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[導讀]基于嵌入式Linux的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計??

1 引 言
  單片機和微控制器在工業(yè)現(xiàn)場控制領域已得到廣泛的應用,但這些控制系統(tǒng)通常采用RS232或RS485組網(wǎng),作用距離短。如今,Internet飛速發(fā)展,已成為信息交流的重要渠道。而且,基于Web的B/S遠程監(jiān)控模式技術也越來越成熟。如果將這種模式應用于工業(yè)現(xiàn)場控制領域,則用戶只要在有Internet接入的地方,就可以對工業(yè)現(xiàn)場設備進行遠程監(jiān)控。將其應用于家庭,則可以朝家電信息化邁出關鍵的一步。
  上述系統(tǒng)的實現(xiàn)離不開嵌入式操作系統(tǒng)。后PC時代,隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用,嵌入式操作系統(tǒng)也越來越受到重視。嵌入式操作系統(tǒng)具有結構小巧、實時性強、穩(wěn)定性高等特點。目前,商用嵌入式操作系統(tǒng)比較多,如Vxworks,QNX,Nucleaus,WinCE等,但價格都很昂貴,并不適合廣泛應用。
  嵌入式Linux為這個問題提供了良好的解決方案,其開放的源代碼、強大的技術支持、良好的可擴展性及對眾多硬件的支持都是它嵌入化的優(yōu)勢。所以我們選擇嵌入式linux為操作平臺,結合成熟的Web技術來進行遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計。
2 系統(tǒng)結構
   該遠程控制系統(tǒng)利用Internet/Intranet網(wǎng)絡資源,只需一臺聯(lián)網(wǎng)的PC客戶機,就可實現(xiàn)對遠程設備狀態(tài)的監(jiān)視和控制。這里,我們提出系統(tǒng)結構的兩種設計方案,如圖1、2所示。


  兩種方案都利用了Internet/Intranet網(wǎng)絡資源。不同的是,在方案一中,使用了一臺PC機作為代理服務器接入Internet網(wǎng)絡,這樣便可利用代理服務器提供強大的數(shù)據(jù)庫功能。該方案適用于測量設備較多,相對集中的場合。嵌入式設備可通過以太網(wǎng)線直接與服務器相連,這樣,嵌入式設備實際上只需要實現(xiàn)一個以太網(wǎng)到RS232的轉換。但是,在某些嵌入式的應用環(huán)境中,并不適合單獨使用一臺PC機作服務器,因此,我們提出方案二,嵌入式設備作為Web Server直接接入Internet/Intranet。嵌入式設備運行一個操作系統(tǒng)并在此基礎之上實現(xiàn)WebServer的功能,這對系統(tǒng)硬件要求比較高,再加上小型嵌入式數(shù)據(jù)庫技術的不成熟,使得它在數(shù)據(jù)管理方面稍有欠缺。盡管如此,我們仍采用方案二,因為我們認為它代表著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向,其應用范圍更為廣泛,并且,隨著軟硬件水平的不斷提高,上述的缺點都是可以克服的。
  我們的方案中,硬件上采用32位Motorola微處理器,2M Flash,16M SDRAM,及必要的外圍設備即可滿足系統(tǒng)的要求。[!--empirenews.page--]
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 Linux的選擇
  由于Linux過于龐大,要將它應用于小巧的嵌入式系統(tǒng),首先必須將其小型化。目前,出現(xiàn)了各種不同的嵌入式Linux版本,有一些還具有一定的實時性。我們首先依據(jù)自己所選擇的CPU類型,以公開的嵌入式Linux源代碼為基礎,根據(jù)自己設計的主板情況編寫相應的bootloader程序或BIOS,運行自己的系統(tǒng)。一旦加載上了嵌入式Linux,則對于上層應用軟件的編程與在運行普通Linux的PC機上一樣,所有的程序都可以先在Linux的PC機上調試通過,然后只需要修改MakeFile文件,就可以完全移植到嵌入式Linux設備上運行。如果編譯嵌入式Linux時選擇網(wǎng)絡文件系統(tǒng)(NFS),則調試的時候可利用gdbserver,省去了無數(shù)次下載程序的麻煩。這種方法有很大的靈活性與自由度,但也要注意到,由于硬件的配置不同,或程序本身原因,網(wǎng)上下載的源代碼未必都合適,這需要自己對照源碼去調試與發(fā)現(xiàn)。
3.2 應用程序設計
3.2.1 C/S(Client/Server)模式與B/S(Browser/Server)模式傳統(tǒng)的C/S模式采用兩層設計,客戶應用層負責提供交互界面,實現(xiàn)應用邏輯以發(fā)送數(shù)據(jù)、請求并處理返回數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)庫服務器層負責處理客戶數(shù)據(jù)請求并返回結果,有效管理系統(tǒng)資源。該模式需獨立開發(fā)和安裝每個應用,系統(tǒng)升級維護困難,客戶機負擔重。此外,與數(shù)據(jù)庫的直接交互導致應用程序對數(shù)據(jù)結構有很強的依賴性,且浪費數(shù)據(jù)庫連接資源。
  基于二層結構的C/S模式無法適應Internet網(wǎng)絡的特性,因此出現(xiàn)了一種新的體系結構——B/S模式。B/S是一種基于Hyperlink,HTML,Java的三級或多級C/S,客戶端僅需要單一的瀏覽器軟件,其它大量工作都由Web Sever完成。B/S模式使用簡單、易于維護、擴展性好,已逐漸成為主流。

3.2.2 客戶端工作過程
  該系統(tǒng)使用的是B/S模式,對客戶端幾乎沒有特別要求??蛻舳酥灰谄胀╓indows視窗系統(tǒng),安裝IE或Netscape即可。換句話說,任何一臺上網(wǎng)的計算機,都可能成為客戶端。
  客戶端的工作過程如下:通過Internet/Intranet網(wǎng)絡訪問監(jiān)控中心的主頁,根據(jù)需要輸入用戶名和密碼,檢驗成功則進入Web Server系統(tǒng)的監(jiān)控界面,點擊相應的設備按鈕可以獲得該設備的運行狀態(tài)并可以對設備的參數(shù)進行設置。
3.2.3 服務器端程序的設計
   (1)服務器模式
  為了進行服務器端程序的設計,首先要確定服務器的工作模型。我們知道,Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡服務器主要分為兩種:循環(huán)服務器(Iterative Server)和并發(fā)服務器(ConcurrentServer)。循環(huán)服務器在同一時刻只能處理一個客戶機請求,而并發(fā)服務器在同一時刻可以處理多個客戶機請求。TCP套接字大多采用并發(fā)服務器提供服務。TCP并發(fā)服務器有多種實現(xiàn)方法:
  ·服務器對每個接收到的客戶連接都創(chuàng)建一個新的子進程來處理客戶請求;
  ·服務器預先創(chuàng)建多個子進程,由這些子進程處理客戶機的請求。這種方式稱為“預創(chuàng)建(prefork)”服務器;
  ·服務器用函數(shù)select實現(xiàn)對多個客戶機連接的多路復用;
    ·由超級服務器(Inetd)激活的服務器。
  其中,一個子進程對應一個客戶機的服務器模型很簡單,父進程完成接收連接和創(chuàng)建子進程的任務,子進程處理客戶機的具體請求,每個子進程的處理過程完全獨立。
  這種服務器可以同時處理的客戶機數(shù)目受到系統(tǒng)所允許的最大子進程數(shù)目的限制。這種服務器的缺點是,為每一個客戶創(chuàng)建一個子進程的開銷比較大。但如果我們能考慮到實際情況,并加以適當?shù)淖兓?,就會發(fā)現(xiàn),它很適合我們的系統(tǒng)。首先,該系統(tǒng)是一個監(jiān)控系統(tǒng),決定了不會有過多客戶同時發(fā)出監(jiān)控命令,所以無須擔心出現(xiàn)系統(tǒng)資源被耗盡的情況;其次,客戶一旦進行監(jiān)控,一般會持續(xù)較長時間,這種創(chuàng)建子進程的開銷對服務器效率影響不大;最后,如果系統(tǒng)在Internet上運行,可能會有許多外來的好奇者想進入,為了減少開銷,在系統(tǒng)設計中,并不是一旦建立連接就創(chuàng)建子進程,而是當口令通過后并向系統(tǒng)發(fā)出ASP請求才建立子進程。
   (2)程序設計
  根據(jù)我們的方案,服務器所需做的工作是:通過串口對設備進行數(shù)據(jù)的收發(fā);對數(shù)據(jù)進行處理;將處理的數(shù)據(jù)交給Web Server子進程;子進程將數(shù)據(jù)顯示到Web頁下傳給客戶,并接收客戶的參數(shù)設置命令,將參數(shù)設置上傳到遠程設備。
  服務器程序結構如圖4所示,父進程首先創(chuàng)建一個子進程專門處理數(shù)據(jù),然后再根據(jù)用戶的請求創(chuàng)建相對應的子進程。用戶子進程與串口數(shù)據(jù)處理子進程之間采用進程間通信來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

服務器啟動之后的第一件事,就是創(chuàng)建專用子進程來收發(fā)數(shù)據(jù)。服務器任何時刻都在監(jiān)聽用戶請求。若用戶發(fā)出監(jiān)控請求,而且通過了密碼校驗,服務器就會產(chǎn)生一個子進程來處理該用戶的請求:發(fā)送數(shù)據(jù),接收設置等。
4 結束語
  身處信息社會,人們已經(jīng)能夠利用網(wǎng)絡資源快捷方便地獲得信息,并能利用網(wǎng)絡資源進行各種設備的遠程監(jiān)控。本文提出的基于嵌入式Linux的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的方案已在小型局域網(wǎng)中得到實現(xiàn)。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場、遠程診斷、信息家電中有著很好的應用前景。

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