性的要求，而且其中會漏掉一些中間的數(shù)據(jù)。

　　建立TCP連接就是通過在網(wǎng)頁中嵌入ActiveX控件或Java Applet小程序來增強客戶機的功能。其中，ActiveX控件只能在windows環(huán)境下運行，而Java Applet通用性強，可以實現(xiàn)跨平臺操作。所以本系統(tǒng)采用Java Applet來進行遠程數(shù)據(jù)的實時采集。

　　2.2 Java Applet

　　Applet是用Java編寫的，含有可視化內(nèi)容的，并被嵌入Web頁面中用來產(chǎn)生特殊頁面效果的小程序，經(jīng)常被用于增加網(wǎng)頁多媒體效果，并使網(wǎng)頁產(chǎn)生互動功能。

　　當用戶訪問帶有Java Applet的網(wǎng)頁時，Applet被下載到用戶計算機上執(zhí)行，但前提是用戶使用的是支持Java的網(wǎng)絡瀏覽器。由于Applet是在用戶計算機上執(zhí)行的，因此它的執(zhí)行速度是不受網(wǎng)絡寬帶或者MODEM存取速度的限制，用戶可以更好地查看網(wǎng)頁上Applet產(chǎn)生的多媒體效果。

　　Applet必須將HTML的<applet>和<／applet>一對標記或者<object><／object>嵌入到Web網(wǎng)頁中，使用瀏覽器才能運行。在IE中用<obje-ct>標簽取代<applet>標簽，在Netscape 4使用<embed>標簽取代<applet>，但是<object>和<embed>都必須遵循Java Plug-in中的格式。

　　3 實時數(shù)據(jù)采集的具體實現(xiàn)

　　3.1 硬件實現(xiàn)

　　嵌入式Web網(wǎng)絡傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 嵌入式Web網(wǎng)絡傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

　　ADuC832是ADI公司推出的混合信號單片微控制器，是真正意義上完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片，是集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、微控制器、閃存于一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它的主要特性有：8通道模擬I／O，247 ksps、12位ADC，2個12位（單調(diào)的）電壓輸出DAC片內(nèi)溫度傳感器；62 KB片內(nèi)閃速／電擦除程序存儲器，4 KB片內(nèi)閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲器，2 304字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。

　　主芯片通過74LS138譯碼器來進行片選外部數(shù)據(jù)存儲器KM62256，或者網(wǎng)卡控制器RTL8019AS。通過74HC573地址鎖存器進行當前地址的鎖存，使得輸出端的狀態(tài)不會隨輸入端的狀態(tài)變化而變化，僅在有鎖存信號時輸入的狀態(tài)被保存到輸出，直到下一個鎖存信號到來時才改變，也是為了實現(xiàn)地址的復用。

　　在主電路上主要設計了一個信號輸入接口，用來接工業(yè)現(xiàn)場的4～20 mA信號的變送器；設計了一個RJ45的網(wǎng)口接口，通過網(wǎng)口可以直接接到Internet上，進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上傳和共享；還設計了RS485接口和RS232接口，作為工業(yè)現(xiàn)場特殊情況下的數(shù)據(jù)接入和處理。

　　現(xiàn)場傳感器將采集的4～20 mA信號傳送給信號調(diào)理板，將其信號轉(zhuǎn)換為0～2.5 V的電壓信號，然后通過ADuC832轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過程序轉(zhuǎn)換為相應的溫度值，實時地將溫度值顯示在嵌有Java Applet的網(wǎng)頁上。

　　3.2 軟件實現(xiàn)

　　3.2.1 操作系統(tǒng)和協(xié)議棧的選用

　　在嵌入式Web服務器上，選用μC／OS-II作為嵌入式實時操作系統(tǒng)。它是一個可移植、可固化、可裁剪、搶占式的實時操作系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的前后臺程序可靠性更高，效率更高。

　　TCP／IP是個協(xié)議簇，是諸多開放的協(xié)議的集合，但是單片機是個小型的微處理器，內(nèi)部資源有限，因此必須要對協(xié)議進行裁剪。本系統(tǒng)采用精簡的小型TCP／IP協(xié)議棧——μIP協(xié)議棧。μIP協(xié)議代碼中包括了一些基本的通信協(xié)議：ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議和TCP協(xié)議，UDP協(xié)議、HTTP協(xié)議、Telnet協(xié)議、SMTP協(xié)議等。其中，ARP、IP、ICMP、TCP這4個協(xié)議就能實現(xiàn)網(wǎng)絡連接和通信的最基本的功能，同時還能實現(xiàn)CGI技術(shù)。其應用層就是HTTP協(xié)議，采集數(shù)據(jù)嵌入在Web服務器網(wǎng)頁中以網(wǎng)頁的形式發(fā)布到Internet。

　　對于μC／OS-II和μIP的移植，詳見參考文獻。整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.2 Java Applet嵌入網(wǎng)頁的實現(xiàn)

　　應用Applet實現(xiàn)嵌入式Web傳感器實時監(jiān)控程序RealtimeMonitor.java，主要結(jié)構(gòu)如下：

　　其中，192.168.11.30是嵌入式Web服務器的IP地址，data.txt是傳感器經(jīng)處理器處理后的數(shù)據(jù)，“wly.sleep（1000）；”表示設置采集的時間間隔為1s。

　　通過JDK軟件包，使用命令javac RealtimeMonitor.java將Java程序編譯成RealtimeMonitor.class，然后使用“<appletcode=Real-timeMonitor width=400 height=600><／applet>”嵌入到HTML網(wǎng)頁中。

　　最后，在已加載μC／OS-II和μIP程序的Web服務器上添加嵌入Applet的Monitotor.html網(wǎng)頁，將Monitor.html網(wǎng)頁的文本轉(zhuǎn)換成十六進制代碼，放置在μIP的fsdata.c文件中并嵌入到處理的ROM中，通過Keil將所有程序編譯生成HEX文件，下載到嵌入式Web處理器里。

　　打開瀏覽器輸入IP地址192.168.11.30，訪問嵌入式Web服務器上的采集數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡傳感器實時數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡傳感器實時數(shù)據(jù)采集結(jié)果

　　結(jié)語

　　本文介紹了Web服務器的工作原理，將CGI和Java Applet技術(shù)內(nèi)嵌在嵌入式服務器上，通過客戶端的瀏覽器可以實現(xiàn)嵌入式Web網(wǎng)絡傳感器的實時數(shù)據(jù)采集，節(jié)約了諸多的硬件資源和人力資源，使得對遠程數(shù)據(jù)自動采集變得更加具有通用性，同時可以適合任何內(nèi)建嵌入式Web網(wǎng)絡傳感器，具有一定的現(xiàn)實意義。