基于嵌入式Linux的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)??

1　引　言
　　單片機(jī)和微控制器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)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(yuǎn)程監(jiān)控模式技術(shù)也越來越成熟。如果將這種模式應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域，則用戶只要在有Internet接入的地方，就可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。將其應(yīng)用于家庭，則可以朝家電信息化邁出關(guān)鍵的一步。
　　上述系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)離不開嵌入式操作系統(tǒng)。后PC時(shí)代，隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)小巧、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。目前，商用嵌入式操作系統(tǒng)比較多，如Vxworks，QNX，Nucleaus，WinCE等，但價(jià)格都很昂貴，并不適合廣泛應(yīng)用。
　　嵌入式Linux為這個(gè)問題提供了良好的解決方案，其開放的源代碼、強(qiáng)大的技術(shù)支持、良好的可擴(kuò)展性及對(duì)眾多硬件的支持都是它嵌入化的優(yōu)勢(shì)。所以我們選擇嵌入式linux為操作平臺(tái)，結(jié)合成熟的Web技術(shù)來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
   該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)利用Internet／Intranet網(wǎng)絡(luò)資源，只需一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的PC客戶機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視和控制。這里，我們提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)方案，如圖1、2所示。

　　兩種方案都利用了Internet／Intranet網(wǎng)絡(luò)資源。不同的是，在方案一中，使用了一臺(tái)PC機(jī)作為代理服務(wù)器接入Internet網(wǎng)絡(luò)，這樣便可利用代理服務(wù)器提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫功能。該方案適用于測(cè)量設(shè)備較多，相對(duì)集中的場(chǎng)合。嵌入式設(shè)備可通過以太網(wǎng)線直接與服務(wù)器相連，這樣，嵌入式設(shè)備實(shí)際上只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)以太網(wǎng)到RS232的轉(zhuǎn)換。但是，在某些嵌入式的應(yīng)用環(huán)境中，并不適合單獨(dú)使用一臺(tái)PC機(jī)作服務(wù)器，因此，我們提出方案二，嵌入式設(shè)備作為Web Server直接接入Internet／Intranet。嵌入式設(shè)備運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)WebServer的功能，這對(duì)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(shù)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?nèi)圆捎梅桨付?，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為它代表著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向，其應(yīng)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(diǎn)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(shè)備即可滿足系統(tǒng)的要求。[!--empirenews.page--]
3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1　Linux的選擇
　　由于Linux過于龐大，要將它應(yīng)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(shí)時(shí)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(chǔ)，根據(jù)自己設(shè)計(jì)的主板情況編寫相應(yīng)的bootloader程序或BIOS，運(yùn)行自己的系統(tǒng)。一旦加載上了嵌入式Linux，則對(duì)于上層應(yīng)用軟件的編程與在運(yùn)行普通Linux的PC機(jī)上一樣，所有的程序都可以先在Linux的PC機(jī)上調(diào)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(shè)備上運(yùn)行。如果編譯嵌入式Linux時(shí)選擇網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS），則調(diào)試的時(shí)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(duì)照源碼去調(diào)試與發(fā)現(xiàn)。
3．2　應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)，客戶應(yīng)用層負(fù)責(zé)提供交互界面，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用邏輯以發(fā)送數(shù)據(jù)、請(qǐng)求并處理返回?cái)?shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器層負(fù)責(zé)處理客戶數(shù)據(jù)請(qǐng)求并返回結(jié)果，有效管理系統(tǒng)資源。該模式需獨(dú)立開發(fā)和安裝每個(gè)應(yīng)用，系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)困難，客戶機(jī)負(fù)擔(dān)重。此外，與數(shù)據(jù)庫的直接交互導(dǎo)致應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的依賴性，且浪費(fèi)數(shù)據(jù)庫連接資源。
　　基于二層結(jié)構(gòu)的C／S模式無法適應(yīng)Internet網(wǎng)絡(luò)的特性，因此出現(xiàn)了一種新的體系結(jié)構(gòu)——B／S模式。B／S是一種基于Hyperlink，HTML，Java的三級(jí)或多級(jí)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(jiǎn)單、易于維護(hù)、擴(kuò)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(duì)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(tái)上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，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(luò)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(yàn)成功則進(jìn)入Web Server系統(tǒng)的監(jiān)控界面，點(diǎn)擊相應(yīng)的設(shè)備按鈕可以獲得該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并可以對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
3．2．3　服務(wù)器端程序的設(shè)計(jì)
   （1）服務(wù)器模式
　　為了進(jìn)行服務(wù)器端程序的設(shè)計(jì)，首先要確定服務(wù)器的工作模型。我們知道，Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要分為兩種：循環(huán)服務(wù)器（Iterative Server）和并發(fā)服務(wù)器（ConcurrentServer）。循環(huán)服務(wù)器在同一時(shí)刻只能處理一個(gè)客戶機(jī)請(qǐng)求，而并發(fā)服務(wù)器在同一時(shí)刻可以處理多個(gè)客戶機(jī)請(qǐng)求。TCP套接字大多采用并發(fā)服務(wù)器提供服務(wù)。TCP并發(fā)服務(wù)器有多種實(shí)現(xiàn)方法：
　　·服務(wù)器對(duì)每個(gè)接收到的客戶連接都創(chuàng)建一個(gè)新的子進(jìn)程來處理客戶請(qǐng)求；
　　·服務(wù)器預(yù)先創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程，由這些子進(jìn)程處理客戶機(jī)的請(qǐng)求。這種方式稱為“預(yù)創(chuàng)建（prefork）”服務(wù)器；
　　·服務(wù)器用函數(shù)select實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)客戶機(jī)連接的多路復(fù)用；
    ·由超級(jí)服務(wù)器（Inetd）激活的服務(wù)器。
　　其中，一個(gè)子進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)客戶機(jī)的服務(wù)器模型很簡(jiǎn)單，父進(jìn)程完成接收連接和創(chuàng)建子進(jìn)程的任務(wù)，子進(jìn)程處理客戶機(jī)的具體請(qǐng)求，每個(gè)子進(jìn)程的處理過程完全獨(dú)立。
　　這種服務(wù)器可以同時(shí)處理的客戶機(jī)數(shù)目受到系統(tǒng)所允許的最大子進(jìn)程數(shù)目的限制。這種服務(wù)器的缺點(diǎn)是，為每一個(gè)客戶創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程的開銷比較大。但如果我們能考慮到實(shí)際情況，并加以適當(dāng)?shù)淖兓蜁?huì)發(fā)現(xiàn)，它很適合我們的系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)是一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，決定了不會(huì)有過多客戶同時(shí)發(fā)出監(jiān)控命令，所以無須擔(dān)心出現(xiàn)系統(tǒng)資源被耗盡的情況；其次，客戶一旦進(jìn)行監(jiān)控，一般會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，這種創(chuàng)建子進(jìn)程的開銷對(duì)服務(wù)器效率影響不大；最后，如果系統(tǒng)在Internet上運(yùn)行，可能會(huì)有許多外來的好奇者想進(jìn)入，為了減少開銷，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并不是一旦建立連接就創(chuàng)建子進(jìn)程，而是當(dāng)口令通過后并向系統(tǒng)發(fā)出ASP請(qǐng)求才建立子進(jìn)程。
   （2）程序設(shè)計(jì)
　　根據(jù)我們的方案，服務(wù)器所需做的工作是：通過串口對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；將處理的數(shù)據(jù)交給Web Server子進(jìn)程；子進(jìn)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(shè)置命令，將參數(shù)設(shè)置上傳到遠(yuǎn)程設(shè)備。
　　服務(wù)器程序結(jié)構(gòu)如圖4所示，父進(jìn)程首先創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程專門處理數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)用戶的請(qǐng)求創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的子進(jìn)程。用戶子進(jìn)程與串口數(shù)據(jù)處理子進(jìn)程之間采用進(jìn)程間通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

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