基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)等方面對(duì)基于以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和控制的要求日益強(qiáng)烈。目前市場(chǎng)上雖已有成熟的Web服務(wù)器可供遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)選擇，但多是基于通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ梅?wù)器，體積及成本不適合小型控制系統(tǒng)，尤其是在一些環(huán)境惡劣，不易值守或無(wú)法安裝計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的場(chǎng)所。如今嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，嵌入式處理器的性能不斷提高，基于嵌入式的控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用?？紤]到嵌入式系統(tǒng)高性能、低成本、低功耗等諸多特點(diǎn)，這里通過(guò)32位嵌入式處理器和以太網(wǎng)控制器構(gòu)建了嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由嵌入式Web服務(wù)器以及被控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成。服務(wù)器通過(guò)交換機(jī)或調(diào)制解調(diào)器與Intemet互聯(lián)網(wǎng)連接，用戶端只需在已聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪問(wèn)該遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP地址，即可使用該服務(wù)器并實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該嵌入式web服務(wù)器采用三星公司的S3C44B0X器件作為整個(gè)系統(tǒng)的處理器，該器件是以ARM7TDMI 為內(nèi)核的RISC處理器，是一種性價(jià)比較高的嵌入式32位處理器。網(wǎng)絡(luò)控制部分選用Realtek公司的RTL8019AS作為以太網(wǎng)控制器，系統(tǒng)的 Flash選用AMD公司的容量為2MB，NOR Flash型AM29LVl60存儲(chǔ)器，SDRAM選用現(xiàn)代公司的容量為8 MB的HY57V641620HGT存儲(chǔ)器。圖2為該硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)的選取、網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器的配置、網(wǎng)頁(yè)的編輯、驅(qū)動(dòng)程序和服務(wù)器應(yīng)用程序的配置移植，軟件層次如圖3所示。

由于該處理器不具有MMU(存儲(chǔ)器管理單元)且需要完備以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，故選擇開源的嵌入式μClinux操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)從 Linux2.o.發(fā)展而來(lái)，專門應(yīng)用于不具備MMU的微控制系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)提供了3個(gè)Web服務(wù)器：httpd，Thttpd和BOA。其中功能最簡(jiǎn)單的是httpd.不支持認(rèn)證、CGI。Thttpd和BOA服務(wù)器都支持認(rèn)證、CGI(Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關(guān)接口)等，但由于Thttpd服務(wù)器需要的資源比BOA大得多，故該系統(tǒng)最終采用BOA服務(wù)器作為遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器。

2.1 BOA服務(wù)器的配置

BOA是一個(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，安全性高、源代碼開放、性能高。在μClinux的發(fā)行版中，在主目錄下的user目錄里，有BOA服務(wù)器的目錄，在example子目錄中，有2個(gè)文件boa.conf和mime.types，這里需要修改配置boa.conf文件，它是BOA服務(wù)器的參數(shù)配置文件，配置如下：

另外該系統(tǒng)將src目錄下的defines.h頭文件SERVER_ROOT宏定義設(shè)置為home目錄，即服務(wù)器目錄，配置操作系統(tǒng)時(shí)，boa.conf和mime-.typs都必須復(fù)制到此服務(wù)器目錄下，從而完成服務(wù)器的配置。

2.2 服務(wù)器與客戶端動(dòng)態(tài)交互的實(shí)現(xiàn)

在動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)交互設(shè)計(jì)中，主要有CGI(Common Gateway Interface)，PHP(Personal Home Page)，ASP(Active Server Page)和JSP(Java Server Page)4種技術(shù)。在Linux下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)通常選擇CGI技術(shù)。CGI稱為公共網(wǎng)關(guān)接口，是一段運(yùn)行于服務(wù)器上的程序，可以將客戶端瀏覽器遞交的信息傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器則會(huì)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)CGI程序去執(zhí)行，最終可將結(jié)果再反饋給客戶端。CGI程序的編寫可以采用任何編程語(yǔ)言，只要這種語(yǔ)言具有標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出和環(huán)境變量。由于C語(yǔ)言具有較強(qiáng)的平臺(tái)無(wú)關(guān)性，因此該系統(tǒng)采用C語(yǔ)言來(lái)編寫CGI程序。

動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)是通過(guò)網(wǎng)頁(yè)內(nèi)嵌表單的方式進(jìn)行信息傳遞的。該系統(tǒng)首先采用網(wǎng)頁(yè)編輯軟件Dreamweaver編輯登陸界面index.html及遠(yuǎn)程控制界面 remote.html。在編輯表單選項(xiàng)時(shí)由action屬性指向相應(yīng)CGI程序路徑，由method屬性決定提交數(shù)據(jù)的方式是GET方式還是POST方式。客戶端傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)采用URL編碼的方式傳送，例如參數(shù)采用name=value的形式，每對(duì)之間用”&”連接。特殊字符用”%”加一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字編碼，輸入的空格用”+”來(lái)表示等，所以服務(wù)器端的CGI在接收數(shù)據(jù)時(shí)需經(jīng)過(guò)解碼操作。

環(huán)境變量在CGI程序設(shè)計(jì)中很重要，客戶端和服務(wù)器端都將信息存儲(chǔ)在某些變量中，環(huán)境變量有3類：與服務(wù)器相關(guān)的環(huán)境變量、與客戶端相關(guān)的環(huán)境變量以及與請(qǐng)求相關(guān)的環(huán)境變量。其中最常用的環(huán)境變量有REQUEST_METHOD記錄請(qǐng)求方式，QUERY_STRING存儲(chǔ)傳遞的數(shù)據(jù)，CO- NTENT_LENGTH傳遞數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

編程時(shí)先創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)entry，用來(lái)記錄要使用的變量和變量名。

當(dāng)采用GET方式傳遞信息時(shí)，可使用如下代碼獲得傳輸?shù)臄?shù)據(jù)：

當(dāng)采用POST方法傳遞信息時(shí)，可使用如下代碼獲得傳輸?shù)臄?shù)據(jù)：

2.3 驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，它為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備已抽象為設(shè)備文件，可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口。應(yīng)用程序在系統(tǒng)中是不能直接訪問(wèn)硬件地址的，因此應(yīng)用程序?qū)唧w設(shè)備的操作必須通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。本例通過(guò)編寫對(duì)應(yīng)端口的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)端口的輸入輸出設(shè)置，以及輸出高低電平的系統(tǒng)調(diào)用接口。在目錄/μClinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char下創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)源文件port.c和驅(qū)動(dòng)頭文件polt.h。編寫端口的驅(qū)動(dòng)程序最重要的是編寫port_ioctl接口調(diào)用函數(shù)，其中定義了實(shí)現(xiàn)功能的所有命令，以供應(yīng)用程序調(diào)用。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加入系統(tǒng)有2種方式，一種是直接編入內(nèi)核中，另一種是以模塊的方式靈活添加。由于本例較簡(jiǎn)單，所以直接編入內(nèi)核中。通過(guò)在當(dāng)前目錄下的 Makefile管理文件和Config.in配置文件添加相應(yīng)項(xiàng)，并在vendor/Samsung/44BO/目錄下的Makefile中 device部分添加port,c，126,0，使系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)即注冊(cè)設(shè)備。

編寫CGI應(yīng)用程序時(shí)，只需打開相應(yīng)的設(shè)備文件，就可通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)中的命令控制接口實(shí)現(xiàn)對(duì)端口的控制。

然后可通過(guò)ioctl系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)端口的控制，程序結(jié)束時(shí)再調(diào)用close(fd)關(guān)閉設(shè)備。

在配置BOA服務(wù)器時(shí)，這里設(shè)定CGI程序的目錄是/home/www/cgi-bin/目錄，使用交叉編譯工具生成CGI程序并放入此目錄下，然后對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行配置裁剪，最終生成的系統(tǒng)鏡像中就可以包含編寫的程序功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。圖4為遠(yuǎn)程控制界面。[!--empirenews.page--]

通過(guò)測(cè)試該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，只需對(duì)CGI程序進(jìn)行適當(dāng)修改即可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜系統(tǒng)的控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)、通信、嵌入式和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)已不能滿足遠(yuǎn)程控制的要求，而基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)正逐漸成為遠(yuǎn)程控制的首選。本文利用ARM內(nèi)核的32位處理器及以太網(wǎng)控制器搭建硬件平臺(tái)，移植了μClinux嵌入式操作系統(tǒng)，配置了BOA服務(wù)器，通過(guò)編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和 CGI程序，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。