Web網(wǎng)絡(luò)傳感器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在智能傳感器的基礎(chǔ)上結(jié)合了CGI和Java Applet技術(shù)，在μC／OS-II操作系統(tǒng)下將μIP協(xié)議嵌入到傳感器的ROM中。利用傳感器內(nèi)嵌的Web服務(wù)器，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)解決了因距離影響被監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)的獲取問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：Web網(wǎng)絡(luò)傳感器；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；Java Applet；CGI

引言
    隨著網(wǎng)絡(luò)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(luò)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(guān)技術(shù)交叉結(jié)合的技術(shù)，它是在智能傳感器的基礎(chǔ)上把TCP／IP協(xié)議作為一種嵌入式應(yīng)用，嵌入現(xiàn)成智能服務(wù)器的ROM中，利用傳感器內(nèi)建的Web服務(wù)器，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器采集遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)象的信息。

1 Web網(wǎng)絡(luò)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理
    用戶(hù)通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)Web服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，將遠(yuǎn)程采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到Internet網(wǎng)頁(yè)上。用戶(hù)需要實(shí)時(shí)看到數(shù)據(jù)的變化，而HTML網(wǎng)頁(yè)通常只能是靜態(tài)的數(shù)據(jù)，為此在Web服務(wù)器上應(yīng)用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)是必要的。動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的實(shí)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(luò)傳感器嵌入式系統(tǒng)采用的是單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其資源有限，為此采用CGI技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。
1．1 CGI原理
    CGI(Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關(guān)接口)提供給Web服務(wù)器一個(gè)外部程序的通道，實(shí)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(hù)端(一般是瀏覽器)輸入的數(shù)據(jù)，完成瀏覽器和服務(wù)器之間的交互操作。CGI是運(yùn)行在Web服務(wù)器上的程序，由瀏覽器的輸入觸發(fā)，是服務(wù)器和系統(tǒng)中其他程序的橋梁。CGI程序?qū)儆谝粋€(gè)外部程序，是運(yùn)行在服務(wù)器端的一個(gè)可執(zhí)行文件。
    CGI程序的工作原理示意圖如圖1所示。

    客戶(hù)端的Web瀏覽器瀏覽到某個(gè)主頁(yè)后，利用一定的方式提交數(shù)據(jù)，并通過(guò)HTTP協(xié)議向Web服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求。服務(wù)器端的HTTP Daemon(守護(hù)進(jìn)程)將描述的主頁(yè)信息通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸入(STDIN)和環(huán)境變量(environment variable)傳遞給主頁(yè)指定的CGI程序，并啟動(dòng)此應(yīng)用程序進(jìn)行處理(包括對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的處理)。處理結(jié)果通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸出(STDOUT)返回給HTTP Daemon，再通過(guò)HTTP協(xié)議返回給客戶(hù)端的瀏覽器，由瀏覽器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行，將最終的結(jié)果顯示給用戶(hù)。

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(dāng)用CGI實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳感器溫度數(shù)據(jù)采集時(shí)，CGI程序可以通過(guò)直接訪問(wèn)硬件或調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的方式獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)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(wù)器上，由Web服務(wù)器負(fù)責(zé)送到客戶(hù)端。

2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)
2．1 連續(xù)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方法
    由于HTTP是基于請(qǐng)求／響應(yīng)模式的，客戶(hù)端和服務(wù)端進(jìn)行一次交互時(shí)，開(kāi)始于客戶(hù)提出的一個(gè)請(qǐng)求，并在服務(wù)器給出響應(yīng)后結(jié)束。而一次交互只能得到一組數(shù)據(jù)，那么如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集呢? 一般有兩種方法：即客戶(hù)端牽引和建立TCP連接。
    客戶(hù)端牽引就是在網(wǎng)頁(yè)中插入定時(shí)刷新功能，它的數(shù)量級(jí)為s，可以使用戶(hù)看到數(shù)據(jù)的變化，但不能滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求，而且其中會(huì)漏掉一些中間的數(shù)據(jù)。
    建立TCP連接就是通過(guò)在網(wǎng)頁(yè)中嵌入ActiveX控件或Java Applet小程序來(lái)增強(qiáng)客戶(hù)機(jī)的功能。其中，ActiveX控件只能在windows環(huán)境下運(yùn)行，而Java Applet通用性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)操作。所以本系統(tǒng)采用Java Applet來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。
2．2 Java Applet
    Applet是用Java編寫(xiě)的，含有可視化內(nèi)容的，并被嵌入Web頁(yè)面中用來(lái)產(chǎn)生特殊頁(yè)面效果的小程序，經(jīng)常被用于增加網(wǎng)頁(yè)多媒體效果，并使網(wǎng)頁(yè)產(chǎn)生互動(dòng)功能。
    當(dāng)用戶(hù)訪問(wèn)帶有Java Applet的網(wǎng)頁(yè)時(shí)，Applet被下載到用戶(hù)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，但前提是用戶(hù)使用的是支持Java的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。由于Applet是在用戶(hù)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的，因此它的執(zhí)行速度是不受網(wǎng)絡(luò)寬帶或者M(jìn)ODEM存取速度的限制，用戶(hù)可以更好地查看網(wǎng)頁(yè)上Applet產(chǎn)生的多媒體效果。
    Applet必須將HTML的<applet>和<／applet>一對(duì)標(biāo)記或者<object><／object>嵌入到Web網(wǎng)頁(yè)中，使用瀏覽器才能運(yùn)行。在IE中用<obje-ct>標(biāo)簽取代<applet>標(biāo)簽，在Netscape 4使用<embed>標(biāo)簽取代<applet>，但是<object>和<embed>都必須遵循Java Plug-in中的格式。

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的具體實(shí)現(xiàn)
3．1 硬件實(shí)現(xiàn)
    嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)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。

    ADuC832是ADI公司推出的混合信號(hào)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(gè)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(chǔ)器，4 KB片內(nèi)閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2 304字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。
    主芯片通過(guò)74LS138譯碼器來(lái)進(jìn)行片選外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器KM62256，或者網(wǎng)卡控制器RTL8019AS。通過(guò)74HC573地址鎖存器進(jìn)行當(dāng)前地址的鎖存，使得輸出端的狀態(tài)不會(huì)隨輸入端的狀態(tài)變化而變化，僅在有鎖存信號(hào)時(shí)輸入的狀態(tài)被保存到輸出，直到下一個(gè)鎖存信號(hào)到來(lái)時(shí)才改變，也是為了實(shí)現(xiàn)地址的復(fù)用。
    在主電路上主要設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)輸入接口，用來(lái)接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的4～20 mA信號(hào)的變送器；設(shè)計(jì)了一個(gè)RJ45的網(wǎng)口接口，通過(guò)網(wǎng)口可以直接接到Internet上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳和共享；還設(shè)計(jì)了RS485接口和RS232接口，作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特殊情況下的數(shù)據(jù)接入和處理。
    現(xiàn)場(chǎng)傳感器將采集的4～20 mA信號(hào)傳送給信號(hào)調(diào)理板，將其信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～2．5 V的電壓信號(hào)，然后通過(guò)ADuC832轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過(guò)程序轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，實(shí)時(shí)地將溫度值顯示在嵌有Java Applet的網(wǎng)頁(yè)上。
3．2 軟件實(shí)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(wù)器上，選用μC／OS-II作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一個(gè)可移植、可固化、可裁剪、搶占式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的前后臺(tái)程序可靠性更高，效率更高。
    TCP／IP是個(gè)協(xié)議簇，是諸多開(kāi)放的協(xié)議的集合，但是單片機(jī)是個(gè)小型的微處理器，內(nèi)部資源有限，因此必須要對(duì)協(xié)議進(jìn)行裁剪。本系統(tǒng)采用精簡(jiǎn)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(gè)協(xié)議就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和通信的最基本的功能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)CGI技術(shù)。其應(yīng)用層就是HTTP協(xié)議，采集數(shù)據(jù)嵌入在Web服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)中以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布到Internet。
    對(duì)于μC／OS-II和μIP的移植，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3．2．2 Java Applet嵌入網(wǎng)頁(yè)的實(shí)現(xiàn)
    應(yīng)用Applet實(shí)現(xiàn)嵌入式Web傳感器實(shí)時(shí)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(wù)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(shè)置采集的時(shí)間間隔為1s。
    通過(guò)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(yè)中。
    最后，在已加載μC／OS-II和μIP程序的Web服務(wù)器上添加嵌入Applet的Monitotor．html網(wǎng)頁(yè)，將Monitor．html網(wǎng)頁(yè)的文本轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制代碼，放置在μIP的fsdata．c文件中并嵌入到處理的ROM中，通過(guò)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(kāi)瀏覽器輸入IP地址192．168．11．30，訪問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器上的采集數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖5所示。

結(jié)語(yǔ)
    本文介紹了Web服務(wù)器的工作原理，將CGI和Java Applet技術(shù)內(nèi)嵌在嵌入式服務(wù)器上，通過(guò)客戶(hù)端的瀏覽器可以實(shí)現(xiàn)嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)傳感器的實(shí)時(shí)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(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集變得更加具有通用性，同時(shí)可以適合任何內(nèi)建嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)傳感器，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。