嵌入式Web技術(shù)在智能溫室監控系統中的應用

智能溫室監控系統是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的節約型設施農業(yè)技術(shù)，通過(guò)計算機綜合控制，在充分利用自然資源的基礎上，調節溫度、濕度、光照強度等環(huán)境因素來(lái)獲得作物生長(cháng)的最佳條件，從而達到提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、增加經(jīng)濟效益的目的。嵌入式系統與Intemet技術(shù)的結合是當今發(fā)展的趨勢，如何將嵌入式產(chǎn)品與Internet連接起來(lái)實(shí)現室內設備的統一監控與管理，通過(guò)Internet實(shí)現對設備行為的訪(fǎng)問(wèn)與交互是目前研究的熱點(diǎn)。本文提出一種基于嵌入式Web技術(shù)的智能溫室監控系統設計方案，系統以嵌入式處理器作為上位機，通過(guò)構建嵌入式Web服務(wù)器，借助CGI（Common Gateway Interface）技術(shù)控制中心與嵌入式Web服務(wù)器端之間的動(dòng)態(tài)數據交互，來(lái)滿(mǎn)足嵌入式設備直接與Internet聯(lián)網(wǎng)的要求，使管理者可以不受空間限制，通過(guò)Internet利用Web瀏覽器完成對設備的遠程訪(fǎng)問(wèn)、監控和維護等操作。

　　1 系統總體設計

　　本設計基于A(yíng)RM9開(kāi)發(fā)平臺，構建嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境，裁剪移植Linux操作系統。系統采用嵌入式Web服務(wù)器對設備進(jìn)行功能配置，利用溫度、濕度、光照強度傳感器采集數據，采用嵌入式數據庫對監測數據進(jìn)行分析和存儲。系統通過(guò)控制程序協(xié)調溫室參數，并對控制參數進(jìn)行監測，從而為溫室中的作物提供最佳的生長(cháng)環(huán)境。

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統分客戶(hù)端主機和現場(chǎng)嵌入Web服務(wù)器智能監控設備兩部分，監控系統的結構如圖1所示。

　　客戶(hù)端主機通過(guò)瀏覽器與Web服務(wù)器交互式處理數據，從而實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )智能設備的遠程監控。其中嵌入式Web服務(wù)器和監控端位于溫室現場(chǎng)，監控端完成對溫室環(huán)境參數（溫度、濕度、等數據）的采集，并將采集結果存入數據庫，通過(guò)CGI技術(shù)，管理人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò )便可了解溫室內環(huán)境情況。系統采用Boa作為嵌入式Web服務(wù)器，負責監控、接收和分析用戶(hù)請求，傳送靜態(tài)頁(yè)面和調用后臺CGI（Common Gate Interface）程序。

　　2 系統硬件設計

　　為了保證系統的實(shí)用性和可擴展性，系統選用Samsung公司的S3C2440A作為CPU處理器，S3C2440A帶有豐富的外圍接口，是一款高性?xún)r(jià)比的ARM核SoC芯片，工作頻率最高可達400 MHz。系統硬件結構如圖2所示。

　　系統配置有內存大小為64 M的SDRAM和128 M的Nand Flash。外接320x240的LCD觸摸屏，實(shí)現本地用戶(hù)人機接口，進(jìn)行設備管理，通過(guò)USB接口連接攝像頭，完成溫室環(huán)境的圖像采集；通過(guò)DM9000外擴以太網(wǎng)接口實(shí)現與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設備的連接和Interact的連接。另外，系統還擴展有RS485接口，可用于系統的擴展，通過(guò)布線(xiàn)連接相應的設備。

　　3 系統軟件設計

　　整個(gè)系統軟件結構如圖3所示，數據采集程序通過(guò)數據采集設備（傳感器、攝像頭等）按照用戶(hù)預先設定的參數周期性的下發(fā)查詢(xún)命令，將采集到的結果寫(xiě)入SQLite數據庫，監控人員使用瀏覽器通過(guò)Web服務(wù)器（Boa）管理和維護系統。

　　網(wǎng)絡(luò )服務(wù)程序由嵌入式Web服務(wù)器和CGI腳本程序兩部分組成：服務(wù)器通過(guò)監聽(tīng)80端口，監聽(tīng)來(lái)自網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)請求，如有用戶(hù)請求，則啟動(dòng)相應的CGI腳本程序，將請求信息轉化為服務(wù)器可以識別的數據格式，從SQLite數據庫中讀出所需的信息，再由CGI程序將信息轉化為Web瀏覽器能夠識別的格式，作為HTTP應答消息回送客戶(hù)端顯示。CGI腳本程序完成的功能主要包括：配置、查詢(xún)設備相關(guān)信息及查詢(xún)設備告警信息等。

　　3．1 嵌入式Linux操作系統

　　用于嵌入式系統中的操作系統很多，如Linux，Vxworks，Windows CE等。相比而言，Linux兼容POSIX1003．1標準，支持多線(xiàn)程、多任務(wù)系統且具有源碼公開(kāi)、完全免費和廣泛的移植性等特點(diǎn)，使用更加靈活。同時(shí)具有強大而穩定的網(wǎng)絡(luò )功能和完善的開(kāi)發(fā)工具，支持TCP／IP協(xié)議棧，可提供FTP、TELNET等服務(wù)，同時(shí)還可以通過(guò)應用程序向其他系統提供服務(wù)。因此，選擇Linux 2．6．32作為嵌入式操作系統。

　　3．2 交叉編譯Boa

　　本系統采用盡可能簡(jiǎn)單的嵌入式Web服務(wù)器，即Boa，能夠實(shí)現HTTP1．1協(xié)議的基本內容，支持CGI，支持認證，是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，Boa體積小，只有幾十kB。交叉編譯工具使用的是arm-linux-gcc4．3．2。

　　1）下載Boa源碼包boa-0.94.13targz，解壓后，在boa-0．94．13＼src目錄下運行#／configure命令生成Makefile文件。

　　2）修改Makefile文件，其中：CROSS_COMPILE=／usr／local／arm／4．3．2／bin／arm-linux-。

　　3）運行#make命令，生成可執行程序boa，運行#／usr／loeal／arm／4．3. 2／bin／arm-linux-strip boa命令刪除調試信息。

　　3．3 嵌入式數據庫的移植

　　Sqlite數據庫對嵌入式來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的數據庫引擎，可有力地減小應用程序管理數據的開(kāi)銷(xiāo)。具體的移植過(guò)程：

　　1）在Sqlite的官網(wǎng)下載linux版本的Sqlite3．6．23，解壓sqiite-amalgamation-3．6．23．tar．gz并進(jìn)入sqlite-3．6．23目錄。

　　2）mkdir build在sqlite3.6.23目錄內建立編譯文件夾并進(jìn)入，Sqlite的編譯就在這個(gè)文件夾內進(jìn)行。

　　3）．．／configure--host=srm-linux--prefix=／usr／local／sqlite3選定編譯器為arm-linux-gcc，并指定安裝目錄為／usr／local／sqlite3，這個(gè)路徑是可以根據自己的需要進(jìn)行修改。

　　4）make make install安裝成后在sqfie3目錄下生成bin、include、lib三個(gè)文件夾，分別為可執行文件，頭文件與庫文件，由于采用動(dòng)態(tài)編譯，所以生成的庫是動(dòng)態(tài)庫，將它們復制到系統的相應文件夾下。此時(shí)，就可以在目標板上運行sqlite3。

　　3．4 CGI程序的設計

　　CGI定義Web服務(wù)器與用戶(hù)之間訪(fǎng)問(wèn)與執行程序的標準接口，它使瀏覽器和Web服務(wù)器之間具有交互性。圖4表明了本系統中瀏覽器、Web服務(wù)器和CGI程序之間的關(guān)系。

　　當客戶(hù)通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)Web服務(wù)器時(shí)，瀏覽器與Web服務(wù)器建立TCP連接并發(fā)送HTTP請求，Web服務(wù)器收到HTTP請求后，分析請求內容，如果為靜態(tài)文檔請求，則直接返回該請求的結果，如果是CGI請求，則Web服務(wù)器把該請求通過(guò)環(huán)境變量、命令行參數或標準輸入的方式傳給指定的CGI程序，同時(shí)接管這個(gè)CGI程序的標準輸出，CGI程序進(jìn)行相應的信息處理后，將處理結果以HTML形式的文件送到標準輸出，Web服務(wù)器在CGI程序輸出的內容上附加一些頭標信息和狀態(tài)行，然后把結果送回瀏覽器。