基于ARM嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測

目前國外對(duì)于大型光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)所采用的觀測站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)比較完善，但是國內(nèi)還沒得到很好的應(yīng)用。本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)觀測站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，把ARM- Linux嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到該系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制于一體的低成本遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展越來越成熟，嵌入式處理技術(shù)很好地解決和實(shí)現(xiàn)了高低端系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、多任務(wù)性、大數(shù)據(jù)量處理的要求。嵌入式Internet技術(shù)的產(chǎn)生，使得設(shè)備可以輕而易舉地接入Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備上網(wǎng)和設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。短消息服務(wù)（SMS）已成為一種成熟的技術(shù)，其業(yè)務(wù)已為人們廣泛使用和喜愛。由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，可靠性高，采用無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控也有很廣闊的應(yīng)用前景。

1、系統(tǒng)工作原理及硬件組成

1．1 系統(tǒng)工作原理

基于Internet網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)控模式，一方面運(yùn)行在Web服務(wù)器上的CGI程序根據(jù)客戶端瀏覽器的請(qǐng)求負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行html轉(zhuǎn)換，發(fā)往客戶端瀏覽器；另一方面解析客戶端發(fā)來的命令數(shù)據(jù)，通過CGI程序發(fā)往現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；同時(shí)在客戶端對(duì)監(jiān)控頁面進(jìn)行一定時(shí)間間隔的動(dòng)態(tài)刷新，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

CGI（Common Gateway Interface）公共網(wǎng)關(guān)接口，是一種服務(wù)器與瀏覽器信息交換的標(biāo)準(zhǔn)接口。在物理上，CGI是一段程序，它運(yùn)行在服務(wù)器上，提供客戶端HTML頁面接口，完成HTML無法做到的交互功能，CGI建立在客戶機(jī)／服務(wù)器機(jī)制上，為外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與Web服務(wù)器交互提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展應(yīng)用程序可以處理客戶端輸入的工作數(shù)據(jù)，完成客戶端與服務(wù)器的交互操作。

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)控模式，是采用手機(jī)短信息的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。按照系統(tǒng)設(shè)定的命令發(fā)送短信息，根據(jù)用戶不同的短信息內(nèi)容，GSM模塊內(nèi)的SIM 卡將以短信的形式返回現(xiàn)場的環(huán)境信息或相關(guān)設(shè)備開關(guān)量的狀態(tài)，還可控制現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備的開關(guān)量（在此用開發(fā)板上的3個(gè)LED來模擬現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備的開關(guān)量），其框圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)硬件組成

監(jiān)控系統(tǒng)控制器的核心CPU選用基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC處理器 S3C2410A。該處理器功能強(qiáng)、性價(jià)比高、功耗低，提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備接口，帶MMU（內(nèi)存管理單元），可支持Linux、μC／OS- II、WindowsCE等多種操作系統(tǒng)的移植。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

64 MB Nand Flash采用的是K9F1208，用于存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)是高密度、低價(jià)格、較快的寫入和擦除速度，較長的復(fù)寫壽命。本系統(tǒng)用來存儲(chǔ)嵌入式 Linux鏡像、根文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序；內(nèi)存為64 MB SDRAM，由2片HY57V561620組成，工作在32位模式下的SDRAM是一種揮發(fā)存儲(chǔ)記憶體，不能永久保存數(shù)據(jù)，在嵌入式系統(tǒng)中用作代碼運(yùn)行，系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)、堆棧等均位于SDRAM存儲(chǔ)器中。

網(wǎng)絡(luò)接口模塊中的以太網(wǎng)接口芯片為10／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制芯片DM9000。GPRS無線模塊選用法國Wavecom公司設(shè)計(jì)的Q2403A，雙波段（900／1800 MHz）工作，支持通用的AT命令。串口采用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口。在小擴(kuò)展板上具有JTAG口轉(zhuǎn)并口電路的JTAG調(diào)試模塊，用并口線將該模塊與主機(jī)的并口相連，同時(shí)在主機(jī)上運(yùn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件，就能夠進(jìn)行代碼下載、仿真調(diào)試和Flash ROM固化等工作。在本系統(tǒng)目標(biāo)板的Bootload-er設(shè)計(jì)階段，用于Bootloader的調(diào)試和燒寫。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)的嵌入式軟件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)從下到上大體可分為3個(gè)層次，如圖3所示：底層的Bootloder、嵌入式Linux內(nèi)核以及系統(tǒng)應(yīng)用程序。

Bootloader移植的是廣泛支持PowerPC、MIPS、X86、ARM、XScale等諸多常用系列處理器的u-boot。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核源代碼開放且精簡、速度快、可靠性高、功能強(qiáng)大，可以根據(jù)需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行定制。嵌入式Linux內(nèi)核是整個(gè)軟件系統(tǒng)的主體，它不僅為應(yīng)用程序提供真正的多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境，還提供強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)支持。本系統(tǒng)采用2．6．22版本的嵌入式Linux內(nèi)核和 Yaffs根文件系統(tǒng)。Web服務(wù)器選用的是適合嵌入式系統(tǒng)的Boa，為了功能的擴(kuò)展和大數(shù)據(jù)量的傳輸?shù)拇鎯?chǔ)，移植了適合嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫 sqlite。

另外，嵌入式Linux具有一套完整的免費(fèi)交叉編譯環(huán)境，利用S3C2410能實(shí)現(xiàn)低成本的設(shè)計(jì)并開發(fā)出滿足自己需要的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)主要是采用NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的交叉開發(fā)模式。用NFS方式建立宿主機(jī)和開發(fā)板的通信，在開發(fā)調(diào)試階段利用NFS服務(wù)，在內(nèi)核啟動(dòng)過程掛接NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，這樣不用頻繁地寫入Flash，縮短開發(fā)周期。通過Minicom設(shè)置，監(jiān)視串口工作狀態(tài)，接收顯示串口收到的信息。

2．2 軟件的開發(fā)

軟件開發(fā)包括以下5個(gè)方面：相關(guān)驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，串口數(shù)據(jù)通信程序的開發(fā)，靜態(tài)頁面的開發(fā)，CGI程序的開發(fā)，無線GSM網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控收發(fā)短信息程序的開發(fā)。

嵌入式Linux設(shè)備文件主要分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3種類型。根據(jù)課題需要主要針對(duì)DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和Nand Flash的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改寫，以及對(duì)LED字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。然后將其編譯進(jìn)內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。

在嵌入式Linux系統(tǒng)中訪問串口設(shè)備要把串口看作是一個(gè)設(shè)備文件，用戶可以使用文件操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的基本操作：如用open（）函數(shù)打開串口，用 read（）、write（）來讀／寫串口，操作完成后用close（）關(guān)閉串口等。對(duì)串口的設(shè)置包括波特率設(shè)置、奇偶校驗(yàn)位、停止位和模式設(shè)置。對(duì)串口的設(shè)置主要是設(shè)置struct termios（）結(jié)構(gòu)中各成員的值。在讀串口程序中使用select函數(shù)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用式串口讀寫。串口0和串口1分別與GPRS模塊和氣象儀連接。

用html語言對(duì)靜態(tài)頁面的開發(fā)，在主界面中采用ht-ml的框架技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：頁面結(jié)構(gòu)清晰；功能列表放在左邊，系統(tǒng)功能一目了然；便于頁面跳轉(zhuǎn)；安全性高，不管提交的表單數(shù)的方式是GET方式還是POST方式，在IE地址欄都不會(huì)顯示出相關(guān)信息，保證了數(shù)據(jù)傳遞的安全性。

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器／服務(wù)器（B／S）通信模式，利用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)CGI，使得監(jiān)控端能直觀地對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行集中監(jiān)控。一般來講，CGI程序可以分為3 個(gè)部分：解碼部分，即對(duì)從客戶端獲取的諸多環(huán)境變量進(jìn)行分析，得到支持CGI程序運(yùn)行的必要信息，解碼屬于CGI編程范疇；功能部分，即利用得到的信息完成CGI程序所要實(shí)現(xiàn)的功能；輸出部分，即將運(yùn)行的結(jié)果返回服務(wù)器，最終返回給客戶端。

無線GSM網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控收發(fā)短信息的開發(fā)，對(duì)GSM模塊短信息格式的設(shè)定、傳送回報(bào)的打開，以及短消息的讀取和刪除等是通過AT指令完成的。AT指令都是以 AT開始，《CR》結(jié)束，而AT指令回應(yīng)的開始與結(jié)束都是以《CR》結(jié)束。這是串口編程接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志。如果AT命令的語法有錯(cuò)誤，GSM就返回ER-ROR。用手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的GSM程序流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

對(duì)目標(biāo)板上電，系統(tǒng)的硬軟件先后啟動(dòng)。當(dāng)遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器訪問存儲(chǔ)在嵌入式boa Web服務(wù)器上的網(wǎng)頁時(shí)，首先通過以太網(wǎng)在普通瀏覽器中直接輸入正確的網(wǎng)址http：／／10．0．22．121即可看到測試主頁，如圖5所示。

要求用戶填寫管理ID，并通過密碼驗(yàn)證。只有通過驗(yàn)證的用戶才能進(jìn)入下面的監(jiān)控主頁，監(jiān)控主界面如圖6所示。

該監(jiān)控主頁面左側(cè)顯示有3個(gè)模塊：重新登陸頁面；觀測站遠(yuǎn)程環(huán)境信息檢測系統(tǒng)，能方便實(shí)時(shí)地查詢現(xiàn)場的環(huán)境狀態(tài)，如圖7所示；現(xiàn)場開關(guān)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以控制3個(gè)開關(guān)量的開關(guān)，如圖8所示，并能查詢它們當(dāng)前狀態(tài)，設(shè)置監(jiān)控頁面每隔15 s動(dòng)態(tài)刷新一次，如圖9所示，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)默認(rèn)的是當(dāng)前的實(shí)時(shí)查詢，提交查詢后，用戶可以得到設(shè)備的運(yùn)行情況。

手機(jī)用戶可以根據(jù)開發(fā)程序中設(shè)定好的命令，發(fā)送短消息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。例如：發(fā)送“m”到GSM模塊的SIM卡中，即可返回現(xiàn)場的環(huán)境信息；發(fā)送“naw”或“faw”，可打開或關(guān)閉LED1并且以短信的形式返回現(xiàn)場3個(gè)開關(guān)量LED的狀態(tài)。

4、結(jié) 論

ARM嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合在大型設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷維護(hù)中的應(yīng)用更加廣泛。本課題把ARM嵌入式系統(tǒng)引入觀測站的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，通過Internet：及GSM雙網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)大型光電望遠(yuǎn)鏡設(shè)備所在環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及對(duì)現(xiàn)場一些開關(guān)量的控制。系統(tǒng)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能不僅能實(shí)現(xiàn)跨地域的信息訪問，而且利用網(wǎng)絡(luò)低廉的通信費(fèi)用給基于ARM-Linux嵌入式的大型光電望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的監(jiān)控診斷以及維護(hù)帶來了全新的活力和更高的效益?？傊?，基于嵌入式的雙網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)將會(huì)廣泛運(yùn)用，必將大大提高設(shè)備使用效能，有利于對(duì)大型光電望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的管理和維護(hù)。的結(jié)構(gòu)示意圖和引腳排列圖，表1列出了各引腳在SPI模式下的定義和功能描述。主機(jī)與SD卡之間通過指令來實(shí)現(xiàn)交互。